專利名稱：用于電感式能量傳遞的電路布置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及一種用于小電氣裝置例如用于電動牙刷或者用于電動剃刮設(shè)備的電感式能量傳遞的電路布置。本公開的
背景技術(shù)：
電池操作的小電氣裝置通常是在外部充電器上充電。將電能從充電器電感式傳遞至裝置的非接觸型充電器尤其是優(yōu)選的。為此，通過包括線圈元件和電容器元件的振蕩器在充電器內(nèi)來產(chǎn)生交變磁場，其中線圈元件同時(shí)形成電感變壓器的初級線圈且變壓器的次級線圈被布置在要充電的裝置內(nèi)。因此，充電器通常被指定為初級側(cè)而要充電的裝置則被指定為次級側(cè)。振蕩器用穩(wěn)定電壓驅(qū)動或者以均勻振幅進(jìn)行振蕩的此類充電器已知于JP 6-M4MA。新式充電器通常具有三種操作狀態(tài)。第一狀態(tài)為次級側(cè)連續(xù)獲取能量的運(yùn)行模式，以例如用于操作裝置或者對安裝在裝置內(nèi)的電池進(jìn)行充電。第二狀態(tài)為裝置沒有位于充電器內(nèi)的簡單待機(jī)模式，因此其未獲取任何能量。第三狀態(tài)是被稱為延長待機(jī)模式的狀態(tài)，其中裝置位于充電器內(nèi)但是僅僅間歇性地需要能量，例如由于(盡管電池被完全充電) 電池必須偶爾再充電以便補(bǔ)償自放電或裝置自身的能量消耗。在后一種所引用的情況下， 充電器應(yīng)根據(jù)需要在簡單的待機(jī)模式和運(yùn)行模式之間來回切換。充電器(初級側(cè))的相應(yīng)的操作狀態(tài)因此由小電氣裝置(次級側(cè))的能量需求來決定。已知的是，在次級側(cè)直接檢測所述次級側(cè)的能量需求以將相應(yīng)的信息傳送至初級側(cè)并因此來調(diào)整振蕩器，這意味著例如據(jù)此調(diào)整在振蕩器中運(yùn)行的晶體管的基極-發(fā)射極電壓。由于需要使用將信息從次級側(cè)傳送至初級側(cè)的傳動裝置，因此該解決方案十分復(fù)雜。 作為另外一種選擇，次級側(cè)的能量需求可通過測量(初級側(cè)處)振蕩器的能量消耗并據(jù)此控制振蕩器來確定。然而，兩種變型均不太適于多個(gè)操作狀態(tài)的設(shè)置，因?yàn)槌潆娖鞯哪芰肯膬H僅受裝置能量消耗的輕微影響，這是因?yàn)樽儔浩鞯某跫墏?cè)和次級側(cè)之間的耦合通常較弱。本公開的目的本公開的目的為指定一種用于從初級側(cè)將能量電感式傳遞至次級側(cè)的電路布置， 所述電路布置可通過簡單方式來確定次級側(cè)在初級側(cè)處的能量需求。如本公開所述的解決方案該目的通過一種用于電感式能量傳遞的電路布置來實(shí)現(xiàn)，所述電路布置具有振蕩器和用于檢測振蕩器的負(fù)載并根據(jù)所檢測的負(fù)載而將電路布置切換至多個(gè)操作狀態(tài)中的一個(gè)(例如待機(jī)模式或運(yùn)行模式)的裝置，其中所述裝置被設(shè)計(jì)成用于評價(jià)振蕩器中的電變量。振蕩器優(yōu)選為科耳波茲振蕩器或哈特利振蕩器并具有本身已知的有源元件。用于檢測振蕩器負(fù)載的裝置評價(jià)振蕩器中的電變量，所述電變量優(yōu)選地為有源元件的端子處的電壓。有源元件為例如優(yōu)選地以共基極運(yùn)行的晶體管。用于檢測振蕩器負(fù)載的裝置優(yōu)選地評價(jià)晶體管的集電極處或基極處的電壓，例如具有預(yù)定極性的半周期振蕩。優(yōu)選地，評價(jià)晶體管的集電極處或基極處負(fù)電壓的振幅或平均值。即，振蕩器振蕩的半波的振幅根據(jù)次級側(cè)的負(fù)載而尤其強(qiáng)烈地變化。振蕩器的負(fù)載(以及因此次級側(cè)的能量需求)因此可利用可在振蕩器中檢測到的電變量在初級側(cè)處來測定。所述裝置將檢測到的負(fù)載與參考值進(jìn)行比較，并且根據(jù)比較的結(jié)果而例如通過啟動可控開關(guān)來調(diào)整電路布置的操作狀態(tài)，利用所述開關(guān)可將電路布置從待機(jī)模式切換成運(yùn)行模式，或從運(yùn)行模式切換至待機(jī)模式。例如，從待機(jī)模式切換成運(yùn)行模式以及從運(yùn)行模式切換至待機(jī)模式，可通過借助可控開關(guān)切換振蕩器的供電電壓來進(jìn)行。例如，如果電路布置具有包括復(fù)合輸入電阻(優(yōu)選地，電容性串聯(lián)電阻器)的電源適配器，則電路布置的有功能量消耗例如可通過借助可控開關(guān)以較小的電阻端接電源適配器的輸出而改變(待機(jī)模式)。干線隨后經(jīng)歷由電容串聯(lián)電阻器限定的實(shí)質(zhì)電容性無功負(fù)載。然而，電源適配器的電容串聯(lián)電阻器也可借助可控開關(guān)來改變，例如通過切換電容串聯(lián)電阻器的電容。然而，振蕩器還可具有可借助可控開關(guān)而改變的阻尼元件，這意味著振蕩器的能量消耗可被改變。在待機(jī)模式中，振蕩器可如此顯著地被阻尼元件衰減以至于所述振蕩器僅僅以小的振幅進(jìn)行振蕩，或者其可被如此強(qiáng)烈地均衡以至于所述振蕩器代表用于電源適配器的較小負(fù)載電阻，并且來自干線的能量消耗由電源適配器的電容串聯(lián)電阻來決定且因此基本上包括無功功率。為了滿足EU 205/32準(zhǔn)則，使電路布置在待機(jī)模式中的能量消耗僅就相對于時(shí)間的平均值而言低于運(yùn)行模式中的能量消耗便足夠。因此，振蕩器在待機(jī)模式中例如可間歇地操作，從而意味著其以較低的振幅間歇地振蕩，且在運(yùn)行模式中通常以較大的振幅以其它方式振蕩。所述電路布置尤其適用于小電氣裝置的電感式充電器，所述小電氣裝置例如電動牙刷、電動剃刮設(shè)備或通訊設(shè)備(便攜式電話機(jī))。附圖概述利用附圖中示出的示例性實(shí)施方案來解釋本公開。電路布置的附加變型也在說明中提及。

圖1用于電感式能量傳遞的電路布置的方框圖；圖2具有哈特利振蕩器的第一電路布置；圖3具有哈特利振蕩器的第二電路布置；圖4具有科耳波茲振蕩器的第一電路布置；圖5具有科耳波茲振蕩器的第二電路布置；圖6具有科耳波茲振蕩器的第三電路布置。附圖詳述圖1的方框圖示出了具有電源適配器N和自激振蕩振蕩器LC的電路布置，所述振蕩器用于產(chǎn)生交變磁場。振蕩器具有線圈，其用于將電能從振蕩器LC(初級側(cè))電感式傳遞至圖中未示出的負(fù)載(次級側(cè))，例如就該目的而言包含可耦合到振蕩器線圈的接收器線圈的小電氣裝置。振蕩器借助具有復(fù)合輸入電阻的電源適配器N而從干線V3獲取電能。 電路布置還具有可控開關(guān)T2和用于檢測振蕩器LC的負(fù)載的裝置Xl，其中裝置Xl控制開關(guān) T2?？赏ㄟ^可控開關(guān)T2來切換電源適配器N的復(fù)合輸入電阻，以便電路布置在待機(jī)模式中比在運(yùn)行模式中消耗更少的來自干線V3的有功功率。例如，可控開關(guān)T2可借助可電啟動或光啟動的繼電器或晶體管來實(shí)現(xiàn)。在圖2所示的電路布置中，電源適配器包括作為電容串聯(lián)電阻器的電容器Cl和具有二極管Dl，D2，D3，D4的整流橋，其與電容器C2 —起從交流電源電壓產(chǎn)生驅(qū)動振蕩器LC 的平滑的直流電壓。電阻器R2與電容器Cl并聯(lián)連接，所述電阻器R2確保電容器Cl在電源適配器已與干線V3斷開之后放電。與電容器Cl的有源電阻相比，電阻器R2為較高電阻， 使得電源適配器的復(fù)合輸入電阻基本上由電容器Cl的電容電阻來限定。如果電路布置應(yīng)被置于待機(jī)模式中，則電容串聯(lián)電阻通過整流橋和晶體管T2及電阻器R22接地。來自干線的電路布置的能量消耗因此從有功功率范圍切換至無功功率范圍，從而實(shí)現(xiàn)了來自干線的有功能量消耗的降低。如果晶體管T2完全導(dǎo)電，則電流基本上受電阻器R22和電容器Cl的限制。如果R22的電阻值為零，則振蕩器與能源完全斷開。干線隨后經(jīng)歷純粹的電容性無功負(fù)載。然而，電阻器R22優(yōu)選地被定制尺寸，以便當(dāng)晶體管T2 導(dǎo)電時(shí)，在電容器C2處設(shè)定仍足以用于振蕩器運(yùn)行的電壓，其中振蕩器隨后仍振蕩但具有減小的振幅。電路布置所包括的振蕩器LC為共基極的哈特利振蕩器，其具有作為有源元件的晶體管Tl。為了檢測由次級側(cè)造成的振蕩器負(fù)載，提供裝置Xl(例如，微控制器)以及二極管D15和由電阻器R16和R17形成的分壓器。將晶體管Tl的基極電壓U_B的負(fù)半波施加在分壓器R16，R17的一端。該電壓U_B通過二極管D15被饋送并且代表振蕩器LC的負(fù)載。 將由微控制器Xl產(chǎn)生的正參考電壓施加在分壓器R16，R17的另一端。將分壓器R16，R17 的中心抽頭處的電壓供給至微控制器XI。晶體管Tl的負(fù)基極電壓U_B借助分壓器R16，R17 被轉(zhuǎn)化至正電壓范圍，以便可通過微控制器Xl將其與參考值進(jìn)行比較。微控制器Xl根據(jù)該比較的結(jié)果來啟動晶體管T2。取代基極電壓的負(fù)半波，也可評價(jià)集電極電壓U_C的負(fù)半波。在晶體管T2導(dǎo)電且電路布置處于待機(jī)模式時(shí)，微控制器Xl還通過具有電阻器 R15、二極管D14和晶體管T5的分壓器而被供以來自電源適配器的能量。一旦其確定次級側(cè)的增加的能量需求，則其將再次停用晶體管T2。微控制器Xl可具有控制程序，其例如根據(jù)預(yù)定的時(shí)序來打開及關(guān)閉晶體管T2。上述電路布置的另一個(gè)實(shí)施方案利用科耳波茲振蕩器替代哈特利振蕩器和/或利用分立電路取代微控制器，以檢測振蕩器的負(fù)載并調(diào)整電源適配器的復(fù)合輸入電阻，如圖4至圖6所示。圖3示出了具有由包含電容串聯(lián)電阻器Cl的電源適配器提供的哈特利振蕩器的電路布置。所謂的復(fù)位IC作為裝置Xl存在以檢測振蕩器的負(fù)載。復(fù)位IC僅僅在其供電電壓超過預(yù)定值時(shí)才在其輸出端Vout輸出高電平。用于使場效應(yīng)晶體管T3開始導(dǎo)電的開關(guān)閾值用復(fù)位IC進(jìn)行設(shè)定。來自電源適配器的供給到振蕩器中的能量通過評價(jià)晶體管Tl 的基極電壓來設(shè)定。為此，晶體管Tl的負(fù)基極電壓通過二極管D15供給至復(fù)位IC。晶體管 Tl的基極通過發(fā)射極電阻器R5和二極管D5與振蕩電路耦合。如果振蕩器的感應(yīng)負(fù)載增加，則晶體管Tl的基極處的電壓將降低。二極管D15僅僅在以下情況時(shí)才允許電流流過電壓U15為負(fù)值，因此在晶體管Tl處的基極電壓為對地負(fù)壓。復(fù)位IC通過二極管D15獲取其供電電壓。布置在二極管D15的地線和陽極之間的電容器C15和C16設(shè)定時(shí)間常數(shù)，基極電壓的改變以該時(shí)間常數(shù)影響來復(fù)位IC。僅僅當(dāng)晶體管Tl的基極電壓的負(fù)半波降至預(yù)定值以下時(shí)，復(fù)位IC才在其輸出端Vout輸出高電平。 場效應(yīng)晶體管T3(就其本身而言，其將晶體管T2切換至導(dǎo)電狀態(tài))以電平Vout啟動。如果Tl的負(fù)基極電壓降至預(yù)定值以下，則電源適配器的輸出通過歐姆電阻器R22短路于較小的電阻。由于電容串聯(lián)電阻器Cl，電源適配器此時(shí)幾乎全部消耗來自干線的無功功率，并且振蕩器LC僅從電源適配器接收極少的電能，直至電容器C15和C16處的電壓已降至復(fù)位IC 的供電電壓再次降至預(yù)定值以下的點(diǎn)為止。因此，在待機(jī)操作中，振蕩器可以小的振幅或大的振幅交替地振蕩。圖4示出了具有由包含電容串聯(lián)電阻器Cl的電源適配器提供的科耳波茲振蕩器的電路布置。用于檢測振蕩器負(fù)載的裝置Xl包括齊納二極管DlO和檢測振蕩器LC中(即晶體管Tl的集電極處)振蕩的負(fù)電壓振幅的二極管D11。在振蕩器的未負(fù)載狀態(tài)下，負(fù)電壓振幅在量值方面為最大的(參考值)。如果振幅小于參考值，這指示較強(qiáng)的衰減，因此指示較高的能量需求。在振蕩器未負(fù)載的情況下，具有齊納二極管DlO和二極管Dll的分支可導(dǎo)電，使得晶體管T4導(dǎo)電。當(dāng)晶體管T3和T5的基極-發(fā)射極電壓在量值方面超過預(yù)定值，則它們同樣可導(dǎo)電。這兩個(gè)晶體管T3和T5控制場效應(yīng)晶體管T2。如果T2導(dǎo)電，則電源適配器的輸出端通過歐姆電阻器R22(其具有預(yù)定的較小值)接地，使得振蕩器LC的供電電壓降低且?guī)缀醪辉購碾娫催m配器獲取任何能量。由于電容串聯(lián)電阻器Cl (與歐姆電阻器R22相比，其具有較高的值)，干線實(shí)際上僅僅負(fù)載無功功率(待機(jī)操作)。晶體管Tl的集電極處的二極管D9阻止在晶體管Tl的相反方向上出現(xiàn)任何可能的返回電流，所述返回電流將由二極管分支D10，Dll來承擔(dān)，從而承載評價(jià)振蕩器LC中的負(fù)電壓振幅的能力。在圖5所示的電路布置中，電源適配器包括其電容部分可根據(jù)振蕩器負(fù)載而改變的復(fù)合輸入電阻。電源適配器包括電容串聯(lián)電阻器和具有二極管Dl，D2，D3，D4的整流橋， 其與電容器C2 —起從交流電源電壓產(chǎn)生驅(qū)動振蕩器的平滑的直流電壓。電容串聯(lián)電阻器具有電容器C7和與電阻器R2并聯(lián)連線的電容器Cl。電阻器R2確保使電容器Cl在電源適配器N已與干線V3斷開之后進(jìn)行放電。電子開關(guān)與電容器C7并聯(lián)連線，所述電子開關(guān)包括兩個(gè)串聯(lián)連接的晶體管M3，M4且為光耦合器的一部分。由電容器Cl和電阻器R2構(gòu)成的并聯(lián)線路與由電容器C7和晶體管M3，M4構(gòu)成的并聯(lián)線路串聯(lián)連線。與電容器Cl的有源電阻相比，電阻器R2為較高電阻。電源適配器N的復(fù)合輸入電阻在電子開關(guān)閉合時(shí)基本上由電容器Cl的電容電阻限定，或者在電子開關(guān)開啟時(shí)由兩個(gè)串聯(lián)連線的電容器Cl和C7的電容電阻限定。如果電路布置應(yīng)被設(shè)定為待機(jī)模式，則電子開關(guān)被開啟，從而意味著光耦合器的二極管D12被停用。由于兩個(gè)串聯(lián)連線的電容器Cl，C7的有源電阻均顯著大于電容器Cl 的有源電阻，因此來自干線的電路布置的有功能量消耗被降低。電源適配器此時(shí)幾乎僅僅消耗無功功率。優(yōu)選地，電容器C1，C7被定制尺寸，以便在待機(jī)模式中仍足以操作振蕩器的電壓在電容器C2處升高，其中該振蕩器僅僅以減小的振幅進(jìn)行振蕩。包括在電路布置中的振蕩器為共基極的科耳波茲振蕩器，所述科耳波茲振蕩器具有作為有源元件的晶體管Tl。為了檢測由次級側(cè)造成的振蕩器負(fù)載，提供了具有兩個(gè)二極管D10，D13、兩個(gè)電阻器R13，R14、一個(gè)電容器C6和一個(gè)開關(guān)晶體管M6的電路。二極管DlO 的陰極與晶體管Tl的集電極連接。晶體管Tl的集電極電壓U_C的負(fù)半波發(fā)生在二極管 DlO的陽極處。該電壓代表振蕩器LC的負(fù)載。取代集電極電壓的負(fù)半波，也可評價(jià)基極電壓U_B的負(fù)半波。二極管DlO的陽極通過電阻器R13與電容器C6的一端和二極管D13的陰極連接。電容器C6的另一端接地。二極管D13的陽極與開關(guān)晶體管M6的控制端子連接并通過電阻器R14接地。開關(guān)晶體管M6的觸點(diǎn)間隙與光耦合器的二極管D12和至少一個(gè)限流電阻器R18串聯(lián)連線。僅僅當(dāng)足夠高的負(fù)壓施加在其控制端子處時(shí)，開關(guān)晶體管M6才被停用。在振蕩器的負(fù)載低時(shí)，足夠高的負(fù)電壓通過二極管DlO和D13及電阻器R13供給到開關(guān)晶體管M6的控制端子，其結(jié)果是光耦合器的二極管D12無效，電子開關(guān)的晶體管M3，M4被停用且復(fù)合輸入電阻呈現(xiàn)較高值。取代光耦合器和電容器C7，上述電路布置的另一個(gè)實(shí)施方案利用與電容器C2并聯(lián)的由晶體管T2和電阻器R22構(gòu)成的串聯(lián)電路(如圖2所示)或振蕩器中可開關(guān)控制的發(fā)射極電阻器(如圖6所示)以改變電源適配器的復(fù)合輸入電阻。圖6示出了具有共基極的科耳波茲振蕩器的另一個(gè)電路布置，所述電路布置被設(shè)計(jì)成用于檢測振蕩器LC中振蕩的負(fù)電壓振幅。如果負(fù)電壓振幅在量值方面超過預(yù)定值(從而在振蕩器LC未負(fù)載的情況下)則具有齊納二極管DlO和二極管Dll的分支變得可導(dǎo)電且晶體管T3可導(dǎo)電。當(dāng)晶體管T4和T5的基極-發(fā)射極電壓在量值方面超過預(yù)定值時(shí)，則它們同樣可導(dǎo)電。這兩個(gè)晶體管T4和T5控制場效應(yīng)晶體管T2，其觸點(diǎn)間隙與發(fā)射極電阻器 R5并聯(lián)連線。如果T2導(dǎo)電，則晶體管Tl的發(fā)射極處的有源電阻Z較低，使得振蕩器LC中的能量供給為最大值。然而，電源適配器的電容串聯(lián)電阻器Cl并非設(shè)計(jì)用于此類高功率， 使得電源適配器的輸出電壓(以及因此電路布置的有功能量消耗)由于電源適配器的輸出此時(shí)端接于較低電阻而降低。如果與由齊納二極管DlO確定的參考值相比，負(fù)電壓振幅在量值方面降低，則這指示較強(qiáng)的衰減，從而指示次級側(cè)的較高能量需求。晶體管T2被停用并且發(fā)射極處的有源電阻Z較高。這為電路布置的操作狀態(tài)，其中振蕩器的能量消耗與電源適配器的電容串聯(lián)電阻器Cl匹配且最大能量被傳遞至次級側(cè)。晶體管Tl的集電極處的二極管D9阻止在晶體管Tl的相反方向上出現(xiàn)任何可能的返回電流，所述返回電流將由二極管分支D10，Dll承擔(dān)，從而承載評價(jià)振蕩器LC中的負(fù)電壓振幅的能力。
權(quán)利要求
1.一種用于電感式能量傳遞的電路布置，所述電路布置具有振蕩器(LC)并具有裝置 (Xl)，所述裝置用于檢測所述振蕩器的負(fù)載并用于根據(jù)檢測到的負(fù)載而將所述電路布置設(shè)定為多個(gè)操作狀態(tài)中的一個(gè)，其中所述裝置(Xl)利用發(fā)生在所述振蕩器(LC)中的電變量 (U_B ；U_C)來確定所述振蕩器(LC)的負(fù)載。
2.如權(quán)利要求1所述的電路布置，其特征在于，所述振蕩器(LC)為科耳波茲振蕩器或哈特利振蕩器并具有有源元件(Tl)。
3.如權(quán)利要求2所述的電路布置，其特征在于，所述裝置(Xl)評價(jià)作為電變量(U_B; U_C)的、所述有源元件(Tl)的端子處的電壓。
4.如權(quán)利要求2或3所述的電路布置，其特征在于，所述有源元件(Tl)為在共基極電路中運(yùn)行的晶體管，且所述電變量(U_B;U_C)為所述晶體管的集電極處或基極處的電壓。
5.如權(quán)利要求4所述的電路布置，其特征在于，所述裝置(Xl)評價(jià)所述晶體管的集電極處或基極處的負(fù)電壓的振幅或平均值。
6.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電路布置，其特征在于，所述裝置(Xl)具有比較所述檢測到的負(fù)載與參考值的比較器。
7.如權(quán)利要求6所述的電路布置，其特征在于，所述比較器通過微控制器來實(shí)現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求6所述的電路布置，其特征在于，所述比較器通過齊納二極管(D10；D13) 來實(shí)現(xiàn)。
9.如權(quán)利要求6所述的電路布置，其特征在于，所述比較器通過復(fù)位IC來實(shí)現(xiàn)。
10.如權(quán)利要求7、8或9所述的電路布置，其特征在于，所述裝置(Xl)根據(jù)比較的結(jié)果而在必要時(shí)啟動可控開關(guān)(T2)，所述可控開關(guān)(T2)將所述電路布置從待機(jī)模式切換至運(yùn)行模式或從運(yùn)行模式切換至待機(jī)模式。
11.如權(quán)利要求10所述的電路布置，其特征在于，所述振蕩器(LC)具有阻尼元件(Z)， 所述阻尼元件的電阻可通過所述可控開關(guān)(T2)來切換。
12.如權(quán)利要求10或11所述的電路布置，其特征在于，所述振蕩器(LC)的供電電壓能夠通過所述可控開關(guān)0 來改變。
13.如權(quán)利要求12所述的電路布置，其特征在于，所述電路布置還具有電源適配器 (N)，所述電源適配器為所述振蕩器(LC)供應(yīng)能量并具有能夠通過所述可控開關(guān)(1 而改變的復(fù)合輸入電阻。
14.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電路布置，其特征在于，在所述振蕩器(LC)的振蕩電路與所述有源元件(Tl)之間提供二極管(D9)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電感式能量傳遞的電路布置，所述電路布置包括振蕩器(LC)和裝置(X1)，所述裝置用于檢測所述振蕩器的負(fù)載并根據(jù)檢測到的負(fù)載而將所述電路布置設(shè)定為多個(gè)操作狀態(tài)中的一個(gè)，其中所述裝置(X1)利用發(fā)生在所述振蕩器(LC)中的電變量(U_B；U_C)來確定所述振蕩器(LC)的負(fù)載。
文檔編號H02J17/00GK102460901SQ201080024953
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者J·C·朗斯多夫, J·萊波爾, P·榮格, T·胡曼 申請人:博朗有限公司