用于具有电池和dc至dc转换器的电器的电源电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于小电器的供电电压电路，所述小电器包含电池、电动马达、可控开关、控制电路和DC至DC转换器，其中电动马达通过可控开关连接到电池，并且DC至DC转换器从所述电池为控制电路供电。控制电路按如下方式来控制可控开关：用脉冲电压来运行电动马达，其中所述脉冲电压具有脉冲暂停比率，所述脉冲电压的暂停使得DC至DC转换器甚至将为控制电路供电（如果其仅在所述暂停期间运行）。
【专利说明】用于具有电池和DC至DC转换器的电器的电源电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于电池供电的小电器的电源电路，所述小电器包括具有相对高功耗的第一负荷、可控开关、具有相对低功耗的至少第二负荷和DC至DC转换器，其中第一负荷经由可控开关连接到电池，并且DC至DC转换器将电池电力提供给第二负荷。此类电源电路例如用于电池供电的电动牙刷或剃刀，它们的电池仅由一个电池单元组成。术语“电池”是指可再充电电池(蓄电池)和不可再充电电池这两种。本发明还涉及一种用于此类小电器的电力提供方法。
【背景技术】
[0002]W002/15374A1描述了一种用于电动小电器的电源电路，所述小电器为电池供电的并通过微控制器来控制。该电源电路包括DC至DC转换器，所述转换器将电池的电压增加至足够用于微控制器的水平。所述DC至DC转换器为升压转换器，其扼流线圈由电动马达形成。电动马达由具有脉冲宽度调制电压的微控制器来控制，以便一方面使得马达能够以所期望的速度运行，并且另一方面使得升压转换器能够提供足够的电压。然而，该电源电路具有如下缺点:当电动马达的速度减小-例如当断开马达时，升压转换器不提供电压。
[0003]EP O 875 978 BI描述了一种用于电动小电器的电源电路,所述小电器由蓄电池供电并通过微控制器来控制。该电源电路包括DC至DC转换器，所述转换器将蓄电池的电压增加至足够用于微控制器的水平。如果蓄电池是足够地充电的，则微控制器由DC至DC转换器和蓄电池供电。如果蓄电池不是足够地充电的，则经由电容器向微控制器供电，同时通过充电器对蓄电池进行充电，然而蓄电池的充电过程被间歇地短期中断以便对电容器再充电。
[0004]典型的DC至DC转换器包含内部电路，每当供电电压降至低于例如0.95V的最小电压时，所述内部电路就停用DC至DC转换器。如果DC至DC转换器为包含仅一个电池单元(例如具有1.2V标称电压的NiMH电池)的电池和电动马达的小电器的控制电路供电，则电动马达的起始电流(例如7A)可能至少暂时导致电池电压的下降，所述下降足以使DC至DC转换器停用并且停止向控制电路提供电力，甚至在具有充分充电的电池时也是如此。这可能发生于具有相对高内阻(例如50mΩ )的旧电池中。
[0005]本发明的目的
[0006]本发明的目的在于描述了一种简单电路和向如上所述的小电器提供电力的方法，所述方法更好地利用了电池中仍然残留的任何电量。
_7] 根据本发明的解决方案
[0008]该目的通过如下电源电路来实现，其中具有相对高功耗的负荷由具有脉冲暂停比率的脉冲电压供电，并且其中至少在所述暂停期间，DC至DC转换器为具有相对低功耗的负荷供电。
[0009]该电源电路具有如下优点:当电池具有高内部(例如与老化相关的)电阻时，甚至能够用一个单电池的电量为小电器供电相对长的一段时间。由于具有相对高功耗的负荷例如电动马达是由脉冲电压供电的，并且在所述暂停期间电池电压超过了脉冲期间所存在的电压，因此DC至DC转换器至少在所述暂停期间运行并对以通常方式连接在其输出端子处的电容器进行充电，所述电容器为具有相对低功耗的负荷例如控制电路供电，所述控制电路控制小电器的功能。这样，电池电量能够几乎被完全使用-虽然在较旧的电池中是以相对低的电压使用的。脉冲电压优选地具有脉冲暂停比率，所述脉冲电压的暂停按如下方式调节:DC至DC转换器能够足够地为第二负荷供电，甚至当仅在所述暂停期间运行时也是如此。
[0010]如果DC至DC转换器表现出控制端口，当控制端口承载足够的电压时DC至DC转换器被启动，这是尤其有利的。控制端口连接到控制电路，所述控制电路能够接通和断开DC至DC转换器。该电源电路优选地也包含与充电器或充电线圈的连接部以对蓄电池进行充电，前者也连接到DC至DC转换器的控制端口。只要充电器或充电线圈提供足够的电压，或只要控制电路保持DC至DC转换器的运行，DC至DC转换器因此就在运行。控制电路因此能够防止DC至DC转换器在低电池电压期间以通常方式自动断开。有利的是，例如，使控制电路确保DC至DC转换器在由于接通了马达而引起的短期电压下降期间保持运行。DC至DC转换器可仍然表现出通常的内部电路，当供电电压降至低于最小电压时，所述内部电路断开DC至DC转换器，由此该最小电压优选地被设定为相对低的值，所述值确保电池将不被DC至DC转换器深度放电。
[0011]该电源电路尤其适用于电池供电的小电器，诸如电动牙刷或剃刀，其电池仅由一个电池单元组成，并且其电池电压(例如1.2V)必须由DC至DC转换器增加至适用于控制电路的电压(例如3V)。
[0012]下文通过附图所示的实施例来示例性地说明本发明。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]附图所示的电源电路包含充电线圈LI，所述充电线圈经由二极管Dl和第一可控开关SI连接到电池B，其中充电线圈LI的一端连接到二极管Dl的阳极，并且充电线圈LI的另一端连接到电池B的负极(基准电位)。第一电容器Cl和由电动马达M和第二可控开关S2构成的串联连接部与电池B并联连接。电池B也连接到DC至DC转换器DC/DC。DC至DC转换器DC/DC还表现出控制输入端和输出端子，第二电容器C3的一端连接到所述输出端子。第二电容器C3的另一端连接到电池B的负极。控制电路uC具有用于其电源的两个端子，其中之一连接到DC至DC连接器DC/DC的输出端口，另一个连接到基准电位.。控制电路uC还表现出输入端以及三个输出端，所述输入端连接到电池B的正极，并且所述三个输出端之一连接到第一可控开关SI，其中的第二个连接到第二可控开关S2，并且其中的第三个连接到DC至DC转换器DC/DC的控制输入端并连接到电阻器R4的一端。电阻器R4的另一端连接到二极管Dl的阴极、第一可控开关S1、和第二电阻器R3的一端，所述第二电阻器的另一端连接到基准电位。仅示意性地表示了第一可控开关SI。其可例如由如下电子电路组成，当充电线圈施加足够的电压以便对电池进行充电时，所述电子电路将自动启用。
[0014]下文说明该电源电路运行所根据的方法，初始时假设DC至DC转换器DC/DC不是运行的。因此，DC至DC转换器的输出端口处的第二电容器C3被放电，因此也使得控制电路uC不起作用因而使第一 SI和第二 S2可控开关均断开。如果要接通具有该类型的电源电路的小电器(例如，如果要使马达M运行)，则小电器必须与附图中未示出的充电器连接，以便使充电线圈LI经由二极管Dl和电阻器R4向DC至DC转换器的控制输入端提供电压。如果控制输入端的电压足够高，则DC至DC转换器接通并对连接到其输出端的第二电容器C3进行充电(例如，充电至3V的电压)。然而，DC至DC转换器需要最小电压以便提供电力，因此,如果该电池(例如具有1.2V标称电压的NiMH蓄电池)处的或第一电容器Cl处的电压低于所述最小电压，则将不提供电力(尽管在其控制输入端存在足够高的电压)。
[0015]如果第二电容器C3处的电压足够高，则控制电路uC接通并控制包括马达M的小电器(经由可控开关S2)，DC至DC转换器DC/DC和电池充电过程(具体地，当电池达到完全充电状况时，通过断开可控开关SI来终止充电过程)以及附图未示出的附加负荷(如果需要)，诸如显示器。对小电器的控制取决于电池电压或第一电容器Cl处的电压，所述电压由控制电路连续地监测。如果在马达的启动期间通过施加相应的信号给DC至DC转换器的控制输入端来使控制电路保持DC至DC转换器处于运行状态，则是尤其有利的。如果第一电容器Cl处的电压暂时下降至低于DC至DC转换器的最小电压，由于施加给控制输入端的信号的缘故，一旦再次达到最小电压，DC至DC转换器将立即重新开始供电。
[0016]控制电路UC用脉冲电压为马达M供电，所述脉冲电压优选地表现出固定频率(固定循环时间)和固定脉冲暂停比率。控制电路按如下方式来控制第二可控开关S2:其在所述循环的95 - 99%期间将被接通，并且仅在所述循环的1- 5%期间停用。其优选地以250Hz的频率运行，并且在所述循环时间的大约98%期间被接通，同时马达M仍然在运行。脉冲电压的暂停时长、DC至DC转换器的特性、第二电容器C3的大小(例如10 μ F)、和控制电路uC(例如TI MSP430)的功耗为最佳配合的以便使控制电路接收足够的电源，甚至当DC至DC转换器仅在所述暂停期间对第二电容器C3进行充电时也是如此。当电池电压相对较低时，即，电池几乎耗尽、和/或马达M具有尤其高的电力要求-例如在启动期间，可能发生这种情况。如果电池电压相对较高，则DC至DC转换器可在整个循环时长期间运行，因而提供足够的电流从而不仅为控制电路uC供电,而且也为其它负荷供电。在具有中等电池电压和运行着的马达M的情况下，可发生如下状况:第一电容器Cl处的电压在半个循环之后降至低于DC至DC转换器的最小电压，并且因此将停止提供电力。然后控制电路将暂时断开其它负荷，并且在剩余的循环时间中将从第二电容器C3汲取电力，同时DC至DC转换器在所述暂停期间将对第二电容器C31再充电(如果在断开了马达之后再次达到了 DC至DC转换器的最小电压)。
[0017]小电器的上述电源电路因此根据如下方法来运行，其中具有相对高功耗的负荷由具有脉冲暂停比率的脉冲电压供电，并且具有相对低功耗的负荷至少在所述暂停期间由DC至DC转换器供电。所述暂停优选地被调节成使得具有相对低功耗的负荷将接收足够的电力，甚至其中DC至DC转换器仅在所述暂停期间运行。如果电池电压高于所确定的最小电压，则DC至DC转换器将为第二负荷和其它负荷供电，甚至在脉冲期间也是如此。此外，控制电路还提供对电池电压的连续监测，并且每当必要时就断开小电器。例如，如果电池电压在断开了马达之后直接低于第一阈值，或电池电压在马达的运行期间低于第二阈值，则控制电路优选地首先断开马达，然后断开其它负荷，并且最后断开DC至DC转换器。一旦第二电容器C3处的电压因此下降，控制电路uC也将被断开。这样，就能够避免电池的深度放电。然后仅能够通过对电池B进行充电来使小电器重新进入运行状态。[0018]控制电路UC优选地被实现为微控制器。
[0019]本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所述的精确值。相反，除非另外指明，每个这样的量纲旨在表示所引用的值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。
【权利要求】
1.用于小电器的电源电路，所述小电器包含电池、具有相对高功耗的第一负荷、可控开关、具有相对低功耗的至少第二负荷、和DC至DC转换器，其中所述第一负荷经由所述可控开关连接到所述电池，并且所述DC至DC控制器从所述电池提供电力给所述第二负荷，其特征在于所述可控开关向所述第一负荷提供具有脉冲暂停比率的脉冲电压，并且特征在于所述DC至DC转换器至少在所述暂停期间为所述第二负荷供电。
2.根据权利要求1所述的电源电路，其中所述第一负荷为电动马达，并且所述第二负荷为控制电路。
3.根据权利要求1或2所述的电源电路，其中所述脉冲电压具有脉冲暂停比率，所述脉冲电压的暂停按如下方式调节:所述DC至DC转换器能够足够地为所述第二负荷供电，甚至当仅在所述暂停期间运行时也是如此。
4.根据前述权利要求中的一项所述的电源电路，其中所述DC至DC转换器表现出控制输入端，并且能够通过向所述控制输入端施加适当的电压而被接通和断开。
5.根据权利要求4所述的电源电路，其中所述电源电路还包括充电线圈，并且其中所述DC至DC转换器能够由所述充电线圈通过向所述控制输入端施加电压而被启用。
6.根据权利要求4或5所述的电源电路，其中所述DC至DC转换器的控制输入端连接到所述控制电路。
7.小电器例如电动牙刷或剃刀，其具有根据前述权利要求中的一项所述的电源电路。
8.向小电器提供电力的方法，所述小电器包含电池、具有相对高功耗的第一负荷、可控开关、具有相对低功耗的至少第二负荷、和DC至DC转换器，其中所述第一负荷经由所述可控开关连接到所述电池，并且所述DC至DC控制器从所述电池提供电力给所述第二负荷，其特征在于所述第一负荷由脉冲电压供电，所述脉冲电压具有脉冲暂停比率，并且特征在于所述DC至DC转换器至少在所述暂停期间为所述第二负荷供电。
9.根据权利要求8所述的方法，其中当所述脉冲期间的所述电池电压高于确定的最小电压时，所述DC至DC转换器为所述第二负荷和可能的另外的负荷供电，甚至在所述脉冲期间也是如此。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述脉冲电压具有脉冲暂停比率，所述脉冲电压的暂停按如下方式调节:所述DC至DC转换器能够足够地为所述第二负荷供电，甚至当仅在所述暂停期间运行时也是如此。
11.根据权利要求8、9或10所述的方法，其中所述第一负荷为电动马达，并且所述第二负荷为控制电路，所述控制电路控制所述小电器的功能。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述控制电路监测所述电池电压，并且当所述电池电压在所述电动马达不运行的情况下降至低于第一电压时，或所述电池电压在所述电动马达仍然运行的情况下降至低于第二电压时，所述控制电路断开所述小电器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制电路在断开所述小电器时仅在所述电动马达或其它负荷之后断开所述DC至DC转换器。
【文档编号】H02J7/02GK103828179SQ201280044268
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月13日 优先权日:2011年9月16日
【发明者】T·凯勒曼, L·法兰达 申请人:博朗有限公司