提高电容器的工作寿命的方法、电容器控制电路结构及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种提高电容器模块在使用所述电容器模块的电子电路中的工作寿命的方法，包括以下步骤：提供具有相同配置的两个或多个电容器模块；交替地控制所述电容器模块中的相应一个电容器模块在所述电子电路工作第一预定时间。本发明还涉及到一种电容器控制电路结构，其用于电子电路中由原电容器模块原先占用的位置，所述电容器控制电路结构相对于所述原电容器模块具有延长的工作寿命。本发明还涉及到所述电容器控制电路结构在电子电路中的应用。
【专利说明】提高电容器的工作寿命的方法、电容器控制电路结构及其应用
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及电容器的领域。更具体地说，本发明涉及一种调节电容器的工作以延长所述电容器在使用所述电容器的电子电路中的工作寿命的方法，以及一种具有延长的工作寿命的电容器控制电路结构。
【背景技术】
[0002]电容器为电子电路中必不可少的电子元件。电容器广泛应用于使电力平稳的电源滤波电路、信号耦合电路、谐振电路等等。电解电容器是其中一种电容器，近年来得到广泛应用。不过，电解电容器具有较短的工作寿命，导致许多电子电路的使用寿命直接与其使用的电解电容器的寿命相关。例如，LED灯(发光二极管)为具有约5至10万小时寿命的长寿固态光源，而电解电容器则具有约3至6千小时的寿命。换句话说，LED的工作寿命受LED的滤波和驱动电路所用的电解电容器严重影响。
[0003]电解电容器在结构上使用电解液，即一种离子导电液体。电解电容器内部的湿电解化学物会随着其老化而蒸发，因此最终会失效。一般来说，电解电容器的负载寿命反映在一定载荷条件下电解电容器的基本电气性能的变化量，显示电容器在电路工作期间的老化作用。由于较高的温度会加速电解化学物的蒸发，负载寿命的相应温度通常表示由制造商推荐的电解电容器的最高额定工作温度。电解电容器所用的电解质会蒸发，所以电解电容器的负载寿命会在设定温度下以小时来计算。
[0004]在电子和/或电气工程领域中众所周知的是，电解电容器会随着其老化及其ESR(等效串联电阻)的相应增大而逐渐失效。由于ESR决定电容器在平稳电压的滤波电路的功率损耗量，所以ESR应保持为尽可能地小。电解电容器的功率损耗会随着流经的脉动电流的平方而变化，并与ESR成比例。低ESR为高效率电源的关键因素。随着电解电容器在电子电路正常使用过程中老化，其ESR将会增加。因此，电解电容器再不能于电子电路中发挥其预定的功能。
[0005]图1所示为现有技术的典型AC-DC降压整流电路，其使用电解电容器在整流后使DC电压平稳。该电路包括隔离变压器Tl，将家居AC电压(例如220伏特)降低为较低的电压；全波桥式整流电路，包括4个二极管:D1、D2、D3和D4，将降低的AC电压转换成DC电压；以及电解电容器Ecap I，使所述DC电压平稳。
[0006]图2a所示为图1所示的AC-DC降压整流电路中经过电解电容器Ecapl的正常DC输出电压波形。图2b所示为模拟的输出电压波形，其中电解电容器Ecapl的ESR变成无限大，就好像该电容器为断路。正如图2b所示，当ESR增大到无限大，表示电解电容器Ecapl的老化已到最坏的情况，这时该电容器可能无法提供其预定的使输出电压平稳的功能。由于AC-DC整流电路通常用于驱动另一电子电路，电解电容器因老化而引起的故障可在总体上对该电子电路的功能和性能产生负面影响。
[0007]已有人花费了大量的时间和努力，试图尽可能地使电解电容器的寿命最大化。例如，US2005/0270723A1、CN101900269A、CN102222568A、和 CN102136370A 都提出 了 电容器的
寿命的改进措施。然而，这些改进措施均涉及电容器本身结构的改变。
[0008]因此，本领域需要一种新的方法，通过调节电路应用中电容器的工作而富成本效益地提高电容器的工作寿命。
【发明内容】
[0009]研究本发明是为了实现上文提出的需要，因此本发明的主要目的是提供了ー种新方法，试图实现延长电容器在电子电路的工作寿命的任务。本发明的特征在于配置两个或多个相同的电容器模块，并使电容器模块在电子电路中轮流工作，以致于在电子电路的任何工作时刻，只容许ー个电容器模块工作并且每ー个电容器模块在电子电路内大体上工作相等的时间，从而使电子电路所用的电容器模块的工作寿命最大化。
[0010]下文所用的术语“电容器模块”是指用于电子应用的单个电容器；或用于电子应用的模块，其包括一定数量的串联和/或并联在一起的电容器。
[0011]对于两个或多个电容器模块而言，如果其中ー个电容器模块比其它电容器模块的失效时间早很多，而失效的模块不再起作用，那么电子应用中的每ー电容器模块的寿命就不可以尽可能地最大化。如果每ー个模块被配置成具有大致相同的工作时间，这就会非常理想。
[0012]本发明的这些和其它目的以及优点可通过ー种提高电容器模块(例如电解电容器模块)在使用所述电容器模块的电子电路中的工作寿命的方法来达成，所述方法包括以下步骤:
[0013]提供具有相同配置的两个或多个电容器模块；
[0014]交替地控制所述两个或多个电容器模块中的相应ー个电容器模块在所述电子电路工作第一预定时间。
[0015]在本发明的一个实施例中，该方法进ー步包括以下步骤:在关断所述电子电路之前识别出正在使用中的电容器模块，并确定所述电容器模块的所述第一预定时间还剩余多少时间才完结，以致于在接通所述电子电路作重新运作时，所述的在关断前正在使用的电容器模块恢复工作并完成上述剰余时间。
[0016]优选地，可由配置内部或外部存储装置的微控制器进行所述控制步骤，所述存储装置储存与所述电容器模块的工作记录和更新相关的数据。
[0017]在本发明的另ー实施例中，所述控制步骤包括在毎次接通所述电子电路时，总是启动所述两个或多个电容器模块中的第一电容器模块工作所述第一预定时间的一半时间。在所述第一电容器模块工作所述第一预定时间的一半时间之后，由所述两个或多个电容器模块中的第二电容器模块开始，交替地控制每ー个电容器模块在所述电子电路的工作时间为所述第一预定时间。
[0018]优选地，所述方法包括以下步骤:在所述相应ー个电容器模块停止工作前，使所述相应ー个电容器模块和准备工作的ー个电容器模块在所述电子电路同时地工作第二预定时间。
[0019]本发明的第二方面是提供一种电容器控制电路结构，其用于电子电路中由电容器模块(下文中称为“原电容器模块”)原先占用的位置。所述电容器控制电路结构包括:[0020]具有相同配置的两个或多个电容器模块；
[0021]至少一个开关装置，所述开关装置与所述两个或多个电容器模块中的相应一个电容器模块作工作连接；以及
[0022]电容器模块控制器，所述电容器模块控制器用于交替地控制所述至少一个开关装置与所述相应一个电容器模块作工作连接持续第一预定时间，以使所述相应一个电容器模块被启动在所述电子电路工作所述第一预定时间。
[0023]优选地，可在所述电容器模块控制器之前设置调压器，以确保所述控制器正常地工作。
[0024]在本发明的一个较佳实施例中，所述电容器模块控制器做成微控制器，所述微控制器被编程为交替地控制每一个电容器模块在所述电子电路工作所述第一预定时间。所述微控制器可设计成，或者所述微控制器可设置与其耦合的外部存储器，来储存与所述电容器模块的工作记录和更新相关的数据，以便在关断所述电子电路之前识别出正在使用的电容器模块并确定所述电容器模块的所述第一预定时间还剩余多少时间才完结，从而在接通所述电子电路作重新运作时，所述微控制器能够恢复在关断前正在使用的电容器模块的工作并完成上述剩余时间。
[0025]在本发明的另一较佳实施例中，所述电容器模块控制器做成程序计数器或微控制器(MCU)，其在每次接通所述电子电路时总是启动所述两个或多个电容器模块中的第一电容器模块工作所述第一预定时间的一半时间；在所述第一预定时间的一半时间之后，由所述两个或多个电容器模块中的第二电容器模块开始，所述计数器或MCU交替地控制每一个电容器模块在所述电子电路工作所述第一预定时间。
[0026]有利地，所述电容器模块控制器可配置成使所述相应一个电容器模块和准备工作的一个电容器模块能够在所述相应一个电容器模块停止工作之前，在所述电子电路同时地工作第二预定时间。
[0027]在本发明的一个特定实施例中，所述开关装置配置成晶体管，用于所述相应一个电容器模块，以致每一个电容器模块都有各自的与所述电容器模块控制器作工作连接的开关器。因此，所述控制器能够控制所述晶体管与所述相应一个电容器模块的工作连接，使所述相应一个电容器模块能够工作。
[0028]本发明的第三方面涉及本发明的电容器控制电路结构在用于LED灯的驱动电路中的应用。
[0029]与现有技术通过改变电容器的结构和/或材料来延长电解电容器的工作寿命不同，本发明的特征在于提供具有相同配置的两个或多个电容器模块，它们在电子电路中轮流工作，因此在电子电路的任何工作时刻，只有一个电容器模块工作并且每一个电容器模块在电子电路中大体上工作相等的时间。通过这种方法，电子电路中的电容器模块的工作寿命就可获得延长。
[0030]因为每一个电容器模块工作相等的时间，所以本发明的电容器控制电路结构相对于原电容器模块具有延长的工作寿命。具体而言，取决于电容器控制电路结构包含的电容器模块的数量，本发明的电容器控制电路结构相对于原电容器模块展示出两倍、三倍或甚至更长的工作寿命。假设用于电子电路的原电解电容器模块的工作寿命于摄氏105度下为2000小时，如果在电子电路中将此电解电容器模块替换为本发明的包括两个与原电解电容器模块具有相同配置的电解电容器模块的电容器控制电路结构，则至少在理论上，本发明的电容器控制电路结构可将其取代的电容器模块在电子电路的工作寿命延长到总共为4000小时。
[0031]以下将參照附图和本发明的构思和结构的叙述来进ー步说明本发明的目的、特征、优势和技术效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1所示为现有技术的典型AC-DC降压整流电路，其使用电解电容器在整流后使DC电压平稳。
[0033]图2a所示为图1所示的AC-DC降压整流电路中经过电解电容器Ecapl的正常DC输出电压波形。
[0034]图2b所示为模拟的输出电压波形，其中电解电容器Ecapl的ESR变成无限大，就好像该电容器为断路。
[0035]图3所示为根据本发明的第一实施例来构建的电容器控制电路结构，其用于图1所示的AC-DC降压整流电路。
[0036]图4所示为图3的电容器控制电路结构的控制算法的流程图。
[0037]图5所示为现有技术的用于LED灯的典型AC-DC转换电路，其使用包含两个串联电解电容器的电容器模块。
[0038]图6所示为根据本发明的第二实施例来构建的电容器控制电路结构，其用于图5所示的转换电路。
[0039]图7所示为图6的电容器控制电路结构的控制算法的流程图。
[0040]图8所示为图6的电容器控制电路结构的预期工作寿命的示意图。
[0041]图9所示为根据本发明的第三实施例来构建的电容器控制电路结构，其用于图5所示的转换电路。
[0042]图10所示为图9的电容器控制电路结构的控制算法的流程图。
[0043]图11所示为图9的电容器控制电路结构的操作顺序的示意图，其中第一电容器摸块Ecapl在关闭电源之前工作。
[0044]图12所示为图9的电容器控制电路结构的操作顺序的示意图，其中第二电容器摸块Ecap2在关闭电源之前工作。
【具体实施方式】
[0045]通过以下结合附图对电容器控制电路结构的说明，本发明的方法的发明点就会变得明显。虽然本发明业已在较佳的实施例中作出说明和叙述，但电容器控制电路结构可用许多不同的配置、尺寸、形式和材料来制造。
[0046]现參照附图，图1所示为现有技术的典型AC-DC降压整流电路，其使用的原电容器模块包括单个电解电容器，在整流后使DC电压平稳。图3为根据本发明的第一实施例构建的电容器控制电路结构10，其用于图1所示的降压整流电路以替代原电解电容器模块。在此实施例中，电容器控制电路结构10包括第一和第二电解电容器模块EcapI和Ecap2、作为电容器模块控制器的通用微控制器(MCU) 12、外部EEPROM存储装置14、驱动MCU 12的调压器16、第一晶体管TRl和第二晶体管TR2。第一晶体管TRl的两个端子分别与第一电容器模块Ecapl和电路的公共接地连接，第三端子与MCU 12的第一脚I连接。第二晶体管TR2的两个端子分别与第二电容器模块Ecap2和电路的公共接地连接，第三端子与MCU 12的第二脚2连接。第一和第二电解电容器模块Ecapl和Ecap2具有与图1所示的原电解电容器模块相同的配置和相同的功能。MCU 12与电子电路成电子稱合。由于MCU 12的工作电压可能会不同于AC-DC降压整流电路的输出电压，电容器控制电路结构10包含的调压器16可为MCU 12提供合适的工作电压。
[0047]如图所示，电容器模块Ecapl和Ecap2并非简单地并联连接。因为如果它们并联和/或串联连接，两个电解电容器模块将同时地一起发挥平稳电压的作用并一起老化。因此，简单地将两个电解电容器模块并联和/或串联连接，电容器模块的工作寿命将不会有任何改善。
[0048]在电容器控制电路结构10中包含MCU 12以及晶体管TRl和TR2，就是为了使两个电容器模块Ecapl和Ecap2交替地被启动，在降压整流电路中工作相等的时间。因此，该电容器控制电路结构中的两个电容器模块在电路中的工作寿命会加倍。
[0049]图4所示为电容器控制电路结构10的控制算法的流程图。当施加电力时，MCU 12通过向其脚I施加逻辑I而接通晶体管TR1，令到只有晶体管TRl与电容器模块Ecapl连接，与降压整流电路形成闭合环路，以便使DC电压平稳。MCU 12同时启动内部倒数计时器倒计时间，例如60分钟。在60分钟的倒计时间结束时，MCU 12通过向其脚2施加逻辑I而接通晶体管TR2，令到只有晶体管TR2与电容器模块Ecap2连接，与降压整流电路形成闭合环路，以便使DC电压平稳。MCU 12可配置成使两个电容器模块Ecapl和Ecap2皆与电路连接很短的时间，例如10秒，以尽量减少在切换不同的电容器模块期间导致的任何电气开关噪声。在10秒结束后，MCU 12通过向其脚I施加逻辑O而关断晶体管TR1。换句话说，电容器模块Ecapl在电路工作60分钟后被断开，而电容器模块Ecap2则单独连接降压整流电路，提供使整流电压平稳的功能。然后，MCU 12重置其内部的60分钟倒数计时器，并重新启动另一次60分钟的倒计时。在第二次60分钟的倒计时结束时，MCU 12会通过切换连接到晶体管TRl而重新连接电容器模块Ecapl，再停用电容器模块Ecap2。只要有电力施加于电路，上述步骤会一次又一次地重复。
[0050]为了跟踪目前哪个电容器模块在电路中连接和工作以及该电容器模块剩余的倒计时间，MCU 12或诸如EEprom的外部存储装置可配置成在电子电路的正常运行期间不时地(例如每10秒)储存与所述电容器模块的工作记录和更新相关的数据。在本实施例中，如果电源被关闭，无论是有意还是无意，外部EEprom存储装置14会保存与关闭前哪个电容器模块正在工作以及还剩下多少倒计时间等相关的数据，以致于在电力恢复后，MCU 12可基于EEprom存储装置14所储存的数据而重新连接在关闭前正在工作的那个电容器模块，并使所述电容器模块在整流电路完成其剩余的工作时间。通过由电容器控制电路结构10提供的这种逻辑控制，两个电解电容器模块Ecapl和Ecap2的每一个可交替地和连续地工作平稳电压，并且在电子电路内工作相等的时间。因此，如果图1所示的原电解电容器模块的工作寿命于摄氏105度下为2000小时，则电容器控制电路结构10通过使用两个电解电容器模块Ecapl和Ecap2而提供的工作寿命将有效地加倍至4000小时。
[0051]参照图5，图中示出现有技术的用于照明用途的LED灯的典型AC-DC开关式转换电路。在该电路中，家居AC电压，例如220伏特，被包括4个ニ极管Dl、D2、D3和D4的全波桥式整流电路直接整流成DC电压。包括两个串联的电解电容器Ecapl和Ecap2的电容器模块被用于平稳所述DC电压，所述DC电压然后用于驱动开关式DC-DC转换电路，从而驱动LED阵列以产生足够的光作照明用途。应该注意，该转换电路中采用的用于使整流后的DC电压平稳的电容器模块的成本远远小于总的电子成本。例如，电容器模块的成本小于LED灯的总成本的1%。但是该转换电路中的电容器模块可对LED灯的电气性能和光输出具有重大影响。
[0052]正如图5所示，AC-DC开关式转换电路包括整流电路和开关式DC-DC转换电路。整流电路用于将家居AC电压调节成DC电压，其继而为驱动LED阵列的开关式DC-DC转换电路供电。开关式DC-DC转换电路在本领域是众所周知的，不是本发明的要点，因此本文不作详细描述。
[0053]表I所不为图5所不的LED灯电路的正常电气性能和光输出；表2所不为同一 LED灯电路的退减电气性能和光输出，其中整流电路中的两个电解电容器的ESR变成无限大，这是电解电容器老化出现的最坏情况。
[0054]表I
【权利要求】
1.一种提高电容器模块在使用所述电容器模块的电子电路中的工作寿命的方法，其包括以下步骤: 提供具有相同配置的两个或多个电容器模块； 交替地控制所述两个或多个电容器模块中的相应一个电容器模块在所述电子电路工作第一预定时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤:在关断所述电子电路之前识别出正在使用中的电容器模块，并确定所述电容器模块的所述第一预定时间还剩余多少时间才完结，以致于在接通所述电子电路作重新运作时，所述的在关断前正在使用中的电容器模块恢复工作并完成上述剩余时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:由配置内部或外部存储装置的微控制器进行所述控制步骤，所述存储装置储存与所述电容器模块的工作记录和更新相关的数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述控制步骤包括在每次接通所述电子电路时，总是启动所述电容器模块中第一电容器模块工作所述第一预定时间的一半时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:在所述第一电容器模块工作所述第一预定时间的一半时间之后，由所述两个或多个电容器模块中的第二电容器模块开始，交替地控制每一个电容器模块在所述电子电路工作所述第一预定时间。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于包括以下步骤:在所述相应一个电容器模块停止工作之前，使所述相应一个电容器模块和准备工作的一个电容器模块在所述电子电路同时地工作第二预定时间。
7.根据权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于:所述电容器模块为电解电容器模块。
8.根据权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于:所述电容器模块中每一个均配置成在所述电子电路工作相等的时间。
9.一种用于电子电路的电容器控制电路结构，包括: 具有相同配置的两个或多个电容器模块； 至少一个开关装置，所述开关装置与所述两个或多个电容器模块中的相应一个电容器模块作工作连接；以及 电容器模块控制器，所述电容器模块控制器用于交替地控制所述至少一个开关装置与所述相应一个电容器模块作工作连接持续第一预定时间，以使所述相应一个电容器模块被启动在所述电子电路工作所述第一预定时间。
10.根据权利要求9所述的电容器控制电路结构，其特征在于进一步包括:在所述电容器模块控制器之前设置调压器，以确保所述控制器正常地工作。
11.根据权利要求9所述的电容器控制电路结构，其特征在于:所述电容器模块控制器做成微控制器，所述微控制器被编程为交替地控制每一个电容器模块在所述电子电路工作所述第一预定时间。
12.根据权利要求11所述的电容器控制电路结构，其特征在于:所述微控制器设计成储存与所述电容器模块的工作记录和更新相关的数据，以便在关断所述电子电路之前识别出正在使用中的电容器模块并确定所述电容器模块的所述第一预定时间还剩余多少时间才完结，从而在接通所述电子电路作重新运作时，所述微控制器能够恢复在关断前正在使用的电容器模块的工作并完成上述剰余时间。
13.根据权利要求11所述的电容器控制电路结构，其特征在于:设置与所述微控制器耦合的外部存储器，以储存与所述电容器模块的工作记录和更新相关的数据，以便在关断所述电子电路之前识别出正在使用中的电容器模块并确定所述电容器模块的所述第一预定时间还剩余多少时间才完结，从而在接通所述电子电路作重新运作时，所述微控制器能够恢复在关断前正在使用的电容器模块的工作并完成上述剰余时间。
14.根据权利要求9所述的电容器控制电路结构，其特征在于:所述电容器模块控制器做成程序计数器或微控制器(MCU)，在毎次接通所述电子电路时总是启动所述两个或多个电容器模块中的第一电容器模块工作所述第一预定时间的一半时间；在所述第ー预定时间的一半时间之后，由所述两个或多个电容器模块中的第二电容器模块开始，所述计数器或MCU交替地控制交替地控制每ー个电容器模块在所述电子电路工作所述第一预定时间。
15.根据权利要求9至14的任ー项所述的电容器控制电路结构，其特征在于:所述电容器模块控制器配置成使所述相应ー个电容器模块和准备工作的ー个电容器模块在所述相应ー个电容器模块停止工作之前，在所述电子电路同时地工作第二预定时间。
16.根据权利要求9至14的任ー项所述的电容器控制电路结构，其特征在于:所述开关装置配置成晶体管，用于所述相应ー个电容器模块，以致每ー个电容器模块都有各自的与所述电容器模块控制器作工作连接的开关器，所述电容器模块控制器能够控制所述晶体管的连接，使所述相应ー个电容器模块能够工作。
17.根据权利要求9至14的任ー项所述的电容器控制电路结构，其特征在于:所述电容器模块为电解电容器模块。
18.根据权利要求 9至17的任一项所述的电容器控制电路结构在用于LED灯的驱动电路中的应用。
【文档编号】H05B37/02GK103428955SQ201210308103
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年8月27日 优先权日:2012年5月17日
【发明者】刘炳祥 申请人:刘炳祥