专利名称：用于电感式能量传递的电路布置和方法
技术领域：
本公开涉及一种用于小电气装置例如电动牙刷或电动剃刮设备的电感式能量传递的电路布置和方法。
背景技术：
由可再充电电池供电的小电气装置通常在外部充电器上充电。尤其普遍的是，具有电源并将能量从充电器以电感方式传递至装置的非接触型充电器。为此，通过具有线圈元件和电容器元件的振荡器在充电器内产生交变磁场，其中线圈元件同时形成电感式变送器的初级线圈，并且变送器的次级线圈被布置在被充电的装置内。为此，充电器通常被指 定为初级侧而被充电的装置被指定为次级侧。振荡器借助变送器的磁场被能量输出阻尼，其结果是电源因此必须再供应电能。新式充电器通常具有三种操作状态。第一状态为次级侧需要恒定的能量供应的运行模式，所述恒定的能量供应例如用于操作装置或者对安装在装置内的可再充电电池进行充电。第二状态为装置不位于充电器内的简单的待机模式，因此根本不需要电能。第三状态是被称为延长待机模式的状态，其中装置位于充电器内但是仅仅偶尔需要电能，例如，由于可再充电电池被完全充电但是必须偶尔再充电以补偿自放电或装置自身的能量消耗。在最后提及的这种情况下，充电器应根据需要在简单的待机模式和运行模式之间来回切换。充电器(初级侧)的相应操作状态因此由小电气装置(次级侧)的能量需求来决定。已知在次级侧直接检测所述次级侧的能量需求，将对应的信息传送至初级侧并据此来调整振荡器(意味着例如相应地调整在振荡器中运行的晶体管的基极-发射极电压)。由于需要使用将信息由次级侧传送至初级侧的装置，因此该解决方案十分复杂。作为另外一种选择，可通过测量振荡器的(初级侧)的能量消耗并因此调整振荡器来确定次级侧的能量需求。然而，由于变送器的初级侧和次级侧之间的耦合通常较弱，装置的能量消耗仅仅最低限度地影响充电器的能量消耗，因此该变型不适于调整多操作状态。发明目的本公开的目的是由于能量效率的缘故最小化处于待机模式的电路布置的能量消耗(参见欧盟指令205/32)，因此指定一种用于电感式能量传递的方法及电路布置，所述电路布置可根据次级侧的能量需求以简单的方式切换至具有减少的能量消耗的操作状态。解决方案该目的通过一种用于电感式能量传递的电路布置来实现，所述电路布置包括振荡器和具有给振荡器提供能量的复合输入电阻的电源，并且包括用于检测振荡器的电感负载并根据振荡器的负载来调整电源的复合输入电阻的装置。电源优选地具有电容串联电阻器、整流器和负载电阻器，并且具有基本上由负载电阻器和电容串联电阻器决定的复合输入电阻。电容串联电阻和/或负载电阻根据振荡器的负载而改变，使得在振荡器负载较低的情况下，有可能降低电路的有源能量消耗(待机模式)。为了调整复合输入电阻的电容部分，优选提供至少一个电容器和可控制的开关，所述开关的开关通道的连接方式使得至少一个电容器和开关的布置的有源电阻为可开关控制的。由电容器和电子开关构成的并联电路优选地与另一个电容器串联布置在电源的输入端处，或者由电容器和电子开关构成的串联电路与另一个电容器并联布置(电容串联电阻器)。在待机模式下，开关被开启以便与开关被闭合的运行模式相比，电源输入端处的有源电阻较高且电源的输出电压相应地被降低。在待机模式下，电路布置因此主要消耗无功功率。为了调整复合输入电阻的欧姆部分，在电路布置的第一种变型中提供至少一个欧姆电阻器和一个可控制的开关，所述开关的开关通道的连接方式使得至少一个欧姆电阻器和开关的布置的有源电阻为可开关控制的。优选在电源的输出端处布置由欧姆电阻器和电子开关形成的串联电路。在待机模式下，开关被闭合以便与开关被开启的运行模式相比，电源的输出由较低电阻终止且电源的输出电压相应地被降低。电路布置的有源能量消耗因此也被降低。·在电路布置的第二种变型中，振荡器用作可开关控制的负载电阻器。振荡器具有有源元件(本身已知)，例如晶体管。其优选地包括基极接地电路中的科耳波兹振荡器或哈特利振荡器，其中晶体管的发射极电阻-因此还有电源的负载-可由振荡器来切换。电路布置被有利地设计成使得振荡器即使在待机模式下也振荡，尽管与运行模式相比具有降低的能量消耗。这足以将电路布置的能量消耗降低至期望的程度。用于检测由次级侧造成的振荡器电感负载的装置在待机模式下也运行，以便在次级侧发生的任何增加的功率需求均可被立即检测到并且振荡器的功率输出可适时地被调整。作为另外一种选择，在待机模式下，可对用于检测振荡器负载和/或振荡器的装置进行时间控制来使其打开及关闭，以便进一步降低电路布置的能量消耗。用于检测振荡器的电感负载的装置决定振荡器的负载并因此基于振荡器中发生的电变量来决定次级侧的功率需求；所述装置对照该变量与参考值并调控可控制的开关，以便如有必要可根据振荡器的负载来调整电源的复合输入电阻。电变量为例如振荡器晶体管的集电极电压或基极电压的振幅。优选的是在振荡器中仅仅检测到负半周期振荡的振幅或振幅平均值。即，振荡器共振的负半波的振幅根据次级侧的负载而尤其显著地变化。本公开还包括一种用于借助电路布置将能量电感式传递至小电气装置的方法，所述电路布置包括振荡器、具有给振荡器提供能量的复合输入电阻的电源、以及用于检测振荡器的电感负载并根据振荡器的负载来调整电源的复合输入电阻的装置，其中在振荡器的负载较低的情况下，电源的有源能量消耗通过调整复合输入电阻而降低。电源的有源能量消耗被降低是由于电源的输出是借助可控制的开关以较低电阻终止，和/或由于电源的电容串联电阻的容量被降低。次级侧的功率需求由振荡器中所检测的电变量来决定。负半周期振荡的振幅或振幅平均值优选在振荡器中被检测，与参考值相比，并且如有必要降低电源的复合输入电阻。
参考附图所示的实施方案详细地说明本公开。电路布置的附加变型也在说明中提及。所示为图I为用于电感式能量传递的电路布置的方框图；图2为具有哈特利振荡器的电路布置；图3为具有科耳波兹振荡器的第一种电路布置；图4为具有科耳波兹振荡器的第二种电路布置。
具体实施例方式图I的方框图示出了具有电源N和产生交变磁场的自激振荡的振荡器LC的电路布置。振荡器具有线圈，其用于将电能从振荡器LC(初级侧)电感式传递至图中未示出的
消费者(次级侧)，例如就该目的而言包含可耦合到振荡器线圈的接收器线圈的小电气装置。振荡器通过具有复合输入电阻的电源NI从干线V3获取电能。电路布置还具有可控制的开关T2和用于检测振荡器LC负载的装置XI，其控制开关T2。借助可控制的开关T2，电源N的复合输入电阻可被转换，以便电路布置在待机模式下比在运行模式下消耗更少的来自干线V3的有源功率。例如，可控制的开关T2可借助可电控或光控的继电器或晶体管来实现。在图2所示的电路布置中，电源具有电容器Cl形式的电容串联电阻和具有二极管Dl, D2，D3，D4的整流桥，其与电容器C2组合由交流电源电压产生驱动振荡器LC的平滑的直流电压。与电容器Cl并联连接的是电阻器R2，其确保一旦电源N已与干线V3分离则电容器Cl会放电。与电容器Cl的有源电阻相比，电阻器R2具有较高的阻抗，其结果是电源N的复合输入电阻基本上由电容器Cl的电容电阻来决定。在电路布置要切换到待机模式的情况下，电容串联电阻器随后经由整流桥和晶体管T2及电阻器R22而接地。在该方式中，电路布置的来自干线的能量消耗从有源功率范围切换成无功功率范围，因此实现了降低来自干线的有源能量消耗的目的。如果晶体管T2完全导电，则电流基本上受电阻器R22和电容器Cl的限制。如果R22的电阻值为零，则振荡器与能源完全断开。干线随后经历纯粹的电容性无功负载。然而，电阻器R22优选被定制尺寸，以便当晶体管T2导电时，将电压设置在仍足以驱动振荡器的电容器C2处，然而，其中振荡器仅仅以减小的振幅进行振荡。电路布置包括在基极接地电路中作为振荡器LC的哈特利振荡器，所述电路具有作为有源元件的晶体管Tl。为了检测由次级侧造成的振荡器负载，提供装置Xl (例如，微控制器)以及二极管D15和由电阻器R16和R17形成的分压器。将晶体管Tl的基极电压U_B的负半波施加在分压器R16，R17的一端。电压U_B是经由二极管D15引入并且代表振荡器LC的负载。将由微控制器Xl产生的正参考电压施加在分压器R16,R17的另一端。将分压器R16，R17的中心抽头处的电压馈送至微控制器XI。晶体管Tl的负基极电压U_B借助分压器R16，R17转化成正电压范围，以便该电压可通过微控制器Xl与参考值相比。微控制器Xl随后根据比较结果来控制晶体管T2。取代基极电压的负半波，还有可能的是，评估集电极电压U_C的负半波。借助具有电阻器R15、二极管D14和晶体管T5的分压器，即使在晶体管T2导电且电路布置处于待机模式时微控制器Xl也仍被供以来自电源的能量。一旦微控制器Xl检测到次级侧能量需求的增加，则其再次停用晶体管T2。微控制器Xl也可具有控制程序，其例如根据预定的时序来打开及关闭晶体管T2。在上述电路布置的另一个实施方案中，利用科耳波兹振荡器替代哈特利振荡器和/或利用分立电路取代微控制器，以检测振荡器的负载并用于调整电源的复合输入电阻，如图3或4所示。在图3所示的电路布置中，电源包含复合输入电阻，其电容部分可根据振荡器的负载来调整。电源包含电容串联电阻器和具有二极管D1，D2，D3，D4的整流桥，其与电容器C2组合从交流电源电压产生驱动振荡器的平滑的直流电压。电容串联电阻器具有电容器C7和并联连接至电阻器R2的电容器Cl，所述电阻器确保一旦电源N已与干线V3断开便使电容器Cl放电。电子开关与电容器C7并联连接并包括两个串联连接的晶体管M3，M4且形成光I禹合器的一部分。由电容器Cl和电阻器R2构成的并联电路与由电容器C7和晶体管M3，M4构成的并联电路串联连接。与电容器Cl的有源电阻相比，电阻器R2具有较高的阻抗。电源N的复合输入电阻在电子开关闭合时基本上由电容器Cl的电容电阻来决定，或者在电子开关开启时分别由两个串联连接的电容器Cl和C7的电容电阻来决定。 如果电路布置要转换成待机模式，则开启电子开关，从而意味着光耦合器的二极管D12被关闭。这样，由于两个串联连接的电容器Cl，C7的有源电阻均基本上大于电容器Cl的有源电阻，因此电路布置的来自干线的有源能量消耗被降低。这时，电源吸收几乎全部的无功功率。电容器Cl，C7优选地被定制尺寸，以便在待机模式下将电压施加在仍足以驱动振荡器的电容器C2处，其中该振荡器仅仅以减小的振幅进行振荡。包含在电路布置中的振荡器为基极接地电路中的科耳波兹振荡器，所述电路具有作为有源元件的晶体管Tl。为了辨识由次级侧造成的振荡器负载，提供具有两个二极管D10，D13、两个电阻器R13，R14、一个电容器C6和一个开关晶体管M6的电路。二极管DlO的阴极连接至晶体管Tl的集电极。晶体管Tl的集电极电压U_C的负半波发生在二极管DlO的阳极处。该电压代表振荡器LC的负载。取代集电极电压的负半波，还有可能的是，评估基极电压U_B的负半波。二极管DlO的阳极经由电阻器R13连接至电容器C6的一端和二极管D13的阴极。电容器C6的另一端接地。二极管D13的阳极连接至开关晶体管M6的控制端子并经由电阻器R14接地。开关晶体管M6的开关通道串联连接至光耦合器的二极管D12和至少一个限流电阻器R18。仅仅当足够高的负压施加在开关的控制端子处时，开关晶体管M6才被停用。当振荡器的负载较低时，足够高的负电压随后经由二极管DlO和D13及电阻器R13被馈送至开关晶体管M6的控制端子，结果是光耦合器的二极管D12被关闭，电子开关的晶体管M3，M4被停用且复合输入电阻呈现较高值。取代光耦合器和电容器7，上述电路布置的另一个实施方案利用与电容器C2并联的由晶体管T2和电阻器R22构成的串联电路来调整电源的复合输入电阻，如图2所示，或者电路布置在振荡器中利用可开关控制的发射器电阻，如图4所示。图4示出了在基极接地电路中具有科耳波兹振荡器的另一个电路布置。设计该电路布置以检测振荡器LC中振荡的负电压振幅。如果负电压振幅在其量值方面超过预定值，-这是在未带负载的振荡器LC的情况下-具有齐纳二极管DlO和二极管Dll的通道变得导电且晶体管T3变得导电。如果晶体管T4和T5的基极-发射极电压在量值方面超过预定值，则它们也可变得导电。这两个晶体管T4和T5控制场效应晶体管T2，其开关通道与发射极电阻器R5并联连接。当T2导电时，晶体管Tl的发射极处的有源电阻Z较低，使得振荡器LC中的能量供给最大化。然而，电源的电容串联电阻Cl并非设计用于此类高输出，使得电源的输出电压-因此还有电路布置的有源能量消耗-由于这时电源的输出终止于过低的电阻而降低。如果与通过齐纳二极管DlO测定的参考值相比负电压振幅在量值上降低，这指示较强的阻尼，从而指示次级侧较大的能量需求。晶体管T2被停用并且发射极处的有源电阻Z较高。这为电路布置的操作状态，其中振荡器的能量消耗适应于电源的电容串联电阻Cl且最大功率被传递至次级侧。晶体管Tl的集电极处的二极管D9防止在晶体管Tl的阻断方向上出现任何可能的返回电流，所述返回电流将由二极管通道D10，Dl I承担；因此，所述二极管D9使得能够评估振荡器LC中的负电压振幅。本公开还涉及一种用于将能量由电路布置(初级侧)电感式传递至小电气装置 (次级侧)的方法，其中所述电路布置具有用于产生交变磁场并发射交变磁场的振荡器，并且其中次级侧的功率需求可基于可在振荡器中检测的电变量来确定。所述电路布置还包括给振荡器提供能量的具有复合输入电阻的电源、以及用于检测振荡器的电感负载并根据振荡器的负载来调整电源的复合输入电阻的装置，其中在振荡器的负载较低的情况下，电源的有源能量消耗通过调整复合输入电阻来降低。电源的有源能量消耗被降低是由于电源的输出是借助电子开关与较低电阻桥联，和/或由于电容串联电阻的容量被降低。次级侧的功率需求优选是基于振荡器的有源元件(晶体管)处的负半周期振荡的振幅或平均值而决定。上述电路布置的所有实施方案尤其适用于可再充电电池驱动的小电气装置的电感充电器，所述小电气装置例如电动牙刷、剃刮设备或例如便携式电话机等通讯装置。
权利要求
1.一种用于电感式能量传递的电路布置，所述电路布置具有振荡器(LC)、给所述振荡器(LC)供给能量并具有复合输入电阻的电源(N)、以及用于检测所述振荡器的电感负载并根据所述振荡器(LC)的负载来调整所述电源(N)的复合输入电阻的装置(XI)。
2.如权利要求I所述的电路布置，其特征在于，所述电源具有电容串联电阻(Cl，R2)、整流器(D1，D2，D3，D4)和负载电阻(R22，T2 ;LC)，并且其中所述电源的复合输入电阻基本上由所述负载电阻(R22，T2 ；LC)和所述电容串联电阻(Cl，R2)来决定。
3.如权利要求I或2所述的电路布置，其特征在于，所述负载电阻(R22，T2；LC)可根据所述振荡器(LC)的负载来调整，使得当所述振荡器(LC)的负载较低时，所述电路布置的有源能量消耗减少。
4.如权利要求3所述的电路布置，其特征在于，所述负载电阻由至少一个电阻器(R22)和可控制的开关(T2)的开关通道形成，并且由所述至少一个电阻器(R22)和所述开关(T2)形成的所述布置的欧姆电阻为可开关控制的。
5.如权利要求3所述的电路布置，其特征在于，所述负载电阻由所述振荡器(LC)形成，并且所述电源的欧姆负载通过所述振荡器(LC)为可开关控制的。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述振荡器(LC)为具有有源元件(Tl)的哈特利或科耳波兹振荡器，所述有源元件为例如基极接地电路中的晶体管，所述晶体管的发射极电阻为可开关控制的。
7.如权利要求2所述的电路布置，其特征在于，所述电容串联电阻(C1，R2；C7)可根据所述振荡器(LC)的负载来调整，使得当所述振荡器(LC)的负载较低时，所述电路布置的有源能量消耗减少。
8.如权利要求7所述的电路布置，其特征在于，所述电容串联电阻(R2，C1;C7，M3，M4)由至少一个电容器(Cl ；C7)和至少一个可控制的开关(M3 ；M4)的开关通道形成，并且由所述电容器(Cl ；C7)和所述开关(M3 ；M4)形成的所述布置的有源电阻为可开关控制的。
9.所述电路布置，其特征在于前述权利要求所述的特征的至少一部分的组合。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于，用于检测所述振荡器的负载的装置(Xl)测定所述振荡器的负载，并且因此基于所述振荡器内发生的电变量(U_B;U_C)来测定所述次级侧的功率需求。
11.如权利要求10所述的电路布置，其特征在于，所述振荡器包括有源元件(Tl)，例如晶体管，并且所述电变量(U_B;U_C)为所述有源元件(Tl)的端子处的电压。
12.如权利要求11所述的电路布置，其特征在于，所述电变量(U_B，U_C)为所述晶体管(Tl)的集电极端子处或基极端子处的负半周期振荡的振幅或振幅平均值。
13.一种用于将能量从电路布置电感式传递至小电气装置的方法，其中所述电路包括振荡器(LC)、给所述振荡器(LC)供给能量的具有复合输入电阻的电源(N)、以及用于检测所述振荡器的电感负载并根据所述振荡器(LC)的负载来调整所述电源的复合输入电阻的装置(XI)，其中当所述振荡器的负载较低时，所述电源的有源能量消耗通过调整所述复合输入电阻来降低。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述电源的有源能量消耗被降低是由于所述电源的输出借助可控制的开关(T2 ;M3，M4)与较低电阻桥联，和/或由于所述电源的电容串联电阻的容量被降低。
15.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，次级侧的功率需求基于所述振荡器(LC)中检测到的电变量(U_B，U_C)来确定，所述电变量为例如所述振荡器(LC)的有源元件(Tl)处的负半周期振荡的振幅或振幅平均值。
全文摘要
本发明涉及一种用于将能量电感式传递至小电气装置的电路布置，所述电路布置包括振荡器(LC)、供给所述振荡器(LC)能量的具有复合输入电阻的电源(N)、以及用于检测所述振荡器的电感负载并根据所述振荡器(LC)的负载来调整电源的复合输入电阻的装置。振荡器的负载以及因此小电气装置的功率需求是基于振荡器中发生的电变量来确定的。本发明还涉及一种用于将能量从电路布置电感式传递至小电气装置的方法，其中所述电路布置包括振荡器(LC)、供给所述振荡器(LC)能量的具有复合输入电阻的电源(N)、以及用于检测所述振荡器的电感负载并根据所述振荡器(LC)的负载来调整所述电源的复合输入电阻的装置，其中在振荡器的负载较低的情况下，所述电源的有源能量消耗通过调整所述复合输入电阻来降低。
文档编号H02J17/00GK102884709SQ201080025227
公开日2013年1月16日 申请日期2010年6月9日 优先权日2009年6月10日
发明者P·荣格, J·莱波尔, 简·克里斯蒂安·朗斯多夫, 卢茨·罗纳德·赫茨伯格, 托马斯·霍曼, 赫伯特·佩措尔德 申请人:博朗有限公司