专利名称：用于射频发送器的供电电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及借助于至少一个电池供电的射频(RF)发送器模块。本发明特别应用的一个应用领域是(但不限于)用于远程读取能源表的无线模 块，所述能源表是水表、热能表、气表或电表。
背景技术：
在这个应用领域中，平均能耗保持在相当低的水平，其通常使之能够使用小尺寸、 小容量电池，例如3. 6伏(V)AA电池。然而，当模块发送RF信号时，电池必须能够在很短 时间内(例如大约1分钟)递送相当大的瞬时电流(大约几百毫安(mA))。该时刻所需要 的功率可能与使用小尺寸小容量电池不相容，并且通常必须找到待递送功率、电池尺寸、工 作温度范围以及模块使用寿命之间的折衷，从而在模块的整个工作持续时间内保证电池特 性。此外，电池的内部阻抗将导致随着增加电流峰值而增大的电压降，并且因此通常 希望使用具有最低可能的内部阻抗的电池。第一解决方案在于将电池尺寸设计的较大。当然，该方案是不利的，不但在体积方 面而且还在效用方面，因为在这种环境下只使用了电池可用容量的一部分，剩余部分没有 被使用。例如文件EP 0 718 951中所公开的另一种已知解决方案在于将电池关联于包括 可充电电池和一个或多个超级电容器的辅助电路，该辅助电路在电池和要被供电的RF发 送模块之间永久地并联连接。除了在发送阶段期间之外，辅助电路持续被充电从而能够在 发送时递送它累积的功率，同时限制电流峰值时的电池需要递送的功率。然而，该解决方案存在一些缺陷。首先，辅助电路中的元件相当昂贵并且难以以所要求的值在市场上找到。此外，在几年或几十年的工作时间内(其对应于必须为远程读取模块而确保的传 统使用寿命)，元件的可靠性不能被保证。此外，它们的性能随着时间迅速降级。特别地，它 们的等值串联电阻(ESR)随时间增大，由此限制了它们在需要递送电流峰值时的效用。此外，这些元件通常具有较高级别的泄漏电流，这意味着电池需要被设计的较大 以减小所产生的能耗。最后，对于所涉及的值，这些解决方案中使用的超级电容器保留了并不是很小型 的元件。特别在文件EP 0 613 257中描述的第三已知解决方案在于将标准电容器充电到 比电池电压要高的存储电压，然后在充电结束时以比电容器的存储电压低的电压来递送电 流峰值。确切地说，该文件描述了一种用于RF发送器模块的供电设备，该设备包括构成电 能存储电路的至少一个电容器和至少一个电池，所述电能存储电路在所述电池和RF发送 器模块之间并联地电连接，该供电设备还包括-DC-DC升压转换器，用于在初始电容器充电阶段将电容器充电至比由电池递送的电压更高的存储电压；-受控稳压器，其串联在电容器和RF发送器模块之间以对电容器放电并将存储电 压降低到预定电压值，从而在放电阶段期间对模块递送电能；和-控制模块，适于首先在初始充电阶段期间将模块从电容器断开连接，并且其次在 放电阶段期间将DC-DC升压转换器从电池断开连接。下面的描述具体地涉及用在电池与存储电容器之间的升压装置。如文件EP 0 613 257中提出的DC-DC升压转换器通常用在图1的布线图中显示 的电路配置中。在该图中，负载1跨电池2的各端子而连接，电池2经由DC-DC升压转换器 4对电容器3充电。升压转换器4主要包括电感器L和串联连接的二极管，以及用于控制 开关40的控制装置(未显示)。图2示出了开关40的闭合/打开状态是如何随时间变化 的，以及在电容器充电阶段期间流经电感器L的相应的电流込。只要穿过电容器3的端子 的电压\保持低于期望的存储电压值，开关40就被交替地控制在闭合状态(按照惯例表 示成图2中的高状态)和打开状态(按照惯例表示成图2中的低状态)。当开关40处于闭 合状态时，流入电感L的电流L增加一个与开关闭合持续时间成比例的值。当开关40处 于打开状态时，电流l·通过二极管D对电容器3充电。电流L因而减小一个与开关40打 开持续时间成比例的值。在传统的DC-DC转换器中，借助于振荡器来控制开关，该振荡器生成对应于图2所 示的周期不变的方波周期性控制信号。当电压V。达到期望值时，控制信号的生成被中断。 只要电压V。由于负载1被激活而降低，开关控制信号的生成就被重新激活。上述操作被优化从而能够一旦电容器已被充电就将电流峰值递送给负载，然后将 存储电压维持在期望值，而不管负载所要求的电流值是多少。因此，在开始时，电流、增加 而没有任何特定限制，并且在稳定的条件下，电压\保持不变并且流入电感器的电流込是 负载电流的直接函数。然而，上述操作不适用于这里所考虑的应用，在该应用中升压转换器连接到电池 从而即使是在还没有连接负载(在这里是RF发送器模块)的情况下也对电容器充电，并且 然后当达到期望的存储电压Vc并且电容器连接到负载时从电池断开连接。此外，已知的电路通常不能在电容器充电阶段期间限制电池电流。为了避免电池 压力过大，在这种情况下有必要在电池和升压转换器之间提供电流生成器或限流器。除了 由于添加附加元件而增加供电设备成本这一事实之外，电流生成器或限流器增加了损耗， 这降低了电能传输效率。一些已知的升压转换器包括限流功能，然而这些转换器为数不多并且它们更昂贵一些。
发明内容
本发明的目的是以低成本提供一种供电设备，该设备使用关联于特殊类型的控制 的升压装置，所述控制特别地使之能够在电容器充电周期期间完全控制电池电流。更确切地说，本发明提供了一种用于RF发送器模块的供电设备，该设备包括至少 一个电池和至少一个电容器，其构成在所述电池和RF发送器模块之间并联电连接的电能 存储电路，该供电设备还包括用于将所述电容器充电至比由所述电池在初始充电阶段期间
4递送的电压更高的存储电压的升压装置，该升压装置包括在所述电池和电容器之间串联连 接的二极管和电感器，以及适于在初始充电阶段期间致使电能在所述电感器中周期性地积 累然后致使所积累的电能被传送至所述电容器的开关装置，所述设备还包括控制模块，该 控制模块适于生成用于所述开关装置的控制信号，以首先在初始电容器充电阶段期间将所 述电容器从所述RF发送器模块断开连接，然后在随后的电容器放电阶段期间将所述升压 装置从所述电池断开连接，其特征在于，所述控制信号是预先确定的且具有可变的周期并 且适于在每个周期期间使得-所述开关装置闭合一固定持续时间，该固定持续时间被计算成使得流经所述电 感器的电流从零值增加到预定限制值；和-所述开关装置打开一持续时间，该持续时间是可变的并且随着跨所述电容器端 子的电压的变化而变化，并且被定义成使得流经所述电感器的电流从所述预定限制值降低 到零值。在优选的实施例中，所述供电设备还包括适于在所述电容器和RF发送器模块之 间串联连接的受控稳压器，所述稳压器将所存储的电压降低至预定电压值以在放电阶段期 间对所述模块供电。所述控制模块优选地适于在电流峰值递送时刻之前的足以使得所述电容器被完 全充电的时刻，直接在递送电流峰值之前触发所述充电阶段。本发明还提供了 一种用于度量能源并且包括这种供电设备的远程读取模块。
参考附图，通过阅读下面对根据本发明的供电设备的优选实施例的描述，能更好 地理解本发明及其提供的优点，其中-图1示出了用于RF发送器的现有技术电池供电设备，该设备包括用作升压装置 的DC-DC电压转换器；-图2是说明图1的转换器如何被控制以及相应的电容器充电电流出现的时序 图；-图3示出了根据本发明一个优选实施例的用于RF发送器的电池供电设备；-图4是说明一种用于控制图3的升压装置的特定方式以及相应的电容器充电电 流出现的时序图；和-图5a至5c说明了电压如何被存储于电容器中以及控制信号的参数之一如何随 时间变化，该图是通过仿真获得的。
具体实施例方式图3示出了构成本发明优选实施例的供电设备。该设备用于从电池2经由升压装 置4’对标准存储电容器3供电，然后当RF模块5被激活时使得电容器3放电。该设备优 选地还在存储电容器下游包括降压装置6，该降压装置使之能够在电容器3放电以馈送RF 模块5时从所存储的电压降低至所述模块所需要的电压。还回想到，在优选实施例中，RF模 块没有在充电阶段期间连接到电容器，并且在电容器放电阶段期间，电容器不再连接到电 池2。这是通过由微处理器型的控制模块9所控制的两个开关装置7和8来实现的。
下面，将只描述电容器充电阶段期间(开关装置7闭合而开关装置7打开)的情 形。如图3所示的根据本发明所使用的升压装置4’在结构上与参考图1所描述的升 压转换器4相似，假设它们包括在电池2与存储电容器3之间串联连接的电感器L和二极 管D，以及开关40’。然而，与DC-DC转换器的相似之处到此为止。在优选但非限制性的所 设想的应用中，升压装置4’的作用是在电容器充电阶段期间将通常约为3V的电池电压升 高到通常在30V到60V之间的预定电压值。还期望将电流限制在例如IOmA的值。本发明的特殊特征在于开关40’在电容器充电阶段期间被控制的方式，其控制信 号有利地由已存在于所述设备中的微处理器型控制模块9来递送。这在下文参考图4来描 述。如在图2中那样，控制信号S。是在开关40’闭合的持续时间Tffl与开关40’打开 的持续时间Ttw之间交替的周期信号，然而控制信号的周期是可变的。更确切地说，在对应 于电容器3充电阶段或周期的整个持续时间中，开关40’处于闭合状态的持续时间Tw对于 每个周期而言都是固定的，并且对应于一个预定值，该预定值使得电流l·在零值至与电池 可承受的值相容的最大允许值相对应的预定义值之间变化。相反，开关40’处于打开状态的持续时间Ttw对于每个周期都是变化的，该变化被 计算成使得流经电感器L的电流L减小至零。因此，在随后的持续时间Tffl期间，保证电流 Il实际上从零值开始，并且经过电感器L的平均电流Itog不增加。在持续时间Ton期间，电感器L中的电流增加量Δ Il+由下面的关系式给出AIl + = [Ilpeak 一θ)=^ΤΟΝ(I)其中，Vdc是跨电池2端子的电压。在关系式⑴中，Vdc和L的值是常数，并且Iureak的值是预先确定的，因此这使之 能够计算固定值Τ,使用下面作为示例而给出的值L = 1 毫亨(mH)C (电容器3的电容)=1毫法拉(mF)Vdc = 3VILpeak = IOmA = 2XILavg
获得 Ton = 3. 33 微秒(μ s)。此外，在Ttw期间，流入电感器的电流减小一个值Δ Il-,该值等于电流增加值 Δ I夕，并且可以利用下面的关系式写出
(II) 在关系式(II)中，VD。和L的值是常数，并且Δ Il+的值被预先确定成使得持续时 间Ttw仅取决于跨电容器3端子的电压\。用于改变电压V。的关系式可以从下面的关系式中确定，下面的关系式表示由电感 器L在两个连续的控制信号周期之间传送至电容器3的电能
(III)其中，索引η对应于控制信号的当前周期，而索引(η-1)代表前一个周期。通过组合关系式(II)和(III)，因而能够确定Ttw在每个控制信号周期中的值。尽管持续时间Ttw可以通过测量电压Vc然后借由应用上面的关系式来计算持续时 而被实时地确定，然而本发明利用这一事实，即在预期的应用中，充电阶段结束时的
电压\的期望值是事先已知的，由此使之能够完全地预先定义控制信号Sc的特性，即其整 个持续时间(周期数目)，以及针对每个周期的持续时间Ton和TQFF。图5a至5c示出了仿真结果，该仿真采用上述作为非限制性实例的元件值，并且设 置了充电电压V。，该充电电压在充电阶段结束时的期望值是30V。更确切地说-图5a示出了跨电容器(ImF)端子的电压Vc如何在应用上面的关系式(III)中 随周期的变化而变化；-图5b示出了持续时间Ttw如何随周期的变化而变化(组合上面的关系式(II) 和(III))；和-图5c示出了持续时间Ttw如何随时间而变化。因此，可以看出，在电容器充电阶段期间，持续时间Ttw随时间减小。信号S。的特性因而完全被预先定义，并且它们被存储在设备中以由控制模块9在 每个充电周期使用。借助于本发明，确保由电池在电容器充电阶段期间递送的电流实际上限于最大选 择值，并且这可以在不必使用任何昂贵的附加元件的情况下而达到。此外，通过避免使用附加元件，能耗可能只限于电感器L、二极管D和开关40’。本 发明的设备因而使得电能能够被高效传送，通常优于80%。此外，与控制信号S。的总预定义持续时间相对应的电容器充电阶段的总持续时间 在这里被缩减到严格最小，因为在充电期间总是使用相同的平均电流Itog。最后，最为有利的是，事先知道对电容器充电所需要的总持续时间这一事实使得 控制模块9能够确切地知道它何时需要通过闭合开关装置7并同时打开开关装置8而触发 电容器充电阶段。控制模块9因而适于在相对于递送电流峰值的时刻而言足以确保电容器 3被完全充电的时刻，直接在递送电流峰值之前触发所述第一充电阶段。
权利要求
一种用于RF发送器模块(5)的供电设备，所述设备包括至少一个电池(2)和至少一个电容器(3)，它们构成在所述电池和所述RF发送器模块之间并联电连接的电能存储电路，所述供电设备还包括用于将所述电容器充电至比由所述电池在初始充电阶段期间所递送的电压更高的存储电压的升压装置(4’)，所述升压装置(4’)包括在所述电池(2)与所述电容器(3)之间串联连接的电感器(L)和二极管，以及适于在所述初始充电阶段期间使得电能在所述电感器中被周期性地积累并且然后使得所积累的电能被传送至所述电容器的开关装置(40)，所述设备还包括控制模块(9)，该控制模块适于生成用于所述开关装置(40)的控制信号(SC)，从而首先在所述初始电容器充电阶段期间将所述电容器(3)从所述RF发送器模块(5)断开连接，其次在随后的电容器放电阶段期间将所述升压装置(4’)从所述电池(2)断开连接，其特征在于，所述控制信号(SC)被预先确定并且具有可变周期，并且适于在每个周期期间使得 所述开关装置闭合一固定持续时间(TON)，该固定持续时间被计算成使得流经所述电感器的电流(IL)从零值增加到预定义限制值(ILpeak)；和 所述开关装置打开一持续时间(TOFF)，该持续时间是可变的并且随着跨所述电容器端子的电压(VC)的变化而变化，并且被定义成使得流经所述电感器的电流(IL)从所述预定义限制值(ILpeak)减小至零值。
2.根据权利要求1所述的供电设备，其特征在于，还包括适于在所述电容器(3)与所 述RF发送器模块(5)之间串联连接的受控稳压器(6)，所述稳压器(6)将所存储的电压减 小至预定电压值以在放电阶段期间对所述模块(5)供电。
3.根据权利要求1或2所述的供电设备，其特征在于，所述控制模块(9)适于在电流峰 值递送时刻之前的足以使得所述电容器(3)被完全充电的时刻，直接在递送所述电流峰值 之前触发所述充电阶段。
4.一种用于能源表的远程读取模块，其特征在于，包括根据权利要求1至3中任一项所 述的供电设备。全文摘要
本发明涉及一种用于RF发送器模块(5)的供电设备，该设备包括在电池(2)与RF发送器(5)之间并联电连接的至少一个电池(2)和至少一个电容器(3)，和用于将电容器(3)充电至比由电池在初始充电阶段期间所递送的电压更高的存储电压(VC)的升压装置(4’)，该升压装置(4’)包括串联的电感器(L)和二极管(D)，以及适于在存储阶段期间周期性地使得电能被积累在电感器(L)中并且然后将所积累的电能传送给电容器(3)的开关(40’)。根据本发明，开关控制信号(SC)被预先确定并且具有可变周期，从而在每个周期期间使得开关装置(40’)闭合一固定持续时间，该固定持续时间被计算成使得流经电感器(L)的电流从零值增加到预定义限制值；和，开关装置打开一持续时间，该持续时间是可变的且随着跨电容器(3)的电压(VC)的变化而变化，并且被定义成使得流经电感器(L)的电流从预定义限制值减小至零值。
文档编号H02M3/156GK101911459SQ200980102065
公开日2010年12月8日 申请日期2009年1月8日 优先权日2008年1月25日
发明者S·贝尔图 申请人:阿克塔锐斯两合公司