專利名稱：用于控制耗電器的電路布置與方法
用于控制耗電器的電路布置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制耗電器的一種電路布置和一種方法，所述耗電器例如是橋電路中的由控制電路所控制的電子開關(guān)，利用所述電子開關(guān)來驅(qū)動由電池驅(qū)動的小電器的電動機(jī)。
在DE 10 2005 059 571中說明了此類電路布置。此外，由DE 102 46520 Al公知用于借助橋電路來控制電池驅(qū)動的小電器的振蕩電動機(jī)的一種電路布置和一種方法。如果小電器例如由鋰離子蓄電池驅(qū)動，并且如果橋電路的電子開關(guān)由控制電路要么利用"低"電平要么利用"髙"電平來控制，則在電子開關(guān)切換時，供電電壓劇烈地切斷或者甚至增加得比翻倍更多，因?yàn)殇囯x子蓄電池與其它蓄電池相比具有大的寄生電感，所述大的寄生電感在電流變化時感應(yīng)出相應(yīng)大的反電壓。
本發(fā)明的任務(wù)是說明用于控制耗電器的一種電路布置和一種方法，所述電路布置/所述方法特別地為具有大寄生電感的電壓源的運(yùn)行而設(shè)計(jì)。
依照本發(fā)明地，該任務(wù)通過一種電路布置來解決，所述電路布置具有至少一個電子開關(guān)和一個控制電路，所述控制電路將電子開關(guān)這樣地從不導(dǎo)通狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)和/或反過來，使得流動的電流在時間上的變化是較小的。以這種方式，用于供電的鋰離子蓄電池的較大的寄生電感可以不產(chǎn)生過大的反電壓，從而例如用作控制電路的微控制器可以直接由蓄電池供電，也就是說例如可以取消用于平滑蓄電池電壓的電容器。所述電路布置優(yōu)選地被考慮用于電動牙刷或者電動剃須刀(所述電動牙刷或者電動剃須刀具有振蕩的電動機(jī)或線性電動機(jī)作為驅(qū)動裝置并且由鋰離子蓄電池驅(qū)動)，而且以微小的電路技術(shù)上的花費(fèi)見長。然而，流動的電流在時間上的大的變化不僅可以由于用于供電的鋰離子蓄電池的較大的寄生電感而產(chǎn)生不期望的大的反電壓，而且可以自然地也由于通過所述電路布置所控制的耗電器的電感而產(chǎn)生不期望的大的反電壓。如果耗電器表現(xiàn)為電感性負(fù)載，則根據(jù)本發(fā)明的方法至少在切斷流過耗電器的電流時被應(yīng)用。
在根據(jù)本發(fā)明的用于控制耗電器的方法中，所述控制電路在至少兩步中對一個或多個電子開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)切換到不導(dǎo)通狀態(tài)和/或反過來，例如在控制電路的控制連接端處的電平或者在電子開關(guān)的控制連接端處的電平被從"低"經(jīng)由"開路"切換到"高"或從"高"經(jīng)由
"開路"切換到"低"。根據(jù)本發(fā)明的方法可以在CMOS技術(shù)的控制電路中通過以下方式來實(shí)現(xiàn)，即所述控制電路的控制連接端可以被切換為輸入端("高阻抗")或者被切換為輸出端("低"或"高")
("三態(tài)")，并且為了將電子開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)切換到不導(dǎo)通狀態(tài)和/或反過來，電子開關(guān)的控制連接端被從"低"經(jīng)由"高阻抗"切換到
"高"或者被從"高"經(jīng)由"高阻抗"切換到"低"。優(yōu)選地，所述控制電路只有在電子開關(guān)已改變其狀態(tài)("導(dǎo)通"或"不導(dǎo)通")之后才實(shí)施第二步，也即從"高阻抗"到"高"或"低"的切換。
在根據(jù)本發(fā)明的電路布置中，在所述電路布置中控制電路通過橋電路的四個電子開關(guān)來控制耗電器，并且耗電器被布置在橋電路的橫向支路中，控制電路具有針對四個電子開關(guān)的控制連接端。依照本發(fā)明，針對第一電子開關(guān)的控制連接端通過由第一電容器與第一電阻組成的串聯(lián)電路與針對第四電子開關(guān)的控制連接端相連接，并且針對第三電子開關(guān)的控制連接端通過由第二電容器與第二電阻組成的串聯(lián)電路與針對第二電子開關(guān)的控制連接端相連接。第一電子開關(guān)和第四電子開關(guān)與耗電器的一端相連接，而第二電子開關(guān)和第三電子開關(guān)與耗電器的另一端相連接。
6下面借助用于控制耗電器的根據(jù)本發(fā)明電路布置的實(shí)施例來闡述 本發(fā)明，所述電路布置在唯一的附圖
中被示出。其它的構(gòu)造方案在說 明書中加以描述。
圖中所示的根據(jù)本發(fā)明電路布置包含具有寄生電感L的蓄電池A。 此外，存在橋電路，所述橋電路具有四個晶體管VI、 V2、 V3、 V4， 并且在這些晶體管的橫向支路中布置有電動機(jī)M或者其它的耗電器。 四個晶體管VI、 V2、 V3、 V4是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOS-FET),所述MOS-FET以已知的方式各具有一個保護(hù)二極管。 這些保護(hù)二極管可以由控制電路uC控制，所述控制電路uC為此目的 而具有四個控制連接端，在所述四個控制連接端中每一個都可以呈現(xiàn) 狀態(tài)"高阻抗"(輸入端)或者"低"或"高"(輸出端)("三態(tài)")。 控制電路uC直接由蓄電池A供電。第一晶體管VI和第三晶體管V3 是n溝道MOS-FET，它們的源極連接端與蓄電池A的負(fù)極相連接；第 二晶體管V2和第四晶體管V4是p溝道MOS-FET，它們的源極連接端 與蓄電池A的正極相連接。第一M0S-FETV1和第四MOS-FETV4的 漏極連接端與電動機(jī)M的一端相連接，而第二 MOS-FET V2和第三 MOS-FET V3的漏極連接端與電動機(jī)M的另一端相連接。四個晶體管 VI、 V2、 V3、 V4的柵極連接端各經(jīng)由柵極電阻Rg與控制電路uC的 四個控制連接端中的各一個相連接。柵極電阻Rg用于限制在控制晶體 管時流進(jìn)控制裝置中的總電流。當(dāng)控制電路針對相應(yīng)較高的電流加以 設(shè)計(jì)時，也可以取消所述柵極電阻Rg。每個晶體管的源極連接端經(jīng)由 各上拉/下拉電阻Rp和所配屬的柵極電阻Rg與相應(yīng)的晶體管的柵極連 接端相連接。通過由第一電阻Rl與第一電容器Cl組成的串聯(lián)電路， 針對第一晶體管VI的控制連接端與針對第四晶體管V4的控制連接端 相連接。通過由第二電阻R2和第二電容器C2組成的串聯(lián)電路，針對 第三晶體管V3的控制連接端與針對第二晶體管V2的控制連接端相連 接。
下面描述附圖中所示的電路布置的工作原理。在首先關(guān)注的輸出狀況中，電路布置處于如下的狀態(tài)中，即在所述狀態(tài)中，在針對第四
晶體管V4與第一晶體管V1的控制連接端處為"低"電勢掌控，而在 針對第二晶體管V2和第三晶體管V3的控制連接端處為"高"電勢掌 控。由此，第四晶體管V4和第三晶體管V3導(dǎo)通，相對地，第一晶體 管VI和第二晶體管V2截止，從而電流從蓄電池A經(jīng)由第四晶體管 V4和第三晶體管V3流過電動機(jī)M。此時，電路布置應(yīng)被切換到如下 狀態(tài)，即在所述狀態(tài)中電流以相反的方向流過電動機(jī)M，也就是說， 從蓄電池A經(jīng)由第二晶體管V2和第一晶體管VI流過電動機(jī)M。在下 面闡述該切換，也就是關(guān)斷正在流著的電流并隨后接通反方向的電流。
在上述輸出狀況中，針對第四晶體管V4和第一晶體管V2的控制 連接端為"低"電勢掌控，從而第一電容器C1是放電的。此時，對正 在流著的電流的關(guān)斷由此開始，即控制電路uC在時刻Tl將針對第四 晶體管的控制連接端從"低"切換到"高阻抗"，由此第四晶體管V4 柵極處的電壓跳變到一由Rp/Rl之比所確定的值。由此，這時在電容 器Cl處存在電壓，通過所述電壓給該電容器充電。同時第四晶體管 V4的米勒電容(寄生柵漏電容)被放電。電容器Cl的充電導(dǎo)致第四 晶體管V4的柵極處電壓的進(jìn)一步增加，并由此導(dǎo)致第四晶體管V4的 米勒電容的進(jìn)一步放電。當(dāng)柵源電壓在時刻T2>T1處大約達(dá)到了漏源 電壓時，第四晶體管切換到其切斷狀態(tài)，并且米勒電容降低到較小的 值。第四晶體管V4的柵極處的電壓隨后還進(jìn)一步增加，其中該電壓變 化的時間常數(shù)此時當(dāng)然不再由第四晶體管V4的米勒電容決定，而是主 要由第一電容器Cl的電容以及Rp+Rl之和來決定。在時刻T3〉T2時， 控制電路uC將針對第四晶體管V4的控制連接端從"高阻抗"切換到 "高"，由此第四晶體管V4的切斷被完成。如果第一電容器C1與電 阻Rp和Rg大小適當(dāng)并且與Tl或T2相關(guān)地合適地選擇開關(guān)時刻T3， 則得到第四晶體管的軟切斷，從而流動的電流的時間上的變化很小， 使得蓄電池電壓幾乎不受該電流變化的影響。
第三晶體管V3的切斷可以在時間上平行于第四晶體管V4的切斷地進(jìn)行。然而，優(yōu)選只有當(dāng)僅有微小電流流動或者完全不再有電流流
動時，才切斷第三晶體管V3，也就是與第四晶體管V4的切斷在時間 上錯開地切斷第三晶體管V3。第三晶體管V3的切斷可以按照如上面 借助第四晶體管V4所描述的一樣的方法來進(jìn)行。但是如果僅只有微小 電流流過第三晶體管V3或者完全不再有電流流過第三晶體管V3，則 也可以"硬"切斷該晶體管V3,方法是控制電路uC將所配屬的控制 連接端直接從"高"切換到"低"，而不會由此引起明顯的干擾電壓。 通過切斷第三晶體管V3，第二電容器C2被充電。
然而，特別有利的是，在第四晶體管V4切斷之后，接通第一晶體 管V1，并且第三晶體管V3首先還保持接通，也就是電動機(jī)M通過第 一晶體管VI和第三晶體管V3被短接，如在DE 102 46 520 Al中所描 述的。于是由于電動機(jī)M的電感也在切斷第四晶體管V4之后一直還 流過電動機(jī)M的短路電流被消耗，并且可以不經(jīng)由第一晶體管VI和 第二晶體管V2的保護(hù)二極管流到蓄電池中。以這種方式，改善所述電 路布置的效率，并且防止蓄電池的寄生電感感應(yīng)出干擾電壓。只有當(dāng) 實(shí)際上不再有電流流過電動機(jī)M時，才切斷晶體管V3。此后可以接通 第二晶體管V2，方法是控制電路uC將所配屬的控制連接端從"高" 切換到"低"，從而電流此時可以經(jīng)由第一晶體管VI和第二晶體管 V2以相反的方向流過電動機(jī)M，其中由于電動機(jī)的電感，在接通第二 晶體管V2時，電流在時間上的變化是足夠小的。
在如下的情況下，即在切斷第三晶體管V3和第四晶體管V4之后 才接通第一晶體管VI和第二晶體管V2，以使得電流以相反的方向流 過電動機(jī)，則優(yōu)選地首先接通第一晶體管Vl，然后接通第二晶體管V2， 其中第一晶體管VI也可以被"硬"接通，方法是控制電路uC將所配 屬的控制連接端直接從"低"切換到"高"，而不會由此引起明顯的 干擾電壓。通過接通第一晶體管V1，第一電容器C1被放電。此后， 第二晶體管V2被接通，在耗電器表現(xiàn)為電感性負(fù)載時，第二晶體管 V2的接通同樣可以"硬"地進(jìn)行。如上面已經(jīng)借助流過第四晶體管V4和第三晶體管V3的電流的關(guān) 斷所描述的那樣地關(guān)斷流過電動機(jī)M以及第二晶體管V2和第一晶體 管VI的電流。
因此，按以下方法切斷電子開關(guān)以及必要時接通電子開關(guān)控制 電路對其控制連接端進(jìn)行切換，為了控制電子開關(guān)，可以將連接端切 換為輸入端("高阻抗")或者切換為輸出端("低"或"高")("三 態(tài)")，在第一步中從"低"切換到"高阻抗"，而在第二步中才切 換到"高"，或者在第一步中從"高"切換到"高阻抗"，而在第二 步中才切換到"低"。通過對包含至少一個電阻和一個電容器的電子 開關(guān)的電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)囟ù笮?，而將第一步與第二步之間的時間間隔 調(diào)整得與電子開關(guān)的米勒電容相配，優(yōu)選固定地設(shè)定，其中在上述橋 電路的情況中，所述電路包括電阻Rp、 Rg、 Rl、 R2以及第一電容器 Cl和第二電容器C2。
權(quán)利要求
1. 用于控制耗電器(M)的電路布置，具有橋電路并具有控制電路(uC)，所述橋電路具有四個電子開關(guān)(V1、V2、V3、V4)并且在所述橋電路的橫向支路中布置所述耗電器(M)，所述控制電路(uC)具有針對所述四個電子開關(guān)的控制連接端，其特征在于，針對所述第一電子開關(guān)(V1)的所述控制連接端通過由第一電容器(C1)和第一電阻(R1)組成的串聯(lián)電路與針對所述第四電子開關(guān)(V4)的所述控制連接端相連接，而針對所述第三電子開關(guān)(V3)的所述控制連接端通過由第二電容器(C2)和第二電阻(R2)組成的串聯(lián)電路與針對所述第二電子開關(guān)(V2)的所述控制連接端相連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的電路布置， 其特征在于，所述電子開關(guān)(Vl、 V2、 V3、 V4)由晶體管組成，優(yōu)選由MOS 功率晶體管組成。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的電路布置， 其特征在于，所述控制電路(uC)由微控制器組成，優(yōu)選由CMOS技術(shù)的微控制器組成。
4. 如上述權(quán)利要求之一所述的電路布置， 其特征在于，所述控制電路(uC)的所述控制連接端能夠被切換為輸入端("高 阻抗")或者被切換為輸出端("低"或"高")("三態(tài)")。
5. 如上述權(quán)利要求之一所述的電路布置， 其特征在于，所述控制電路(UC)的每個控制連接端經(jīng)由柵極電阻(Rg)與所 配屬的所述電子開關(guān)的所述控制連接端相連接。
6. 如權(quán)利要求2至5之一所述的電路布置，其特征在于，所述控制電路(uC)的每個控制連接端經(jīng)由上拉或下拉電阻(Rp)與所配屬的所述電子開關(guān)的源極連接端相連接。
7. 小電器，具有如上述權(quán)利要求之一所述的電路布置。
8. 用于借助控制電路對電子開關(guān)進(jìn)行切換的方法，所述控制電路 具有用于控制所述電子開關(guān)的控制連接端，所述控制連接端能夠被切 換為輸入端("高阻抗")或者被切換為輸出端("低"或"高")("三態(tài)")， 其特征在于，為了將電子開關(guān)(Vl、 V2、 V3、 V4)從導(dǎo)通狀態(tài)切換到不導(dǎo)通 狀態(tài)和/或反過來進(jìn)行切換，所述控制電路依次地實(shí)施兩個步驟，也即 將所述控制電路(uC)的所配屬的所述控制連接端首先從"低"切換 到"高阻抗"然后切換到"高"，或者首先從"高"切換到"高阻抗" 然后切換到"低"。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法， 其特征在于，所述控制電路只有在所述電子開關(guān)(Vl、 V2、 V3、 V4)已改變 其狀態(tài)("導(dǎo)通"或"不導(dǎo)通")之后才實(shí)施第二步驟，也即從"高 阻抗"切換到"高"或"低"。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的方法， 其特征在于，通過對所述電子開關(guān)(Vl、 V2、 V3、 V4)的包含至少一個電阻(Rl、 R2、 Rp)和一個電容(Cl、 C2)的電路適當(dāng)?shù)囟ù笮。鴮⒌?一步驟與第二步驟之間的時間間隔調(diào)節(jié)得與所述電子開關(guān)(Vl、 V2、 V3、 V4)的米勒電容相配。
11. 如權(quán)利要求8至IO之一所述的方法， 其特征在于，構(gòu)成橋電路的多個電子開關(guān)(Vl、 V2、 V3、 V4)被切換。
12. 具有至少一個電子開關(guān)(Vl、 V2、 V3、 V4)的小電器，所述 電子開關(guān)(Vl、 V2、 V3、 V4)按照如權(quán)利要求8至ll之一所述的方 法被切換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制耗電器(M)的、帶有橋電路和控制電路(uC)的電路布置，所述橋電路具有四個電子開關(guān)(V1、V2、V3、V4)并且在所述橋電路的橫向支路中布置有耗電器(M)，所述控制電路(uC)具有針對四個電子開關(guān)的控制連接端。針對第一電子開關(guān)(V1)的控制連接端通過由第一電容器(C1)和第一電阻(R1)組成的串聯(lián)電路與針對第四電子開關(guān)(V4)的控制連接端相連接，并且針對第三電子開關(guān)(V3)的控制連接端通過由第二電容器(C2)和第二電阻(R2)組成的串聯(lián)電路與針對第二電子開關(guān)(V2)的控制連接端相連接。本發(fā)明還涉及一種用于借助控制電路(uC)來切換電子開關(guān)的方法，所述控制電路(uC)具有用于控制電子開關(guān)的控制連接端，所述控制連接端可以被切換為輸入端(“高阻抗”)或者被切換為輸出端(“低”或“高”)(“三態(tài)”)。電子開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)到不導(dǎo)通狀態(tài)的切換或者反過來的過程在兩步中進(jìn)行，即方法是將控制連接端從“低”經(jīng)由“高阻抗”切換到“高”，或者從“高”經(jīng)由“高阻抗”切換到“低”。
文檔編號H03K17/16GK101479939SQ200780023612
公開日2009年7月8日 申請日期2007年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者托斯滕·克萊姆, 英戈·費(fèi)特爾 申請人:布勞恩股份有限公司