CN102474127A - 给电气装置供电的方法和电路 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于给电气装置供电的方法和电路。

Description

给电气装置供电的方法和电路

本发明的背景

本发明涉及给电气装置供电的方法和电路，以及使用给电气装置供电的方法和电路的系统、移动装置和供电装置。

发明内容

根据本发明的实施方式，提供了一种用于给电气装置供电的方法。电气装置经由开关耦合到电源。根据该方法，通过将机械运动的能量转换为电能来产生电能。产生的电能被供应给开关以提供电气装置到电源的电气耦合。开关可以是半导体开关，例如晶闸管、MOSFET、IGBT等等，或者是机械开关，例如继电器。电气装置可以是用于对另外的电气装置(例如电池供电的移动装置)进行充电的充电器。充电器和电池供电的装置可以可拆卸地经由插头和相匹配的插口(socket)彼此连接。在该情况下，可以通过将插头插入插口的机械运动来产生激活开关的电能。此外，电气装置可以是用于给另外的装置供应来自电源的电能的供电单元。

在消费电子器件的领域中，特别是在电池供电的移动装置，例如移动电话、移动个人数字助理、诸如MP3之类的移动音频回放装置以及移动计算机的领域中，移动装置经由充电器或者供电单元耦合到电源。充电器或者供电单元在一侧上可拆卸地经由包括插头和相匹配的插口的连接器连接到电池供电的移动装置，并且在另一侧经由另一连接器连接到电源，即所谓的总输电线。这样的消费电子器件的很多用户当将移动电池供电的装置从充电器或者供电单元断开时留下连接到电源的充电器或者供电单元。然而，即使当移动装置或者电池供电的装置到充电器或者供电单元的连接被断开时，充电器或者供电单元仍然消耗来自电源的电能，只要其被电气连接到电源。

因此，根据本发明的实施方式，充电器或者供电单元经由适于将充电器或者供电单元电气耦合到电源或者从电源电气去耦的开关来耦合到电源。可以通过感测移动电池供电的装置从充电器或者供电单元的断开来发起去耦。为了初始化充电器或者供电单元到电源的初始耦合，开关必须被激活，因此利用来自电源的电能对充电器或者供电单元供电。因此，根据本发明的实施方式，通过将机械运动转换为电能来产生电能，并且将该电能提供给开关。在已经对充电器或者供电单元供电之后，然后可以利用来自电源的从充电器或者供电单元获得的电能而将开关保持在激活状态。因此，充电器或者供电单元仅在移动电池供电的装置被连接时消耗电能。

根据本发明的实施方式，将压电元件用于通过使用压电效应从机械运动产生电能。用于压电元件的可能的材料包括例如压电塑料和压电陶瓷。因此，压电元件可以被集成到将像充电器或者供电单元之类的电气装置连接到像移动电池供电的装置之类的另外的电气装置的连接器中。因此，当通过将插头移动到相匹配的插口中来将电气装置与另外的装置连接时，压电元件可以被机械地激活以产生被供应给开关的电能。

根据另一实施方式，将产生的电能与开关电气隔离。这有助于将电气装置的次级侧上的低电压与电气装置的初级侧的高电压分离，以使危险电压远离用户。

根据另一实施方式，在将产生的电能供应到开关之前存储产生的电能。当使用例如压电元件来产生电能时，压电元件可以产生高能电能的短峰。该峰可以短到不能给电气装置供电但是长到足以使电气装置启动，并且因此，可以有利的是，将该电能例如居间地存储在电容器中并且将其在较长时间从电容器提供到开关直到电气装置启动。此外，可以将产生的电能限于预定范围，以避免对于电气装置、另外的电气装置或者用户来说可能危险的电压峰。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种用于给电气装置供电的电路。该电路包括开关、转换器以及控制电路。开关适于将电气装置耦合到电源。转换器适于通过将机械运动的能量转换为电能来产生电能。控制电路被耦合到开关和转换器并且此外适于将产生的电能从转换器供应到开关，其中，开关在接收到产生的电能时提供电气装置到电源的电气耦合。用于从机械运动产生电能的转换器可以是利用压电效应从机械运动产生电能的压电元件。电气装置可以包括充电器，用于对另外的装置或者供电单元进行充电，以给另外的装置供应来自电源的电能。电气装置可以可拆卸地经由包括插头和相匹配的插口的连接器连接到另外的装置。转换器，例如压电元件可以集成到连接器中，使得产生的电能通过将插头被插入插口时的机械运动来产生。

另外的装置可以包括电池供电的装置，其不能够直接连接到电源的高电压，而是需要被提供由诸如充电器或者供电单元之类的电气装置从电源获得的低电压。电池供电的装置可以是移动装置、移动电话、个人数字助理、移动导航系统或者移动计算机。

根据另一实施方式，控制电路进一步连接到电气装置并且被构造为在将机械产生的电能供应到开关之后从电气装置向开关提供电能。因此，即使在机械运动之后转换器不向开关提供进一步的电能时，电气装置到电源的电气耦合也被保持。

根据另一实施方式，控制电路包括变压器，用于将通过转换器产生的电能与开关电气隔离。此外，控制电路可以包括电容器，用于在将产生的电能供应到开关之前存储产生的电能。最后，控制电路可以包括电压限制布置，例如齐纳二极管、击穿二极管、低通滤波器或者电压整流器等等，用于将转换器所产生的电能的电压限制到预定范围。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种系统，该系统包括第一电气装置、第二电气装置、开关、连接器、转换器以及控制电路。诸如充电器或者供电单元的第一电气装置被构造为将来自电源，即所谓的总输电线的电能适配到第二电气装置的电气要求，所述第二电气装置例如为移动装置、电池供电的装置、移动电话、个人数字助理、移动导航系统或移动计算机。开关适于将第一电气装置耦合到电源并且可以包括晶闸管、MOSFET或者IGBT。连接器适于可拆卸地将第一电气装置连接到第二电气装置。连接器包括插头和相匹配的插口。根据优选实施方式，连接器是USB连接器。转换器适于通过将机械运动转换为电能来产生电能。转换器被集成到连接器中，使得产生的电能通过将插头插入到插口中的机械运动来产生。控制电路耦合到开关和转换器。控制电路适于将产生的电能从转换器供应到开关，以使得开关能够提供第一电气装置到电源的电气耦合。

系统可以进一步包括能量供应线，该能量供应线用于从第一电气装置向第二电气装置供应能量。能量供应线可以是多导体线或者线缆，其在线的一端固定地连接到第一电气装置并且在另一端提供例如插头，其中插头与设置在第二电气装置中的插口相匹配。可以通过将插头移动到插口内所产生的产生的电能经由能量供应线从转换器被传输到控制电路。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种移动装置，其包括连接器的第一部分，用于将诸如充电器或者供电单元的电气装置可拆卸地连接到移动装置。电气装置包括连接器的第二部分，该第二部分与移动装置中包括的第一部分相匹配。移动装置还包括转换器，其适于通过将机械运动的能量转换为电能来产生电能。转换器被集成到连接器的第一部分中，使得产生的电能通过在连接器的第一部分连接到连接器的第二部分时，例如，在第一部分插入到第二部分中或者第二部分插入到第一部分中时发生的机械运动来产生。

移动装置可以是电池供电的装置，例如移动电话、个人数字助理、移动导航系统或者移动计算机。

根据本发明的又一实施方式，提供了一种供电装置。该供电装置包括电力转换器、开关、连接器的第一部分、转换器、以及耦合到开关和转换器的控制电路。电力转换器适于将来自电源，即所谓的总输电线的电能转换为可连接到连接器的第一部分的另外的电气装置的电气要求。一般来说，该转换包括具有高压(例如110V或者220V)的电能到具有低压(通常在5-25V的范围内)的电能的转换。然而，电力转换器不限于电压的降低并且也可以提供电压的升高，例如将车辆电源的12V转换为另外的电气装置的电气要求。开关适于将电力转换器耦合到电源并且可以包括半导体开关，例如晶闸管、双向晶闸管、MOSFET或者IGBT。连接器的第一部分可以是插头或者插口，用于可拆卸地将电源供电的装置连接到另外的电气装置，其中另外的电气装置包括连接器的第二部分，例如与第一部分相匹配的插头或者插口。转换器适于通过将机械运动的能量转换为电能来产生电能。转换器被集成到连接器中，使得产生的电能通过在连接器的第一部分和连接器的第二部分连接时的机械运动来产生。适于将从转换器产生的电能供应到开关的控制电路提供电力转换器到电源的电气耦合。

供电装置可以是用于对另外的电气装置进行充电的充电器。用于根据机械运动产生所产生的电能的转换器可以集成在连接器的第一部分中或者可另选地集成在连接器的第二部分中。

尽管结合特定实施方式描述了在上面的概述和下面的详细描述中描述的特定特征，但是将理解的是，描述的实施方式的特征能够彼此组合，除非另有指明。

附图说明

在下文中，将参考附图描述本发明的示例性实施方式。

图1示出了根据本发明实施方式的系统的框图。

图2更详细地示出了根据本发明实施方式的开关的实施方式。

图3示出了根据本发明实施方式的控制电路的实施方式。

图4示出了根据本发明实施方式的系统的另一实施方式。

具体实施方式

在下面，将详细描述本发明的示例性实施方式。将理解的是，仅为了例示本发明的原理的目的而给出下面的描述，并且不在限制意义上理解下面的描述。相反地，本发明的范围仅由所附权利要求来限定，并且意在不受下面的示例性实施方式的限制。

将理解的是，在下面的示例性实施方式的详细描述中，在附图或本文的描述中所示的功能块、装置、部件或者其它物理或者功能单元之间的直接连接或耦合也能够通过间接连接或者耦合来实施。在说明书以及附图中的不同示例中的相同附图标记的使用可以表示类似或者相同的项目。

还将理解的是，本文描述的各种示例性实施方式的特征可以彼此组合，除非另有明确指明。

图1示出了根据本发明的系统100的实施方式。该系统100包括充电器101和移动装置102，如移动电话。充电器101包括初级切换电池充电器(primary switchedbattery charger)103、控制电路104、双向半导体开关106、电流感测电阻器107和充电连接器108。初级切换电池充电器103可经由线109和110连接到提供例如110V或者220V的所谓的总输电线的电源。

在线110中，插入半导体开关106使得当开关106处于断开状态时，初级切换电池充电器103从电源完全电气断开并且没有电流流过线109和110。当半导体开关106处于连接状态时，初级切换电池充电器103经由线109和110连接到电源并且被提供来自电源的能量。

初级切换电池充电器103适于将从电源提供的高电压转换为适于对移动装置102的电池进行充电的低电压。当初级切换电池充电器103在其初级侧经由线109和110连接到电源，初级切换电池充电器103在其次级侧经由线111和112提供低电压。线111和112将初级切换电池充电器103的次级侧与充电连接器108相连接。充电连接器108可以是适配到移动装置102中的对应插口中的插头。

如图1中所示，在线112中，插入串联电阻器R 107，该串联电阻器R 107用作电流感测电阻器，只要电流流过线112和电阻器107，该电流感测电阻器就在线113和114上提供电流感测电压。因此，当移动装置102经由充电连接器108连接到初级切换电池充电器103并且初级切换电池充电器103经由线109和110连接到电源时，在线111和112上将会存在充电电压，并且对应的充电电流将流过线111和112，引起线113和114上的维持电压。

线111和112上的充电电压被分别经由线115和113额外地提供给控制电路104，并且线113和114上的维持电压被额外地提供到控制电路104。只要存在充电电压和维持电压，控制电路104就经由控制电路104和半导体开关106之间的连接116激活半导体开关106以将半导体开关106保持在连接状态。当充电连接器108被从移动装置102移除，即充电连接器108的插头从移动装置102的插口拔出时，流过线111和112的电流停止。因此，线113和114上的维持电压变为零并且控制电路104经由连接116使半导体开关106变为断开状态。因此，没有电流从电源通过线109和110流到电池充电器103并且因此电池充电器103不再消耗来自电源的任何能量。

然而，当充电连接器108重新连接到移动装置102时，充电器101必须被重新供电，以提供用于移动装置102的充电电压。这是通过将机械能转换为电能而产生电能来实现的。通过如图1中的力箭头F所示地将充电连接器108插入到移动装置102的插口内来产生机械能。为了实现这一点，充电连接器108包括压电元件117和弹簧悬锤118。压电元件117例如是压电陶瓷或者压电塑料。压电元件117以与压电气体引燃器类似的方式工作，但是使用低得多的力和低得多的电压。当充电连接器108被插入到移动装置102中时释放弹簧悬锤118。锤118打击压电元件117，因此产生瞬时电压作为线119和120上的启动电压。当充电连接器插头108从移动装置插口102拔出时，弹簧悬锤118的弹簧返回其初始状态。

因此，通过来自弹簧悬锤机构118的冲击激励压电元件117，并将瞬时启动电压提供给控制电路104。该启动电压被从控制电路104经由连接116馈送到半导体开关106。触发半导体开关106所需的能量很低并且由压电元件117提供的能量足以给半导体开关106供电较长时间使得即使在不再存在来自压电元件117的能量时，初级切换电池充电器103能够启动并且能够将充电电压提供到移动装置102并因而能够在线113和114上提供维持电压以经由控制电路104将开关106保持在导通状态。

双向半导体开关106可以由如图1中所示的双向晶闸管构成或者可以由如图2中所示的串联的两个MOSFET构成，或者可以由串联的IGBT(未示出)构成，或者可以由任何其它适当类型的半导体开关构成。

如果需要电气隔离，则变压器122能够用于耦合来自压电元件117的瞬时电压，如图3中所示。来自压电元件117(图1)的瞬时电压或者启动电压被提供到变压器122的第一绕组123。该启动电压在变压器122的第二绕组124中感生出居间地存储在电容器121中并且经由连接116提供到半导体开关116的控制输入或者栅极的电压。电容器121是可选的。当启动电压的瞬时电压的长度太短而不能启动初级切换电池充电器103时，电容器121增加启动电压被提供到半导体开关106的时间。如图3中所示，线113和114上的维持电压也能够与初级切换电池充电器103的初级侧电气隔离。线113和114上提供的维持电压通过到频率转换器126的电压转换为交流(AC)。该交流被提供到变压器122的第三绕组125并且在变压器122的第二绕组124中感生出维持电压。该维持电压经由连接116被提供到半导体开关106，如图1中所示。

图4示出了包括充电器101和移动电话102的系统100的另一实施方式。图1和图4中的类似的附图标记表示类似的部件并且因此省略对已经结合图1描述过的部件的详细描述。

图4中充电器和移动电话102之间的连接通过所谓的USB连接器108实现，并且由于该USB连接器108是标准部件，因此，在该实施方式中，压电元件117和弹簧悬锤机构118没有集成到USB连接器108中，而是集成到移动电话102中。由于标准的USB连接器没有提供用于传输启动电压的额外的端口和线，例如图1中的线119和120，因此来自压电元件117的瞬时电压覆盖在用于对移动电话102的电池进行充电的电压线111和112上。如图4中所示，来自压电元件117的馈送点能够配备有例如齐纳二极管127或者低通滤波器(未示出)的瞬时保护，以确保在线111和112上不输出太高的电压。

如上所述，压电元件117和弹簧悬锤机构118集成在移动电话102中。当USB连接器108插入到移动电话102中从而在锤上提供力F时弹簧悬锤被释放。锤打击压电元件117并且使压电元件117产生经由线111和112提供到变压器122的第一绕组123的瞬时电压。来自压电元件117的瞬时电压在变压器122的第二绕组124中感生出如图1中所示经由连接116提供到半导体开关106的启动电压。当将连接器108从移动电话102拔出时，弹簧悬锤机构118的弹簧返回其初始状态。由于压电元件117的压电材料是纯电容性的(例如，在100pF至1nF的范围内)，因此这将不会影响在线111和112上提供的用于对移动电话102的电池进行充电的正常电压。为了保护初级切换电池充电器103不受压电元件117的瞬时电压的一项，可以将二极管128串联地耦合到线111。

总之，当压电元件117由来自机构118的冲击F激励时，产生瞬时电压作为启动电压。该启动电压被馈送到半导体开关106。因此，不需要用于触发半导体开关106的额外的电压。一旦开关106被触发，则开关106将导通并且初级切换电池充电器103将启动并将电压供应到移动装置或者移动电话102。只要电流流到移动装置或者移动电话102，维持电压将确保半导体开关106将处于导通状态。当移动装置或者移动电话102从充电器101去耦时，维持电压将断电并且开关106将处于非导通状态。在该状态下，不存在电流或者泄漏电流，并且因此，充电器在该状态下不消耗任何能量。

虽然已经在上面描述了示例性实施方式，但是可以在其它实施方式中实施各种修改。例如，半导体开关106可以被直接从压电元件117提供而不使用变压器122。此外，例如，可以以与初级切换电池充电器103不同的方式获得维持电压。

此外，上述实施方式不仅可以用在移动电话中，而且可以用在由经由连接器连接到装置的独立的供电单元或者独立的电池充电器供电的任何其它类型的移动装置或电池供电的装置。还理解的是，上述所有实施方式都被认为包括在如通过所附权利要求限定的本发明中。

Claims (33)

1.一种用于给电气装置供电的方法，其中，所述电气装置经由开关耦合到电源，所述方法包括以下步骤：

-通过将机械运动的能量转换为电能来产生电能，以及

-将产生的电能供应到开关，以提供所述电气装置到所述电源的电气耦合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将压电元件用于通过将机械运动的能量转换为电能来产生电能。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述电气装置能够经由插头和相匹配的插口可拆卸地连接到另外的装置，所述电能通过将所述插头插入到所述插口中的机械运动来产生。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述电气装置包括用于对所述另外的装置进行充电的充电器。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述电气装置包括供电单元，所述供电单元用于给所述另外的装置供应来自所述电源的电能。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述另外的装置包括电池供电的装置。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述电池供电的装置包括选自以下的组的装置，所述组包括移动装置、移动电话、个人数字助理、移动导航系统以及移动计算机。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，所述方法还包括在将所述产生的电能供应到所述开关之后从所述电气装置向所述开关供应电能，以保持所述电气装置到所述电源的电气耦合。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，将所述产生的电能与所述开关电气隔离。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，在将所述产生的电能供应到所述开关之前存储所述产生的电能。

11.根据权利要求1-10中的任一项所述的方法，其中，将所述产生的电能的电压限制到预定范围。

12.一种用于给电气装置供电的电路，所述电路包括：

-开关，其适于将所述电气装置耦合到电源，

-转换器，其适于通过将机械运动的能量转换为电能来产生电能，

-控制电路，其耦合到所述开关和所述转换器，其中所述控制电路适于将所述产生的电能从所述转换器供应到所述开关，以提供所述电气装置到所述电源的电气耦合。

13.根据权利要求12所述的电路，其中，所述转换器包括压电元件，所述压电元件用于通过将所述机械运动的能量转换为电能来产生电能。

14.根据权利要求12或13所述的电路，其中，所述电气装置能够经由包括插头和相匹配的插口的连接器可拆卸地连接到另外的装置，其中所述转换器被集成到所述连接器中，使得所述产生的电能通过将所述插头插入到所述插口中的机械运动来产生。

15.根据权利要求14所述的电路，其中，所述电气装置包括用于对所述另外的装置进行充电的充电器。

16.根据权利要求14所述的电路，其中，所述电气装置包括供电单元，所述供电单元用于给所述另外的装置供应来自所述电源的电能。

17.根据权利要求14所述的电路，其中，所述另外的装置包括电池供电的装置。

18.根据权利要求17所述的电路，其中，所述电池供电的装置包括选自以下的组的装置，所述组包括移动装置、移动电话、个人数字助理、移动导航系统以及移动计算机。

19.根据权利要求12至18中的任一项所述的电路，其中，所述控制电路进一步连接到所述电气装置并且被构造为在将所述产生的电能供应到所述开关之后从所述电气装置向所述开关供应电能，以保持所述电气装置到所述电源的电气耦合。

20.根据权利要求12至19中的任一项所述的电路，其中，所述控制电路还包括变压器，所述变压器用于将所述产生的电能与所述开关电气隔离。

21.根据权利要求12至20中的任一项所述的电路，其中，所述控制电路还包括电容器，所述电容器用于在将所述产生的电能供应到所述开关之前存储所述产生的电能。

22.根据权利要求12至21中的任一项所述的电路，其中，所述控制电路还包括用于将所述产生的电能的电压限制到预定范围的电路结构。

23.一种系统，该系统包括：

-第一电气装置和第二电气装置，所述第一电气装置被构造为将来自电源的电能适配到所述第二电气装置的电气要求，

-开关，其适于将所述第一电气装置耦合到所述电源，

-连接器，其用于可拆卸地将所述第一电气装置连接到所述第二电气装置，所述连接器包括插头和相匹配的插口，

-转换器，其适于通过将机械运动的能量转换为电能来产生电能，所述转换器被集成到所述连接器中，使得所述产生的电能通过将所述插头插入到所述插口中的机械运动来产生，

-控制电路，其耦合到所述开关和所述转换器，其中所述控制电路适于将所述产生的电能从所述转换器供应到所述开关，以提供所述第一电气装置到所述电源的电气耦合。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述第一电气装置包括用于对所述第二电气装置进行充电的充电器。

25.根据权利要求23或24所述的系统，其中，所述第二电气装置包括选自以下的组的电池供电的装置，所述组包括移动装置、移动电话、个人数字助理、移动导航系统以及移动计算机。

26.根据权利要求23至25中的任一项所述的系统，所述系统还包括能量供应线，所述能量供应线用于从所述第一电气装置向所述第二电气装置供应能量，其中所述产生的电能经由所述能量供应线从所述转换器传输到所述控制电路。

27.一种移动装置，该移动装置包括：

-连接器的第一部分，所述第一部分用于可拆卸地将电气装置连接到所述移动装置，所述电气装置包括所述连接器的第二部分，所述第二部分与所述第一部分相匹配，

-转换器，其适于通过将机械运动的能量转换为电能来产生电能，所述转换器被集成到所述连接器的所述第一部分中，使得所述产生的电能通过在所述第一部分和所述第二部分连接时发生的机械运动来产生。

28.根据权利要求27所述的移动装置，其中，所述电气装置包括用于对所述移动装置进行充电的充电器。

29.根据权利要求27所述的移动装置，其中，所述移动装置包括选自以下的组的电池供电的装置，所述组包括移动装置、移动电话、个人数字助理、移动导航系统以及移动计算机。

30.一种供电装置，包括：

-电力转换器，其用于将来自电源的电能适配到电气装置的电气要求，

-开关，其适于将所述电力转换器耦合到所述电源，

-连接器的第一部分，所述第一部分用于可拆卸地将所述供电装置连接到所述电气装置，所述电气装置包括所述连接器的与所述第一部分相匹配的第二部分，

-转换器，其适于通过将机械运动的能量转换为电能来产生电能，所述转换器被集成到所述连接器中，使得所述产生的电能通过在所述第一部分和所述第二部分连接时发生的所述机械运动来产生，

-控制电路，其耦合到所述开关和所述转换器，其中所述控制电路适于将所述产生的电能从所述转换器供应到所述开关，以提供所述电力转换器到所述电源的电气耦合。

31.根据权利要求30所述的供电装置，其中，所述供电装置包括用于对所述电气装置进行充电的充电器。

32.根据权利要求30或权利要求31所述的供电装置，其中，所述转换器被集成在所述连接器的所述第一部分中。

33.根据权利要求30或权利要求31所述的供电装置，其中，所述转换器被集成在所述连接器的所述第二部分中。

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