專(zhuān)利名稱(chēng)：電源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用電池的電源電路，具體地說(shuō)，涉及一種電源電路，所述電源電路執(zhí)行電路控制以便控制電池產(chǎn)生的電壓使之與負(fù)載的工作電壓范圍相匹配并且執(zhí)行電路控制以便控制電池放電電流上限，并且當(dāng)負(fù)載太重導(dǎo)致放電電流超過(guò)所規(guī)定的上限值時(shí)，所述電源電路利用雙電荷層電容器中儲(chǔ)存的能量提供電力支援，從而有效地釋放電池的充電容量。
背景技術(shù)：
參考日本公開(kāi)特許公報(bào)JP-A-H09-219933，其中提出了三種電源類(lèi)電子裝置，它們可以使用三種類(lèi)型的電池，即，一次型電池(如錳干電池或堿性干電池)和兩種二次電池(堿性二次電池，例如鎳-鎘電池或鎳-氫電池，和鋰離子二次電池)。
所提出的電子裝置配置成根據(jù)加載電池的形狀來(lái)判斷所述電池究竟屬于具有不同充放電特性的三種電池中的哪一種，繼而實(shí)施適合于所述加載電池的充放電控制。并通過(guò)DC-DC(直流-直流)變換器將所述加載電池產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換成預(yù)定的直流電壓，從而向電子裝置中的相應(yīng)的電路提供所需的直流電壓。
目前電池主要用作便攜式電子裝置的電源。根據(jù)工作原理、材料等的不同，有許多種電池可供使用，每種電池都各有特點(diǎn)。例如，錳干電池或堿性干電池等一次電池的標(biāo)稱(chēng)電壓是1.5伏。雖然它不可以再充電，但是它具有標(biāo)準(zhǔn)的形狀，也容易以低廉的價(jià)格買(mǎi)到。
堿性二次電池如鎳-鎘電池和鎳-氫電池的標(biāo)稱(chēng)電壓是1.2伏。它可以反復(fù)再充電，而且，最近在市場(chǎng)上出售的這些堿性二次電池的形狀與上述一次電池已經(jīng)一致了。
此外，鋰離子二次電池的標(biāo)稱(chēng)電壓是3.7伏，并且由于其高能量特性，已經(jīng)成為高性能便攜式電子裝置使用的主流電池。
如上所述，所述各種電池根據(jù)其種類(lèi)具有其本身的特性，不同類(lèi)型的電池在產(chǎn)生電壓方面的兼容性是很差的。上述現(xiàn)有技術(shù)出版物已經(jīng)提出了這樣一種技術(shù)，那就是上面所講的，在單一的電子裝置中可以使用不同類(lèi)型的電池，方法就是通過(guò)DC-DC(直流-直流)變換器將由加載電池所產(chǎn)生的電壓變換成預(yù)定的直流電壓，從而向電子裝置的各種電路提供所需的直流電壓。
圖1表示根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)電源電壓與負(fù)載電壓，即，加到負(fù)載上的電壓的關(guān)系，其中，橫坐標(biāo)軸表示電源電壓值，而縱坐標(biāo)軸表示加到負(fù)載上的電壓。
按照傳統(tǒng)技術(shù)，利用加載電池作為電源，并且在處理多種電池時(shí)，由于電池所產(chǎn)生的電壓范圍太廣，所以利用DC-DC變換器將電池所產(chǎn)生的電壓變換成預(yù)定的直流電壓，從而向電子裝置的各種電路提供所需的直流電壓，在這種傳統(tǒng)技術(shù)中有可能發(fā)生這樣的情況，即，加載電池的放電電壓范圍不落在負(fù)載可工作的電源電壓范圍(即，負(fù)載(包括DC-DC變換器)可工作的電源電壓范圍)內(nèi)，如圖1所示。
一般說(shuō)來(lái)，隨著輸入電壓和輸出電壓差值的擴(kuò)大，DC-DC變換器的效率就會(huì)降低。這意味著輸入變化范圍大的電源電壓將會(huì)引起DC-DC變換器的直流變換效率降低，因此，在電池所產(chǎn)生的電壓覆蓋寬范圍的情況下電池的放電效率降低。
還有，當(dāng)加載電池所產(chǎn)生的電壓增大到超過(guò)DC-DC變換器的輸入電壓上限電壓時(shí)，例如當(dāng)電池滿載放電時(shí)，負(fù)載加有過(guò)電壓，有可能因?yàn)橛|發(fā)負(fù)載保護(hù)功能等而使負(fù)載的工作出現(xiàn)麻煩。
圖2表示按照傳統(tǒng)技術(shù)，在以諸如便攜式電話的無(wú)線電通信裝置為代表的負(fù)載模式中的電壓和電流波形，其中橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間值，而縱坐標(biāo)軸表示電壓值和電流值。如圖2所示，所述負(fù)載模式就是當(dāng)前便攜式電話通信中占主流地位的時(shí)分多址(TDMA)系統(tǒng)的負(fù)載模式，其中發(fā)射時(shí)段TX和接收時(shí)段RX以固定的周期交替出現(xiàn)。而負(fù)載在發(fā)射時(shí)段TX消耗大電流ILTX，而負(fù)載在接收時(shí)段RX消耗小的電流ILRX。
由于內(nèi)阻和所充電量的釋放，電池產(chǎn)生電壓會(huì)逐步下降。因此，在發(fā)射時(shí)間段TX，所述產(chǎn)生電壓遭受等于由電源(電池)的內(nèi)阻引起的電壓遞降ΔVesrx和由負(fù)載電流TLTX導(dǎo)致的電池電容性放電引起的電壓遞降ΔVcapx的總和的電壓遞降ΔVdpx。反之，在接收時(shí)間段RX，由于不存在電壓遞降ΔVdpx，所以，所述產(chǎn)生電壓相應(yīng)地增大。
如上所述，在時(shí)分多址系統(tǒng)的負(fù)載模式中，由于電池內(nèi)阻和電容性放電的影響，電池產(chǎn)生電壓會(huì)與發(fā)射時(shí)間段TX和接收時(shí)間段RX同步地變化。
圖3表示按照傳統(tǒng)技術(shù)圖2所示的連續(xù)工作負(fù)載模式的電池放電曲線，其中，橫坐標(biāo)軸表示放電時(shí)間，而縱坐標(biāo)軸表示作為電源電壓的電池產(chǎn)生電壓。由于圖2所示的電池產(chǎn)生電壓的變化的緣故，使得放電曲線具有電壓寬度Δdpx，它是由上述負(fù)載電流值ILTX引起的ΔVesrx和ΔVcapx之和。如圖3所示，在按照上述負(fù)載模式放電的過(guò)程中，在發(fā)射時(shí)間段TX的t0時(shí)刻，電壓值達(dá)到了負(fù)載工作下限電壓。
這種負(fù)載模式的電池的放電壽命被定義為在重負(fù)載下達(dá)到工作下限電壓所經(jīng)歷的時(shí)間。因此，即使電池在重負(fù)載下到達(dá)最終電壓并結(jié)束其壽命，它仍然沒(méi)有到達(dá)輕負(fù)載下的最終電壓，其剩余的電量仍然能使負(fù)載工作。這種現(xiàn)象降低了電池的放電效率。
如上所述，在可以使用各種類(lèi)型電池工作的電子裝置里，當(dāng)利用DC-DC變換器來(lái)轉(zhuǎn)換電池產(chǎn)生電壓的時(shí)候，不可避免地出現(xiàn)以下問(wèn)題因?yàn)镈C-DC變換器要覆蓋寬闊的電壓范圍而造成轉(zhuǎn)換效率降低；由于要輸入電壓的范圍寬廣還會(huì)導(dǎo)致故障產(chǎn)生；或在無(wú)負(fù)載情況下出現(xiàn)過(guò)壓。
還有，在周期性地重復(fù)重負(fù)載和輕負(fù)載的負(fù)載的情況下，像由無(wú)線電通信裝置代表的時(shí)分多址系統(tǒng)的負(fù)載模式那樣，由于由電池的內(nèi)阻和電容放電導(dǎo)致的電壓遞降的影響引起的電池產(chǎn)生電壓的變化，由于在電池仍然具有殘留電量情況下的電池不足警告、斷電等，電池不能高效地放電到它的最終電壓。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的電源電路使用一次電池、二次電池、太陽(yáng)能電池、或燃料電池作為電源并且包括電壓遞降控制裝置，用于當(dāng)電源輸出電壓超過(guò)負(fù)載的工作電壓范圍的上限值時(shí)，將電力后援電容器的充電電壓降低到負(fù)載工作電壓范圍內(nèi)的預(yù)定電壓值；線性電壓控制裝置，用來(lái)當(dāng)電源的輸出電壓落在負(fù)載的工作電壓范圍之內(nèi)時(shí)將電力后援電容器的充電電壓控制到基本上等于電源的輸出電壓；以及電流控制裝置，用于利用預(yù)定的電流值來(lái)把電源輸出電流的上限值控制在使負(fù)載工作所需的功率范圍內(nèi)，其中，由電源輸出電流充電的電力后援電容器設(shè)置在負(fù)載的電源單元內(nèi)。
可以安排使用一定數(shù)目單元電池串聯(lián)組成的電池組作為電源，所述電池組具有這樣的能力在電源輸出電壓隨時(shí)間變化的大部分時(shí)間內(nèi)，所述電池組的使負(fù)載工作的電動(dòng)勢(shì)值落在負(fù)載的工作電壓范圍內(nèi)。可以安排線性電壓控制裝置接通與電源串聯(lián)的開(kāi)關(guān)元件。可以安排電流控制裝置控制作為對(duì)與電源串聯(lián)的開(kāi)關(guān)元件的控制輸入信號(hào)的電流或電壓?？梢园才烹娏笤娙萜骶哂须p電荷層類(lèi)型，并且其內(nèi)阻小于電源的內(nèi)阻?？梢园才烹娏笤娙萜骶哂须p電荷層類(lèi)型，并且具有這樣的電容量，使得在負(fù)載電流超過(guò)電源輸出電流的上限值時(shí)，所述電容器能夠向負(fù)載提供電力。


圖1是表示根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)電源電壓和負(fù)載電壓(加到負(fù)載上的電壓)之間的關(guān)系的簡(jiǎn)圖；圖2是表示根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)，在時(shí)分多址通信系統(tǒng)的負(fù)載模式下電壓和電流的波形的簡(jiǎn)圖；圖3是表示根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)，時(shí)分多址通信系統(tǒng)的負(fù)載模式連續(xù)工作時(shí)的放電特性的示意圖；圖4是本發(fā)明第一最佳實(shí)施例的電源電路結(jié)構(gòu)的方框圖；圖5是表示本發(fā)明第一最佳實(shí)施例的電源電壓和負(fù)載電壓(加到負(fù)載上的電壓)之間關(guān)系的示意圖；圖6是表示堿性干電池典型放電特性的示意圖；圖7是分別表示堿性干電池的放電特性中相對(duì)于各個(gè)等電壓寬度的累積放電時(shí)間的示意圖；圖8是表示在根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的時(shí)分多址通信系統(tǒng)的負(fù)載模式下的電壓和電流波形的示意圖；圖9是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例，時(shí)分多址通信系統(tǒng)的負(fù)載模式連續(xù)工作時(shí)的放電特性的示意圖；圖10是表示本發(fā)明第二最佳實(shí)施例的電源電路結(jié)構(gòu)的方框圖；圖11是表示本發(fā)明第二最佳實(shí)施例的電源電壓和負(fù)載電壓(加到負(fù)載上的電壓)之間關(guān)系的示意圖；圖12是表示本發(fā)明第三最佳實(shí)施例的電源電路結(jié)構(gòu)的方框圖；以及圖13是表示本發(fā)明第四最佳實(shí)施例的電源電路結(jié)構(gòu)的方框圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的第一最佳實(shí)施例。圖4是表示本發(fā)明第一實(shí)施例電路的方框圖。
圖4中，電源電路包括以電池組2形式出現(xiàn)的電源，所述電池的正極2a具有最高電位，而它的負(fù)極2b具有最低電位。電池組2由3個(gè)相互串聯(lián)的單元電池1組成，每一個(gè)單元電池1的內(nèi)阻是1a。所述電源電路還包括PNP晶體管3，它具有發(fā)射極端子3a、基極端子3b和集電極端子3c；集電極電壓檢測(cè)塊4；集電極過(guò)壓控制塊5；基極電流控制塊6；電力后援電容器7，其內(nèi)阻是7a，正電極是7b，負(fù)電極是7c；以及負(fù)載8。負(fù)載8包括電源單元9；DC-DC變換塊10；和電路塊11。DC-DC變換塊10包括電壓提升電路塊10a和電壓遞降電路塊10b。電路塊11包括電路決A 11a，電路塊B 11b和電路塊C 11c。
電池組2的正電極2a與PNP晶體管3的發(fā)射極端子3a連接，而PNP晶體管3的基極端子3b與基極電流控制塊6相連，而集電極端子3c連接到集電極電壓檢測(cè)塊4、具有內(nèi)阻7a的電力后援電容器7的正極是7b以及負(fù)載8的電源單元9。電源單元9電路連接到塊11的電路塊A 11a和DC-DC變換塊10的電壓提升電路塊10a和電壓遞降電路塊10b。電壓壓遞降塊10b連接到電路塊C 11c。集電極電壓檢測(cè)塊4連接到集電極過(guò)壓控制塊5，而集電極過(guò)壓控制塊5連接到基極電流控制塊6。在本實(shí)施例中，電路的接地端子連接到電池組2的負(fù)電極2b。
下文中將介紹本實(shí)施例的電路塊的操作。
電源的內(nèi)阻的取值為三個(gè)相互串聯(lián)的單元電池1的內(nèi)阻1a之和。PNP晶體管3與電源串聯(lián)，假定晶體管的電流放大系數(shù)用hFE表示，則下面的方程式(1)給出了基極電流IB和集電極電流Ic之間的關(guān)系IC＝Hfe×IB (1)其中IC表示集電極電流，IB表示基極電流，而hFE表示晶體管的電流放大系數(shù)(比例常數(shù))。
集電極電壓檢測(cè)塊檢測(cè)集電極3c的電壓，并將檢測(cè)到的數(shù)值饋送到集電極過(guò)壓控制塊5。當(dāng)集電極電壓超過(guò)預(yù)定的數(shù)值時(shí)，集電極控制塊5發(fā)送用于減小基極電流IB的信號(hào)到基極電流控制塊6，從而將集電極電壓減小到預(yù)置的電壓值。
另一方面，當(dāng)集電極電壓低于預(yù)置的電壓值時(shí)，集電極過(guò)壓控制塊5向基極電流控制塊6發(fā)送用于將基極電流IB提高到預(yù)置的電流上限值Ibmax的信號(hào)，該信號(hào)作為PNP晶體管3導(dǎo)通的控制信號(hào)，由此使集電極電流達(dá)到由前述方程(1)式給出的預(yù)定的上限集電極電流ICmax。
電力后援電容器7用集電極電流IC充電，使得它的電壓等于集電極電壓。電力后援電容器7的內(nèi)阻7a被調(diào)整到小于電池組2的內(nèi)阻(也就是圖4所示的三個(gè)相互串聯(lián)的內(nèi)阻之和)，使得當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)上限集電極電流ICmax的時(shí)候，電力后援電容器7就會(huì)通過(guò)放電來(lái)提供電力支援。
電源單元9作為負(fù)載8的集中供電端子，以便通過(guò)電源單元9向DC-DC變換器塊10和負(fù)載8的電路塊11供電。電源電壓直接加到電路塊A 11a，而供給電路塊B 11b的是經(jīng)過(guò)電壓提升電路10a提升的電壓，供給電路塊C 11c的是經(jīng)過(guò)電壓遞降電路10b降低的電壓。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例電源電壓和負(fù)載電壓(即，加到負(fù)載上的電壓)之間的關(guān)系，其中，橫坐標(biāo)軸表示電源電壓值，而縱坐標(biāo)軸表示負(fù)載電壓值。
圖6表示由堿性干電池(由三個(gè)單元電池串聯(lián)而成)恒定電流放電所獲得的典型放電曲線。其中，橫坐標(biāo)軸表示放電時(shí)間，而縱坐標(biāo)軸表示放電電壓。
圖7分別表示圖6所示的放電曲線中相對(duì)于各等放電電壓寬度(0.2伏寬)的累積放電時(shí)間，其中，橫坐標(biāo)軸表示放電電壓值，而縱坐標(biāo)軸表示所述各等電壓寬度的累積放電時(shí)間。
圖8表示按照發(fā)明的第一實(shí)施例，在時(shí)分多址通信系統(tǒng)負(fù)載模式下的電壓和電流波形，其中，橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間值，而縱坐標(biāo)軸表示與相應(yīng)的特性對(duì)應(yīng)的電壓值和電流值。
圖8中所表示的負(fù)載模式是在當(dāng)今便攜式電話通信中占主流地位的時(shí)分多址系統(tǒng)的負(fù)載模式，其中，發(fā)射時(shí)段TX和接收時(shí)段RX以固定的周期交替出現(xiàn)，而負(fù)載在發(fā)射時(shí)段消耗大電流ILTX，而負(fù)載在接收時(shí)段消耗小電流ILRX。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，圖8中所示的負(fù)載模式連續(xù)工作時(shí)的放電曲線，其中，橫坐標(biāo)軸表示放電時(shí)間，而縱坐標(biāo)軸表示作為電壓源的電池所產(chǎn)生的電壓。
下面參閱圖5到圖9來(lái)詳細(xì)介紹本發(fā)明的第一實(shí)施例。如圖5所示，集電極電壓(也就是電力后援電容器7的充電電壓)的上限值被設(shè)置到負(fù)載工作范圍的上限值Vmax。
當(dāng)集電極電壓檢測(cè)塊4檢測(cè)到集電極電壓(也就是電力后援電容器7的充電電壓)已經(jīng)超過(guò)負(fù)載工作范圍的上限值Vmax后，就會(huì)通知集電極過(guò)壓保護(hù)控制塊5集電極正處于過(guò)壓狀態(tài)。
接收到來(lái)自集電極電壓檢測(cè)塊4的過(guò)壓檢測(cè)信息之后，集電極過(guò)壓控制塊5作出響應(yīng)，向基極電流控制塊6發(fā)出用于減小基極電流的命令。
接收到來(lái)自集電極過(guò)壓控制塊5的減小基極電流的命令之后，基極電流控制塊6作出響應(yīng)，減小PNP晶體管3的基極電流，從而將集電極的電壓(也就是電力后援電容器7的充電電壓)降低到預(yù)定的電壓值。
當(dāng)集電極電壓檢測(cè)塊4檢測(cè)到集電極電壓(也就是電力后援電容器7的充電電壓)等于或小于負(fù)載工作范圍的上限值Vmax后，基極電流控制塊6把基極電流IB控制到預(yù)定的上限電流值Ibmax，令PNP晶體管3導(dǎo)通。這使得集電極電流達(dá)到前面公式(1)所確定的ICmax，使得電源的輸出電流的最大值由ICmax限定。在這種情況下，電源電壓和集電極電壓(也就是電力后援電容器7的充電電壓)逞線性關(guān)系。
當(dāng)集電極電壓檢測(cè)塊4檢測(cè)到集電極電壓(也就是電力后援電容器7的充電電壓)低于負(fù)載工作范圍的下限值Vmin時(shí)，負(fù)載停止工作。在這種情況下，電源和集電極電壓(也就是電力后援電容器7的充電電壓)繼續(xù)保持線性關(guān)系，一直到圖5所示電路的工作下限值。
如圖6所示，電池的放電特性是非線性的，因此，在恒流放電的過(guò)程中，每種放電電壓的放電時(shí)間不同。從表示各個(gè)等電壓寬度的累積放電時(shí)間的圖7可以看到，在例如三節(jié)堿性干電池串聯(lián)起來(lái)的情況下，在從2.4伏到4.8伏的范圍內(nèi)，累積放電時(shí)間基本上相對(duì)于3.2伏到3.4伏逞正態(tài)分布。
在所述累積放電時(shí)間分布中，從3.0伏到3.6伏大概占總放電時(shí)間的55％，而從2.8伏到3.8伏大概占總放電時(shí)間的75％。如圖7所示，三節(jié)單元電池串聯(lián)形式的電池所產(chǎn)生的電壓涵蓋從2.4伏到4.8伏的范圍，而2.8伏到3.8伏放電電壓范圍大概占總放電時(shí)間的75％。因而，用三節(jié)單元電池串聯(lián)形式的電池作為電源對(duì)工作電壓范圍從2.8伏到3.8伏的負(fù)載是適合的。雖然3.8伏到4.8伏的范圍會(huì)引起負(fù)載過(guò)壓，但是，在這種情況下，利用上述電壓遞降控制裝置就有可能令負(fù)載在沒(méi)有過(guò)壓的情況下工作。
如圖8所示，在重負(fù)載(發(fā)射時(shí)段TX)和輕負(fù)載(接收時(shí)段RX)周期性重復(fù)的負(fù)載的情況下，上限集電極電流ICmax被設(shè)置為小于發(fā)射時(shí)段TX的電流值ILTX，但又大于接收時(shí)段RX的電流值ILRX的數(shù)值，并且基本上等于負(fù)載的平均電流值。
上限基極電流值IBmax也是由上面的(1)式確定的。電力后援電容器7具有能夠供應(yīng)發(fā)射時(shí)段TX所需能量的電容量，而且還能在接收時(shí)段RX內(nèi)完成重新充電。
現(xiàn)在來(lái)講解在發(fā)射時(shí)段TX的工作情況。發(fā)射時(shí)段TX的負(fù)載電流是ILTX，電池組2的的輸出電流(作為供電電流)是IE，電力后援電容器7的放電電流是IcapTX，這三個(gè)電流值之間的關(guān)系由下面的(2)式給出
IE+IcapTX＝ILTX (2)其中IE表示供電電流，IcapTX是電力后援電容器7的放電電流，而ILTX是發(fā)射時(shí)段TX的負(fù)載電流。
從上述(2)式看出，電力后援電容器7的放電電流補(bǔ)充了供電電流所提供負(fù)載電流的不足。由于電力后援電容器7與負(fù)載8的電源單元9相連接，所以電力后援電容器7的充電電壓等于負(fù)載電壓。
電力后援電容器7的充電電壓會(huì)受到電壓遞降ΔVdp的影響，ΔVdp的值等于由電力后援電容器7的內(nèi)阻7a引起的電壓遞降ΔVesr和由電力后援電容器7的放電電流值IcapTX導(dǎo)致的電力后援電容器7的電容性放電引起的電壓遞降ΔVcap之和。由于電源(電池)內(nèi)阻1a×3以及供電電流值IE導(dǎo)致的電源(電池)充電電容放電的緣故，電源電壓遭受電壓遞降，由此導(dǎo)致電源電壓變成VE。
現(xiàn)在來(lái)講解接收時(shí)段RX的工作情況。接收時(shí)段的負(fù)載電流是ILRX，作為供電電流的電池組2的輸出電流是IE，電力后援電容器7的再充電電流是IcapRX，這三個(gè)電流值所建立的關(guān)系可以用下面的方程式(3)表示IE-IcapRX＝ILRX (3)其中IcapRX表示電力后援電容器7的再充電電流；而ILRX是接收時(shí)段的負(fù)載電流。
上述(3)式表示供電電流同時(shí)提供了負(fù)載電流和電力后援電容器7的再充電電流。在發(fā)射時(shí)段遭受電壓遞降的電力后援電容器7的電壓通過(guò)充電電流IcapRX恢復(fù)相當(dāng)于所述電壓遞降ΔVdp的電壓，所述電壓遞降ΔVdp是由電力后援電容器7的內(nèi)阻7a引起的電壓遞降值ΔVesr和由電力后援電容器7電容放電引起的電壓遞降值ΔVcap之和。
由于集電極電流的上限值ICmax被設(shè)置為基本上等于負(fù)載電流的平均值，所以供電電流基本上以恒定值放電。再充電完成之后，由于電力后援電容器7的阻抗增加，充電電流下降，導(dǎo)致供電電流收斂于接收時(shí)段RX的負(fù)載電流ILRX。
如圖9所示，由于利用圖8所描述的電壓和電流波形的緣故，使得本實(shí)施例中的電源放電曲線具有電壓寬度ΔVdp，該電壓寬度ΔVdp是ΔVesr和電力后援電容器7放電電流IcapTX導(dǎo)致的ΔVcap之和。如圖9所示，在按照?qǐng)D8所示的負(fù)載模式放電的過(guò)程中，在發(fā)射時(shí)段TX的時(shí)刻t1，電壓值達(dá)到了負(fù)載的工作下限電壓，這段時(shí)間(t1)較傳統(tǒng)技術(shù)的時(shí)間t0長(zhǎng)。
其原因是，電力后援電容器7的內(nèi)阻7a被調(diào)整到小于電源(電池)的內(nèi)阻1a×3，而且其具有的電容量足以提供發(fā)射時(shí)段TX所需要的電力。
在本實(shí)施例中，雙電荷層電容器滿足這個(gè)條件，因而適合做電力后援電容器7。
在本實(shí)施例中，實(shí)際上建立了由方程式(4)到(7)給出的下面幾個(gè)量之間的關(guān)系由電力后援電容器7的內(nèi)阻7a引起的電壓遞降ΔVesr；由電力后援電容器7放電引起的電壓遞降ΔVcap；以及它們之和的電壓遞降ΔVdp。
ΔVesr＝ESR×IcapTX (4)ΔVcap＝(IcapTX×tTX)/C (5)ΔVesr+ΔVcap＝ΔVdp(6)IcapTX＜ILTX (7)其中ESR表示電力后援電容器7的內(nèi)阻，tTX表示發(fā)送時(shí)間，而C則是電力后援電容器7的電容量。
從方程(4)到(7)，作為ΔVesr和ΔVcap之和的電壓寬度ΔVdp隨著電力后援電容器7的內(nèi)阻7a的減小而減小，且隨著電力后援電容器7的電容量增大而減小。
在上述負(fù)載模式中，在負(fù)荷過(guò)重時(shí)，供電的任務(wù)是由作為電源的電池和電力后援電容器7共同完成的，而在負(fù)荷較輕時(shí)，電力后援電容器7被重新充電，以便減小在重負(fù)載時(shí)電壓的遞降，從而延長(zhǎng)到達(dá)負(fù)載的工作下限電壓的時(shí)間。
現(xiàn)在參照附圖來(lái)解析本發(fā)明的第二最佳實(shí)施例。圖10是表示本發(fā)明的第二最佳實(shí)施例的電路方框圖。
在圖10中，電源電路包括以電池組2形式出現(xiàn)的電源，其正極2a具有最高電位，而負(fù)極2b具有最低電位。電池組2由三個(gè)相互串聯(lián)的單元電池1組成，每個(gè)單元電池的內(nèi)阻是1a。電源電路還包括P型MOS-FET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)21，它具有源極端子21a、柵極端子21b和漏極端子21c。電源電路還包括漏極電壓檢測(cè)塊22、比較/判決塊23、漏極過(guò)壓控制塊24，刪極電壓控制塊25、漏極電流檢測(cè)塊26、電壓提升電路ON/OFF(接通/斷開(kāi))控制塊27、線圈28、二極管29和電壓提升開(kāi)關(guān)控制單元30。電壓提升開(kāi)關(guān)控制單元30包括電壓提升開(kāi)關(guān)控制塊31、N型MOS-FET 32(它具有源極端子32a、柵極端子32b和漏極端子32c)以及電容器電壓檢測(cè)塊33。電源電路還包括具有內(nèi)阻7a、正電極7b和負(fù)電極7c的電力后援電容器7以及負(fù)載8。負(fù)載8包括電源單元9、DC-DC變換塊10和電路塊11。DC-DC變換塊10包括電壓提升電路塊10a和電壓遞降電路塊10b。電路塊包含電路塊A 11a、電路塊B 11b和電路塊C 11c。
電池組2的正電極2a與P型的MOS-FET 21的源極端子和漏極電流檢測(cè)塊26連接。柵極端子21b連接到刪極電壓控制塊25，漏極端子21c連接到漏極電流檢測(cè)塊26、漏極電壓檢測(cè)塊22和線圈28的一端。線圈28的另一端連接到二極管29的正極和N型MOS-FET 32的漏極端子32c。二極管29的負(fù)極連接到電容器電壓檢測(cè)塊33、具有內(nèi)阻7a的電力后援電容器7的正電極7b和負(fù)載8的電源單元9。電源單元9連接到電路塊11的電路塊A 11a、DC-DC變換塊的電壓提升電路塊10a和電壓遞降電路塊11b。電壓提升電路塊10a連接到電路塊B 11b，而電壓遞降電路塊10b連接到電路塊C 11c。漏極電壓檢測(cè)塊22連接到比較/判決塊23和漏極過(guò)壓控制塊24。比較/判決塊23連接到電壓提升電路ON/OF(通/斷)控制塊27。漏極過(guò)壓控制塊24連接到柵極電壓控制塊25。電壓提升電路ON/OF(通/斷)控制塊27與電壓提升開(kāi)關(guān)控制單元30的電壓提升開(kāi)關(guān)控制塊31連接，而電壓提升開(kāi)關(guān)控制塊31連接到N型MOS-FET 32的柵極端子32b和電容器電壓檢測(cè)塊33。N型MOS-FET 32的源極端子32a接地。刪極電壓控制塊25連接到漏極電流檢測(cè)塊26。在本實(shí)施例，電路的接地端連接到電池的負(fù)極2b。
下面將解析本實(shí)施例電路塊的工作情況。
電源的總內(nèi)阻的值等于三個(gè)相互串聯(lián)的單元電池1的內(nèi)阻1a之和。P型MOS-FET 21與電源串聯(lián)。而電源的電流由漏極電流檢測(cè)塊26檢測(cè)，漏極電流檢測(cè)塊26用來(lái)檢測(cè)在P型MOS-FET 21源極端子與漏極端子之間流動(dòng)的漏極電流。
當(dāng)負(fù)載電流等于或小于預(yù)置的漏極電流最大值時(shí)，漏極電流檢測(cè)塊26向柵極電壓控制塊25發(fā)送控制信號(hào)以便接通P型MOS-FET21。另一方面，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)預(yù)置的漏極電流最大值的時(shí)候，漏極電流檢測(cè)塊26向柵極電壓控制塊25發(fā)送控制信號(hào)將源電流限制到所述漏極電流最大值。
當(dāng)源電流超過(guò)漏極電流最大值的時(shí)候，負(fù)載電流的不足部分將由電力后援電容器7的放電補(bǔ)充。
漏極電壓檢測(cè)塊22檢測(cè)漏極端子21c的電壓，并將檢測(cè)到的數(shù)值饋送到比較/判決塊23和漏極過(guò)壓控制塊24。
比較/判決塊23將漏極電壓與參考電壓比較，當(dāng)漏極電壓低于負(fù)載工作電壓范圍的下限值的時(shí)候，發(fā)出令電壓提升電路ON/OF(通/斷)控制塊27產(chǎn)生ON(接通)信號(hào)的控制信號(hào)。
當(dāng)漏極電壓等于或大于負(fù)載工作電壓范圍的下限值的時(shí)候，比較/判決塊23發(fā)出用于使電壓提升電路ON/OF(通/斷)控制塊27產(chǎn)生OFF(斷開(kāi))信號(hào)的控制信號(hào)。
當(dāng)漏極電壓超過(guò)預(yù)置的電壓值的時(shí)候，漏極過(guò)壓控制塊24發(fā)出柵極控制信號(hào)到柵極電壓控制塊25，從而將漏極電壓降低到預(yù)定的電壓值。
電力后援電容器7用漏極電流ID充電。電力后援電容器7的內(nèi)阻7a的阻值被設(shè)定為小于電池組2的內(nèi)阻(即圖10中相互串聯(lián)的內(nèi)阻1a之和)，以便在負(fù)載電流超過(guò)預(yù)置的漏極電流最大值的時(shí)候，電力后援電容器7為提供電力支援而放電。
電源單元9起負(fù)載8的集中電源端子的作用，以便通過(guò)電源單元9向負(fù)載8的DC-DC變換塊10和電路塊11供應(yīng)電力。
電路塊A 11a直接接收電源電壓，電路塊B 11b接收由電壓提升電路塊10a提升的電壓，而電路塊C 11C接收由電壓遞降電路塊10b遞降的電壓。
圖11表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例電源電壓與負(fù)載電壓(即加到負(fù)上的電壓)的關(guān)系，其中橫軸表示電源電壓值而縱坐標(biāo)表示負(fù)載電壓值。
如圖11所示，把漏極電壓的上限值預(yù)置為負(fù)載工作電壓范圍的上限值Vmax。
當(dāng)漏極電壓檢測(cè)塊22檢測(cè)到漏極電壓超過(guò)負(fù)載工作電壓范圍的上限值Vmax時(shí)，就通知漏極過(guò)壓控制塊24漏極電壓處于過(guò)壓狀態(tài)。
對(duì)接收到來(lái)自漏極電壓檢測(cè)塊22的過(guò)壓檢測(cè)作為響應(yīng)，漏極過(guò)壓控制塊24發(fā)出命令到柵極電壓控制塊25來(lái)控制柵極電壓。
對(duì)接收到來(lái)自漏極過(guò)壓控制塊24的柵極電壓控制命令作為響應(yīng)，柵極電壓控制塊25控制P型MOS-FET 21的柵極電壓使漏極電壓遞降到預(yù)置的電壓值。
當(dāng)漏極電壓檢測(cè)塊22檢測(cè)到漏極電壓等于或小于負(fù)載工作電壓范圍的上限值Vmax+VF(由于二極管29被插入到負(fù)載電壓測(cè)量單元和漏極電壓測(cè)量單元之間，二極管29的正向電壓VF對(duì)此有影響)，由于柵極電壓控制塊25對(duì)P型MOS-FET 21的柵極電壓的控制，電源輸出電流的上限值被限制到預(yù)置的漏極電流值IDmax。在這種情況下，電源電壓與漏極電壓逞線性關(guān)系。
當(dāng)漏極電壓檢測(cè)塊22檢測(cè)到漏極電壓低于負(fù)載工作電壓范圍的下限值Vmin+VF(由于二極管29被插入到負(fù)載電壓測(cè)量單元和漏極電壓測(cè)量單元之間，二極管29的正向電壓VF對(duì)此有影響)，比較/判決塊23判定電源電壓不足，并發(fā)出命令到電壓提升電路ON/OFF(通/斷)控制塊27去操縱電壓提升開(kāi)關(guān)控制單元30。電壓提升電路ON/OFF(通/斷)控制塊27向電壓提升開(kāi)關(guān)控制塊31發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電壓提升開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電路，所述電壓提升開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電路由線圈28、二極管29和電壓提升開(kāi)關(guān)控制單元(包括電壓提升開(kāi)關(guān)控制塊31、N型MOS-FET 32和電容電壓檢測(cè)塊33)和電力后援電容器7構(gòu)成。
利用上述電壓提升控制裝置，負(fù)載電壓(即加到負(fù)載上的電壓)繼續(xù)維持在負(fù)載的工作電壓范圍以?xún)?nèi)，直至電源電壓達(dá)到圖11所示的電路工作電壓下限值。
如圖6和圖7所示，與本發(fā)明的第一實(shí)施例類(lèi)似，將適當(dāng)數(shù)目的單元電池相互串聯(lián)組成作為電源的電池組，以便使負(fù)載的工作電壓范圍與考慮到最大的總放電時(shí)間的電壓范圍相匹配。
如圖8所示，與本發(fā)明的第一實(shí)施例類(lèi)似，遇到重負(fù)載(發(fā)射時(shí)段TX)和輕負(fù)載(接收時(shí)段RX)周期性重復(fù)出現(xiàn)的情況，漏極電流的上限IDmax被設(shè)定到小于發(fā)射時(shí)段TX的電流值ILTX，但又大于接收時(shí)段RX的電流值ILRX，基本上等于負(fù)載的平均電流值。電力后援電容器7具有這樣的電容量，使得電力后援電容器7在發(fā)射時(shí)段能夠提供電力而在接收時(shí)段又能完成重新充電。
在本實(shí)施例中，P型MOS-FET被用作與電源串聯(lián)的開(kāi)關(guān)元件，它可以令發(fā)射時(shí)段TX和接收時(shí)段RX的工作都能獲得如第一實(shí)施例一樣的效果。
為了第一實(shí)施例相比較，使用P型MOS-FET進(jìn)行下述符號(hào)上的更換。這就是，集電極電流上限ICmax更換為漏極電流上限IDmax，而供電電流/電壓IE/VE(發(fā)射極)被更換成IS/VS(源極)。
而且，利用在負(fù)載工作電壓范圍的下限值條件下工作的電壓提升控制裝置，使以圖8所示的負(fù)載模式連續(xù)工作時(shí)達(dá)到負(fù)載工作電壓下限值的時(shí)間長(zhǎng)于圖9所示的放電時(shí)間t1。
現(xiàn)在來(lái)參照

本發(fā)明的第三最佳實(shí)施例。圖12是表示本發(fā)明第三最佳實(shí)施例的電路方框圖。在本實(shí)施例中，本發(fā)明的第一實(shí)施例的電源由太陽(yáng)能電池模塊40構(gòu)成。
由于單節(jié)太陽(yáng)能電池的電動(dòng)勢(shì)小到1伏或更小，因此將多節(jié)太陽(yáng)能電池41串聯(lián)以增加總的電壓。以這種方式串聯(lián)的太陽(yáng)能電池41叫做太陽(yáng)能電池模塊40，在本實(shí)施例中，所述太陽(yáng)能電池模塊作為電源。
像本發(fā)明的第一實(shí)施例一樣，這樣確定串聯(lián)的太陽(yáng)能電池41的數(shù)目，使得負(fù)載的工作電壓范圍與太陽(yáng)能電池模塊40的工作點(diǎn)相匹配，以便提高電力產(chǎn)生效率。因而可以像本發(fā)明的第一實(shí)施例那樣獲得高的負(fù)載工作效率。
現(xiàn)在來(lái)參照

本發(fā)明的第四最佳實(shí)施例。圖13是表示本發(fā)明第四最佳實(shí)施例的電路方框圖。在所述實(shí)施例中，本發(fā)明的第一實(shí)施例的電源由燃料電池系統(tǒng)50構(gòu)成。
燃料電池系統(tǒng)是通過(guò)將氫和氧混合而產(chǎn)生電力的系統(tǒng)。在所述系統(tǒng)中，氫、甲醇或其它類(lèi)似材料被用作燃料。
燃料電池系統(tǒng)50包括直流電力變換單元51；燃料電池(電力產(chǎn)生單元)52，它具有氧氣、空氣等的入口；燃料儲(chǔ)罐53具有氫氣、甲醇等的入口。所產(chǎn)生的電力經(jīng)過(guò)直流電力變換單元51的整流和平滑成為穩(wěn)定的直流電。
通過(guò)這樣確定電池的配置(燃料電池52)，使得負(fù)載的工作電壓范圍和燃料電池系統(tǒng)50的工作點(diǎn)相匹配，在這種情況下可以像本發(fā)明的第一實(shí)施例那樣高效地產(chǎn)生電力，負(fù)載能高效率地運(yùn)作。
如上所述，在本發(fā)明的電源電路中，當(dāng)電源的輸出電壓超過(guò)負(fù)載的工作電壓范圍的上限值時(shí)，配置在負(fù)載電源單元的電力后援電容器的充電電壓會(huì)遞降到負(fù)載工作電壓范圍內(nèi)的預(yù)定電壓值。因此，甚至當(dāng)例如電池充滿電，而又沒(méi)有負(fù)載的情況下，電池所產(chǎn)生的電壓暫時(shí)超過(guò)負(fù)載工作電壓范圍的極限值，仍然可以穩(wěn)定地啟動(dòng)負(fù)載的工作。
當(dāng)電源的輸出電壓超過(guò)負(fù)載的工作電壓范圍的上限值時(shí)，通過(guò)電壓遞降控制裝置，將電力后援電容器的充電電壓遞降到負(fù)載工作電壓范圍內(nèi)的預(yù)定電壓值。因此，甚至當(dāng)例如電池充滿電，而又沒(méi)有負(fù)載的情況下，電池產(chǎn)生高電壓超過(guò)了負(fù)載的工作電壓范圍的上限值，仍然可以穩(wěn)定地啟動(dòng)負(fù)載的工作。
另一方面，當(dāng)電源的輸出電壓處于負(fù)載的工作電壓范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)線性電壓控制裝置和由適當(dāng)數(shù)目的單元電池串聯(lián)成的電池組形式的電源(它能產(chǎn)生這樣的負(fù)載工作電壓，使得在電源輸出電壓隨時(shí)間變化的大部分時(shí)間內(nèi)電源輸出電壓處于負(fù)載工作電壓范圍之內(nèi))，將電力后援電容器的充電電壓控制到基本上等于電源的輸出電壓值。因?yàn)闆](méi)有使用電壓變換裝置，所以能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的高效率放電。而且，由于電力后援電容器的充電電壓與電池產(chǎn)生電壓逞線性關(guān)系，故有可能利用它作為監(jiān)視電壓來(lái)監(jiān)視電池的放電狀態(tài)。
在負(fù)載工作所需的功率范圍內(nèi)，電源的輸出電流上限受到預(yù)定的電流值的控制。在負(fù)載的電源單元內(nèi)所配置的雙電荷層電容器的內(nèi)阻小于電源內(nèi)阻，其電容量能夠在負(fù)載電流超過(guò)電源的輸出電流上限值的期間內(nèi)提供電力。在負(fù)載電流超過(guò)電源的輸出電流上限值而導(dǎo)致過(guò)載的情況下，電力后援電容器能夠放電，有可能限制由于電池內(nèi)阻所導(dǎo)致的電壓遞降。就是以這種方式，有可能防止電池不足警告、斷電或由于即使電池仍然有殘留的電量而由于暫時(shí)過(guò)載造成電池產(chǎn)生電壓暫時(shí)低于負(fù)載的工作下限電壓所引起的類(lèi)似情況的發(fā)生。
雖然到目前為止，已經(jīng)結(jié)合上述的最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了說(shuō)明，但是，本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員很容易以各種其它方式來(lái)將本發(fā)明付諸實(shí)踐，而沒(méi)有離開(kāi)本發(fā)明所規(guī)定的范疇。
權(quán)利要求
1.一種使用一次電池、二次電池、太陽(yáng)能電池或燃料電池作為電源的電源電路，所述電源電路包括電壓遞降控制裝置，用于當(dāng)所述電源的輸出電壓超過(guò)負(fù)載工作電壓范圍的上限值時(shí)，將電力后援電容器的充電電壓遞降到負(fù)載工作電壓范圍內(nèi)的預(yù)定電壓值；線性電壓控制裝置，用于當(dāng)所述電源的輸出電壓落在負(fù)載工作電壓范圍內(nèi)時(shí)把所述電力后援電容器的所述充電電壓控制到基本上等于所述電源的輸出電壓；以及電流控制電路6，用于利用負(fù)載工作所需的功率范圍內(nèi)的預(yù)定的電流值，控制所述電源輸出電流的上限值；其中通過(guò)所述電源的充電電流充電的所述后援電容器被配置在所述負(fù)載的電源單元中。
2.如權(quán)利要求1所述的電源電路，其特征在于所述電源是由預(yù)定數(shù)目的單元電池串聯(lián)而成的電池組，所述電池組具有這樣的能力在所述電源的輸出電壓隨時(shí)間變化的大部分時(shí)間內(nèi)，所述電池組的使所述負(fù)載工作的電動(dòng)勢(shì)值落在所述負(fù)載的工作電壓范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的電源電路，其特征在于所述電壓遞降控制裝置檢測(cè)所述電力后援電容器的充電電壓值，并把它遞降到所述負(fù)載工作電壓范圍內(nèi)的預(yù)定的電壓值。
4.如權(quán)利要求1所述的電源電路，其特征在于所述線性電壓控制裝置將與所述電源串聯(lián)的開(kāi)關(guān)裝置接通。
5.如權(quán)利要求1所述的電源電路，其特征在于所述電流控制裝置控制作為與所述電源串聯(lián)的開(kāi)關(guān)裝置的控制輸入信號(hào)的電流或電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的電源電路，其特征在于所述電力后援電容器是雙電荷層類(lèi)型的并且其內(nèi)阻值小于所述電源的內(nèi)阻值。
7.如權(quán)利要求1所述的電源電路，其特征在于所述電力后援電容器是雙電荷層類(lèi)型的并且具有這樣的電容量，使得在負(fù)載電流超過(guò)所述電源輸出電流的上限值期間所述電力后援電容器能夠向所述負(fù)載供電。
全文摘要
一種電源電路，它包括線性電壓控制塊5，用于當(dāng)電池組2形式的電源的輸出電壓超過(guò)負(fù)載工作電壓范圍的上限值時(shí)將電力后援電容器的充電電壓遞降到負(fù)載工作電壓范圍內(nèi)的預(yù)定的電壓值，并且用于在電源的輸出電壓處于負(fù)載的工作電壓范圍時(shí)把電力后援電容器的充電電壓控制到基本上等于電源的輸出電壓；以及電流控制電路6，用于利用負(fù)載工作所需的功率范圍內(nèi)的預(yù)定的電流值，控制電源輸出電流的上限值。
文檔編號(hào)H02M3/155GK1612455SQ200410090198
公開(kāi)日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月28日
發(fā)明者佐佐木浩 申請(qǐng)人:Nec東金株式會(huì)社