专利名称：一种超低功耗高效率电磁铁控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁铁控制电路，特别涉及一种超低功耗高效率的电磁铁控制电路。
背景技术：
电磁铁的应用已经十分广泛，并且一直以来的应用，电磁铁都是工作在额定的工作电压和电流上的，这种应用是最原始的、功耗最大的、且效率最低的。近期也有新技术出现，例如专利文献200810202044，是关于电磁铁正常瞬间吸合后，利用脉宽调制低电压小电流保持电磁铁的技术，此技术利用了电磁铁吸合成功后可以小电流保持的特性来工作的，从而节省了较大的用电功耗，且效率获得了明显的提升。虽然此技术获得了很大的进步，但仍然不是效率最高的，主要有两点第一，未能从供电电压 (即输入电压)或电磁铁的额定输入电压方面解决，仍需较高的电压启动；第二，在电池供电的情况下，未能解决电池宽电压供电的问题。
发明内容
本发明的目的就是解决现有技术的问题，提出一种超低功耗高效率电磁铁控制电路。能低电压启动电磁铁吸合，能在电池供电的情况下以宽电压范围启动电磁铁吸合，且功耗超低。为实现上述目的，本发明提出一种超低功耗高效率电磁铁控制电路，包括电磁铁、 电源输入处理电路、升压贮能及反馈控制电路和控制芯片MCU电路，外接供电电源依次经电源输入处理电路、升压贮能及反馈控制电路输至电磁铁，所述控制芯片MCU电路输出升压开关控制信号至升压贮能及反馈控制电路的升压控制端，输入升压贮能及反馈控制电路的反馈输出端输出的反馈信号。升压贮能及反馈控制电路负责对输入的低电压进行瞬间快速升压和贮存升压后的高电压电能，使得电路在低电压输入供电，能为高额定电压的电磁铁提供贮存电能。与直接高电压供电的电路相比，大大降低对输入供电电压的要求，提高电磁铁驱动的效率。升压贮能及反馈控制电路对输入低电压进行快速升压和能量贮存，并将结果反馈给控制芯片 MCU电路，控制芯片MCU电路根据反馈结果自动控制升压贮能及反馈控制电路的升压贮能工作的开始和结束，使电磁铁吸合瞬间高电压产生大电流，吸合后低压维持电流小。还可包括监测外接供电电源供电状况的欠压检测电路，其输入端连接电源输入处理电路，其输出端输出检测信号至控制芯片MCU电路。控制芯片MCU电路通过欠压检测电路监测当前供电电压，自动调整升压开关控制信号，使升压贮能及反馈控制电路在不同的低输入电压下均能输出合适的高电压启动电磁铁瞬间吸合。通过设置欠压检测电路，不仅能低电压正常启动电磁铁，而且能超低电压正常启动电磁铁，能在电池供电的情况下以宽电压范围正常启动电磁铁，最大化地提高电磁铁的驱动效率。
还可包括连接电磁铁的功率晶体管驱动电路，其控制端输入控制芯片MCU电路输出的脉宽调制控制信号或恒定电平控制信号，该控制芯片MCU电路通过所述功率晶体管驱动电路控制电磁铁的吸合或释放。当电磁铁高压启动吸合时，控制芯片MCU电路输出恒定电平控制信号至功率晶体管驱动电路，使电磁铁高压大电流瞬间吸合。当电磁铁高压启动结束，维持吸合时，控制芯片MCU电路根据欠压检测电路输出的检测信号，在供电充足的情况下，输出脉宽调制控制信号至功率晶体管驱动电路，并根据供电充足的程度，自动调节输出脉宽；在供电不充足的情况下，输出恒定电平控制信号至功率晶体管驱动电路。使电磁铁工作在超低维持电流下， 降低功耗，实现对供电的高效率利用。本发明利用电压检测反馈和MCU程序进行分时多方式协调工作，降低用电量和拓宽低压工作电压范围。因此，可实现超低功耗和高效率驱动电磁铁的目的。本发明通过升压贮能及反馈控制电路、欠压检测电路和特定的MCU算法程序，使电磁铁的供电电压不再局限于额定输入电压范围，本发明可应用于各种低电压电池或电子供电的场合。本发明在电池供电的情况下，可以宽电压范围工作，最大效率地使用电池的容量，大大地提高电池的使用寿命，为电磁铁在手持化、小型化设备上的应用创造了空间，为人类节约能源和低炭减排的事业做出了显著的贡献。本发明已经成功应用到实际产品中， 其中典型的有可以用1节5号电池并且在0. 8V-1. 5V的电压范围内，以彡0. 08W的功率， 成功驱动一个额定功率为0. 72ff(6V/120mA)的电磁铁长期正常工作。
图1是本发明最佳实施例的电路方框图；图2是本发明最佳实施例的电路原理图；图3是本发明最佳实施例的电磁铁电压与时间工作关系图。
具体实施例方式以下结合附图和最佳实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明最佳实施例包括电磁铁6、电源输入处理电路1、升压贮能及反馈控制电路2、欠压检测电路4、功率晶体管驱动电路3和控制芯片MCU电路5，外接供电电源Vl依次经电源输入处理电路1、升压贮能及反馈控制电路2输至电磁铁6，所述控制芯片 MCU电路5输出升压开关控制信号至升压贮能及反馈控制电路2的升压控制端CN2，输入升压贮能及反馈控制电路2的反馈输出端CN3输出的反馈信号，欠压检测电路4的输入端连接电源输入处理电路1，其输出端CNl输出检测信号至控制芯片MCU电路5，功率晶体管驱动电路3连接电磁铁6，其控制端CN4输入控制芯片MCU电路5输出的脉宽调制控制信号或恒定电平控制信号。控制芯片MCU电路5输出升压开关控制信号至升压贮能及反馈控制电路2的升压控制端CN2，启动升压贮能及反馈控制电路2对超低输入电压进行快速升压和能量贮存，控制芯片MCU电路5同时检测欠压检测电路4，根据其输出端CNl的检测信号，自动调整升压开关控制信号，从而调整升压贮能及反馈控制电路2的升压和能量贮存的幅度，升压贮能及反馈控制电路2将升压结果通过反馈输出端CN3反馈给控制芯片MCU电路5，控制芯片
5MCU电路5 —旦接收到升压贮能已达到要求值的反馈信号，就通过升压控制端CN2控制升压贮能及反馈控制电路2结束升压贮能工作，同时输出恒定电平控制信号至功率晶体管驱动电路3的控制端CN4，控制功率晶体管导通，为电磁铁6提供启动瞬间高电压大电流。延时一段时间后，启动时间结束，控制芯片MCU电路5检测欠压检测电路4，以控制向功率晶体管驱动电路3的控制端CN4输出恒定电平控制信号还是脉宽调制控制信号，对于脉宽调制控制信号，还能自动调节其脉宽，以调节功率晶体管的斩波宽度，从而控制输入到电磁铁6的电流能量，为电磁铁6提供维持小电流，维持时间延时结束后自动释放电磁铁6。如图2所示，电源输入处理电路1包括依次串联连接的整流滤波电路和稳压电路。 其中整流滤波电路为二极管半波整流滤波电路，包括整流二极管Dl和连接其输出端的滤波电容Cl、C2，稳压电路包括低压差稳压管LDO和连接其输出端的滤波电容C3、C4。外接供电电源Vl可以是交流电，也可以是直流电，直流电也可以是电池，整流二极管Dl对输入的交流电进行整流，或对输入的直流电进行直流电极性导向，输出直流电压VDD1，低压差稳压管LDO负责给电磁铁6和控制芯片MCU电路5提供稳定的低压工作电压VDD2，滤波电容 C1-C4实现对电源的滤波，提升电源质量。如图2所示，升压贮能及反馈控制电路2包括线绕电感L1、NPN开关晶体管Q2、Q3、 电阻R1、R2、整流管D2、高压贮能电容C5和电压检测管Z1，线绕电感Ll的一端连接电源输入处理电路1的输出端VDD2，另一端连接NPN开关晶体管Q2的集电极，升压控制端CN2经电阻Rl连接NPN开关晶体管Q2的基极，该NPN开关晶体管Q2的发射极接地，整流管D2的正极连接NPN开关晶体管Q2的集电极，负极连接高压贮能电容C5的一端，该高压贮能电容 C5的另一端接地，整流管D2的负极和高压贮能电容C5的连接点输出电压VDD3至电磁铁 6，该输出电压VDD3依次经电阻R2、电压检测管Zl输入NPN开关晶体管Q3的基极，该NPN 开关晶体管Q3的集电极连接反馈输出端CN3，发射极接地。其中线绕电感Li、NPN开关晶体管Q2、电阻Rl组成了一个简单的以晶体管做开关驱动的电感式升压电路，当升压控制端输入脉冲升压开关控制信号时，利用了电感的电磁转换和升压特性实现了快速高电压的产生；而整流管D2则把升高的电压整流后往电容C5充电，电容C5快速充电，输出电压VDD3 上升，一旦上升到电压检测管Zl的击穿值，表明高电压已经在电容C5上充满电，此时电压检测管Zl击穿，晶体管Q3饱和导通，反馈输出端CN3输出低电平反馈信号，将充满电的状态经反馈输出端CN3反馈给控制芯片MCU电路5，MCU电路5立即输出低电平升压开关控制信号至升压控制端CN2，使晶体管Q2截止，从而，关闭晶体管Q2，输出电压VDD3维持低电压，升压贮能工作结束。 如图2所示，功率晶体管驱动电路3包括NPN功率晶体管Ql和电阻R3，控制端CN4 经电阻R3连接NPN功率晶体管Ql的基极，该晶体管Ql的集电极连接电磁铁6，发射极接地。控制芯片MCU电路5输出脉宽调制控制信号或恒定电平控制信号至控制端CN4，恒定电平控制信号包含恒定低电平控制信号和恒定高电平控制信号，恒定低电平控制信号控制 NPN功率晶体管Ql持续截止，电磁铁6释放，恒定高电平控制信号控制NPN功率晶体管Ql 持续导通，电磁铁6吸合，脉宽调制控制信号控制NPN功率晶体管Ql斩波工作，电磁铁6维持吸合。保护二极管D3并联在电磁铁6的两端，保护晶体管Q1。 如图2所示，欠压检测电路4包括电压检测器VD0，其输入端连接二极管半波整流滤波电路的输出端VDD1，VDDl作为电压检测点，直接监测外接供电电源Vl的供电状况，通过欠压检测电路4，将输入电压状态实时反馈到控制芯片MCU电路5中，使MCU电路5在宽低输入电压范围下能通过升压控制端CN2控制升压贮能及反馈控制电路2输出合适的高电压来启动电磁铁6吸合；能通过控制端CN4控制功率晶体管驱动电路3来保持电磁铁6工作在超低维持电流下。如图3所示，体现了电磁铁电压V与时间T的工作关系。设实施例外接供电电源为电池，其供电电压Vl可以远远低于电磁铁的额定电压V2，而升压后的贮存驱动电压V3又远远高于电磁铁的额定电压V2，同时升压过程Tl时间是一个动态的瞬时的时间，因此，能实现电磁铁在宽电压范围内稳定地驱动工作。Tl时间段是升压贮能电路中电容C5的电压升压充电变化过程，Tl的长短是跟供电电压Vl和MCU对晶体管Q2的控制实时动态关联的。通过MCU检测电压检测器VDO输出端Cm输出的检测信号，当供电在正常电压范围内，MCU输出正常脉冲升压开关控制信号至升压控制端CN2，控制晶体管Q2以正常的开关频率工作，保证升压电路可以在低电流短时间内完成充电过程；当供电在欠压状态下，MCU提高输出脉冲的占空比，控制晶体管Q2以调整的开关频率工作，通过自动调整输出脉冲的占空比，保证升压电路能在宽电压范围内仍以低电流状态工作。电磁铁的各工作时间段T1-T4都是由不同的电压段构成的，主要是通过对升压电压的状态检测、供电电源电压的状态检测，及利用了电磁铁特性(瞬间高电压启动和低电压保持的特性)，再由MCU程序实时灵活控制，因此，能实现电磁铁在宽电压范围、极低功耗的高效率方式下稳定地驱动工作。图3中T3-T4段的虚线脉冲表明了电源输入电压在正常电压范围内，控制芯片MCU 电路5实时输出脉宽调制控制信号给功率晶体管Ql的控制端CN4，以此驱动电磁铁，从而控制输入到电磁铁的电流能量，实现了在正常供电状态下低功耗工作的功能；而T3-T4段的实线表明了电源输入电压在欠压状态下，控制芯片MCU电路5直接输出高电平控制信号，而不是脉宽调制控制信号，因为只有这样才能保证电磁铁正常驱动，充分利用了复位电压Vs 到欠压电压W的低电压区，因此，能实现电磁铁在宽电压范围下稳定地驱动工作。本发明在产业上的可利用性在于按照本发明，可以使电磁铁以超低功耗工作，并能低电压供电工作，在电池供电的情况下以宽电压范围工作，最大化地提高电磁铁驱动的效率。
权利要求
1.一种超低功耗高效率电磁铁控制电路，其特征在于包括电磁铁(6)、电源输入处理电路(1)、升压贮能及反馈控制电路( 和控制芯片MCU电路(5)，外接供电电源依次经电源输入处理电路(1)、升压贮能及反馈控制电路( 输至电磁铁(6)，所述控制芯片MCU电路( 输出升压开关控制信号至升压贮能及反馈控制电路O)的升压控制端，输入升压贮能及反馈控制电路O)的反馈输出端输出的反馈信号；升压贮能及反馈控制电路对输入低电压进行快速升压和能量贮存，并将结果反馈给控制芯片MCU电路，控制芯片MCU电路根据反馈结果自动控制升压贮能及反馈控制电路的升压贮能工作的开始和结束，使电磁铁吸合瞬间高电压产生大电流，吸合后低压维持电流小。
2.根据权利要求1所述的电磁铁控制电路，其特征在于还包括监测外接供电电源供电状况的欠压检测电路G)，其输入端连接电源输入处理电路(1)，其输出端输出检测信号至控制芯片MCU电路(5)。
3.根据权利要求1或2所述的电磁铁控制电路，其特征在于还包括连接电磁铁(6)的功率晶体管驱动电路(3)，其控制端输入控制芯片MCU电路( 输出的脉宽调制控制信号或恒定电平控制信号，该控制芯片MCU电路(5)通过所述功率晶体管驱动电路控制电磁铁的吸合或释放。
4.根据权利要求1所述的电磁铁控制电路，其特征在于所述电源输入处理电路(1) 包括依次串联连接的整流滤波电路和稳压电路。
5.根据权利要求4所述的电磁铁控制电路，其特征在于所述整流滤波电路包括整流二极管Dl和连接其输出端的滤波电容C1、C2，所述稳压电路包括低压差稳压管LDO和连接其输出端的滤波电容C3、C4。
6.根据权利要求2所述的电磁铁控制电路，其特征在于所述电源输入处理电路(1) 包括依次串联连接的整流滤波电路和稳压电路，所述欠压检测电路(4)的输入端连接整流滤波电路的输出端。
7.根据权利要求6所述的电磁铁控制电路，其特征在于所述整流滤波电路包括整流二极管Dl和连接其输出端的滤波电容C1、C2，所述稳压电路包括低压差稳压管LDO和连接其输出端的滤波电容C3、C4，所述欠压检测电路(4)包括电压检测器VD0。
8.根据权利要求2所述的电磁铁控制电路，其特征在于所述欠压检测电路(4)包括电压检测器VDO。
9.根据权利要求1所述的电磁铁控制电路，其特征在于所述升压贮能及反馈控制电路(2)包括线绕电感Li、NPN开关晶体管Q2、Q3、电阻Rl、R2、整流管D2、高压贮能电容C5 和电压检测管Z1，所述线绕电感Ll的一端连接电源输入处理电路(1)的输出端，另一端连接NPN开关晶体管Q2的集电极，所述升压控制端经电阻Rl连接NPN开关晶体管Q2的基极， 该NPN开关晶体管Q2的发射极接地，整流管D2的正极连接NPN开关晶体管Q2的集电极， 负极连接高压贮能电容C5的一端，该高压贮能电容C5的另一端接地，所述整流管D2的负极和高压贮能电容C5的连接点输出电压VDD3至电磁铁(6)，该输出电压VDD3依次经电阻 R2、电压检测管Zl输入NPN开关晶体管Q3的基极，该NPN开关晶体管Q3的集电极连接反馈输出端，发射极接地；当升压控制端输入脉冲升压开关控制信号时，输出电压VDD3上升，一旦上升到电压检测管Zl的击穿值，反馈输出端输出低电平反馈信号；当升压控制端输入低电平升压开关控制信号时，输出电压VDD3维持低电压。
10.根据权利要求3所述的电磁铁控制电路，其特征在于所述功率晶体管驱动电路 (3)包括NPN功率晶体管Ql和电阻R3，所述控制端经电阻R3连接NPN功率晶体管Ql的基极，该晶体管Ql的集电极连接电磁铁(6)，发射极接地；当控制端输入恒定高电平控制信号，电磁铁(6)吸合，当输入脉宽调制控制信号，电磁铁(6)维持吸合，当输入恒定低电平控制信号，电磁铁(6)释放。
全文摘要
本发明提出一种超低功耗高效率电磁铁控制电路，包括电磁铁、电源输入处理电路、升压贮能及反馈控制电路和控制芯片MCU电路，外接供电电源V1依次经电源输入处理电路、升压贮能及反馈控制电路输至电磁铁，所述控制芯片MCU电路输出升压开关控制信号至升压贮能及反馈控制电路的升压控制端，输入升压贮能及反馈控制电路反馈输出端输出的反馈信号。还包括欠压检测电路，其输入端连接电源输入处理电路，其输出端输出检测信号至控制芯片MCU电路。还包括连接电磁铁的功率晶体管驱动电路，其控制端输入控制芯片MCU电路输出的控制信号。本发明能低电压启动电磁铁吸合，能电池宽电压范围下启动电磁铁吸合，且功耗超低。
文档编号H01H47/02GK102184807SQ20111009027
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者任剑波 申请人:李锦恭