CN1114845C - 特别供钟表使用的光电电源的电压斩波放大器 - Google Patents

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Abstract

在该电压提升器中，在光电电源(1)两端的电压被调节作为基准电压(Vref)的函数，该基准电压实质上等于该源的电压功率曲线最大值对应的电压，在基准发生器(9)内产生的基准电压和源(1)的电压(Vsc)加以比较，其结果被采样和影响施加到开关晶体管(7)的控制信号(Fc)的占空度。该后者是通过电感线圈(4)和二极管(5)从源流向负载(储能器6)的电流斩波负责的。

Description

特别供钟表使用的光电 电源的电压斩波放大器
技术领域
本发明是关于光电转换操作的电源的电压提升器。
更具体而言，本发明涉及按照光电电源提供给它负载的电流的周期性斩波的原理操作的电压提升器。
背景技术
连接到光电电源或光电池的这类型的电压提升器特别适合于确保小能量消耗装置例如钟表，特别是手表，或闹钟，小型运算器，小型收音机，红外线或无线电遥控，无绳电话，GPS接收机等等的电能供应。这些小型功能装置具有自备的电源供应和包括电储能器作为保持从光电电源充电的电池负载。这个发明可能应用的列表已经给出了但显然绝不限制于此。
确保这些低功率消耗装置的电源供给的当前使用的光电电源或光电池典型地每一元件提供0.3至0.6V，不管它们是半导体或光化学型。然而，电路需要不能低于1V的供给电压，所以几个这样的电池通常串联在一起以确保提供这样的电压。
由于美学原因，空间原因，价格等等(这些标准在微型钟表制造技术是关键的)，通常寻求的设计方案，其中单个光电池是可以确保该装置的电源供给。
这可以看出，可由单个光电池提供的低电压和为操作上述类型装置所需的流行的集成电路所需的电压之间存在着理论上的不兼容性。
德国专利申请号DOS 2 900 622中已经提出了克服该不兼容性的解决方案，它公开了能够转换由电池提供的电压为施加到负载的电压的电压斩波放大器，在这种情况下，它企图对储能器进行充电。
为此目的，电池通过串联的电感线圈和阻塞二极管连接到它的负载，在这两个元件之间的节点通过开关晶体管周期地接地，使得电感线圈能交替地存储和释放磁能以供给电源到它的负载。
为了增加转换输出，前述专利文件提出了调节斩波率，或换言之开关晶体管的连续导通和阻断期间，或这晶体管的控制信号的占空度。这样的调节是由单稳触发器完成的，它的时间常数作为照射电池的光量的函数变化。这样电路也可以被考虑为负载变动是环境亮度函数的太阳能电池。
在publication Elektronik 2087，39(1990)，27 April，No9，Munich，DE的文章中可知类似的电路。晶体管的开关点可以由手控电位器调节，依照文章作者的推荐，该电位器对于最大照明(全日光)必须被调节到标准值。
然而，关于这类型光电池的本专利申请的申请人所做的测试表明，对于给定亮度照射电池，对于跨越电池两端的相对好的确定值而获得最佳输出功率值。图1的附加图示出了，其中横跨电池的电压U以伏为单位引入横标，另一方面输出功率P以μW作为函数(功率曲线A和B)，另一方面运载电流I以μA为函数(电流曲线C)。用照度1000lux(勒克司)(曲线A和C)和照度2000lux(曲线B)分别决定两功率曲线。
问题中的图以示例的方式描述了TiO2太阳能电池的性能，输出功率是最大的电压值是在0.5伏左右，随着照度在相对有限范围内增加，该值略偏向图的右边。已经注意到，其它类型的太阳能电池有类似的图，对给定输出功率的最适当的标准电压值可以因电池的类型不同而变化。
发明内容
本发明的目标是提供以前指明类型的电压提升器，其中优点从这些发现中得出，使得该电压提升器以最好的接近总是实际上提供最大的功率到它的负载，而无论太阳能电池暴露在怎样的照度下。
本发明涉及由光电池提供低电压的电压提升器，被安排为将电压施加到负载，所说的电压提升器包括在所说电池和所说负载之间串联连接的电感线圈和阻塞二极管，在所说电感线圈和所说二极管之间的节点通过开关半导体元件连接到所说电池和所说负载之间的公共节点，所说电压提升器还包括调节装置以施加脉冲控制信号到所说的开关半导体元件，所述开关半导体元件的占空度是可调节的，其特征在于，所说的调节装置是安排为使得跨在所说电池两端的电压实质上等于实际上对应所说电池电压-功率特性曲线上的最大值的预定的电压，以调节占空度；其中所说调节装置包括：用以比较所说基准电压和跨在所说电池两端的电压的比较器，和一个用以依照所说基准电压是小于或大于跨在所说电池两端的电压，来产生可以改变所说占空度值的所说控制信号的电路。
其中所说预定的电压约为0.5V。或者所说预定的电压等于两个太阳能电池的电压，约为1伏。
所述电压提升器还包括基准电压源，用以提供等于所说预定电压的所说基准电压，所述基准电压源连接在所说负载的两端和从所说负载两端的电压产生基准电压。
所说的调节装置也包括用于采样所说比较器的输出信号，从而影响所说占空度的周期调节的装置。所说的调节装置包括连接到采样装置上并且其内容作为所说比较器影响的比较结果的函数变化的可逆计数器，和产生大量不同频率的脉冲信号的装置，以及用于连接到所说可逆计数器的输出端和所说产生器装置的输出端和能够建立所说占空度作为所说可逆计数器的内容的函数的组合逻辑。
本发明的另一个方面提供了包含前面所述的电压提升器的钟表。
通过下面的描述，参照附图仅以示例的方式给出，发明的其它特点和优点将更加明显。
附图说明
图1是描述供依本发明提升器使用的光电池性能的图；
图2是依本发明电压提升器的简化的图；
图3示出图2的电压提升器使用的占空度变化块的实施例的实例；
图4示出了呈现在依本发明的电压提升器内呈现的几个波形。
具体实施方式
图2示出了依本发明在这里以示例的方式例如在钟表中使用的电压提升器的优选的示例。
它包括了例如由单个元件形成的光电池或太阳能电池1，它例如提供0.5伏的标准电压Vsc。它可以是任何半导体或光化学类型光电池，例如TiO2电池。提供它跨越地电极2和正极3的电压Vsc。电感线圈4和二极管5例如肖特基二极管串联连接在端点3和储能器6的正极，储能器的负极连接到地端2。
储能器6可以是目前市场可获得的任何类型，例如化学储能器，最好是锂离子储能器和电化学电容，特别是通常用术语“超级容量”或“超级量”标示的那些。
值得注意的是，然而，本发明可以应用到其它方面，其中由一个或多于一个需要由电池1提供功率的其它元件形成负载。
开关晶体管7的源漏路径连接在一方面由电感线圈4和二极管5形成的节点7和另一方面地2之间。
基准电压块9连接在储能器6的正极(端10)和地2之间。该基准电压块提供电压Vref，它被校准到在端点3的电池的输出电压的最佳电压值Vopt(图1)。在描述的实例中，这里电池1最好是TiO2型电化学电池，该电压被校准为0.5V，如图1的图所示。
正如以前已经指出的，描述的本发明应用到钟表，它的主要元件如图2所示。这样，该钟表包括提供大约32KHz频率脉冲信号的石英振荡器11(精确值典型应为32768Hz)。该振荡器连接到分频器12，它的最后输出12a提供1Hz频率的脉冲。这些脉冲提供给驱动指针15的步进电机14的控制电路13。
电压Vsc和电压Vref在比较器16内加以比较，它们的输入端分别连接到端点3和基准电压块9的输出端。该比较器16的输出连接到电路17，它产生晶体管7的控制信号，它的输出18为此目的连接到晶体管7的栅极。
晶体管7的控制信号产生电路17包括由两个与门20和21和反相器22形成的采样块19。更精确而言，比较器16的输出连接到与门20的两个输入的一个20a，和通过反相器22连到与门21的两个输入的一个21a。这些门20和21的另一个输入20b和21b共同连接到分频器12的输出12a，它们接收它的1Hz的信号。以这样的方式，比较器16的输出以每秒一个比较信号的节律被采样，该值明显仅由示例方式加以选取的。
与门20和21的输出20C和21C分别连接可逆计数器23的加计数输入23a和减计数输入23b。这后者计数器包括通过从0至7的二进制数字指示它内容的三个输出Q0，Q1和Q2。然而，在这个例子中，仅仅前6个值被使用，即位置“7”被阻断。
发生器电路17也包括分别连接到可逆计数器23的输出Q0，Q1和Q2的第一个输入24a，24b和24c的组合逻辑24，和分别连接振荡器11的输出和分频器12的两个附加输出12b和12c的第二输入24d，24e和24f。这些输出分别提供近似8KHz和16KHz的脉冲。组合逻辑24具有输出24g，在此它呈现在晶体管7栅极的控制信号Fc。
组合逻辑24的图呈现在图3中。由此可以看出，在所示的实施例中，它包括三个或门25，26，27，它们的输出施加到与门28的各自输入端。这后者的输出连接到“RNSFF”(复位-非-置位双稳)型双稳触发器29的置位输入S。该双稳具有复位输入R，分频器12的输出12b来的信号施加到R端，它具有的频率为8Khz。
或门25，26和27的每一个输入分别连接到组合逻辑24的一个输入24a，24b，24c和这样接收分别称为i24a，i24b和i24c的信号，它们一块表示的值能在0到6之间变化和被称为i。该值i在可逆计数器23中具体化。
或门25，26和27的另一个输入分别连到后者的输入24d，24e和24f和分别接收被指定为E32k，E16k和E8k的具有频率为32，16和8KHz的信号。
继而，通过指定与门输出28为EQ，下述的逻辑等式可以做出：
EQ＝(E8K+i24c)*(E16k+i24b)*(E32k+i24a)
双稳态电路29传送与门28的输出EQ，以产生到晶体管7的栅极的控制信号Fc，应当理解，在施加到双稳输入S的信号的上升沿，输出Fc传送“1”，和在施加到输入R的信号的后沿，输出Fc传送“0”。
组合逻辑24操作涉及的各种波形如图4所示。
结果是，晶体管7控制信号Fc的占空度，因此，电流从太阳能电池流向负载6，以下述方式变化。如果Vsc＞Vref，每秒可逆计数器21加1，如果Vsc＜Vref，则减1。计数器内容变化导致以给定占空度选取作为组合逻辑24介入的逻辑信号组合的函数。
下表可以勾画出占空度：
                            表
计数器内容   全部间隔   空间隔    全部间隔    空间隔23             (us)      (us)       ％         ％i＝6         106.2       15.3      87.5       12.5i＝5         91.6        30.5      75.0       25.0i＝4         76.3        45.8      62.5       37.5i＝3         61.0        61.0      50         50i＝2         45.8        76.3      37.5       62.5i＝1         30.5        91.6      25.0       75.0i＝0         15.3        106.8     12.5       87.5
当Vsc接近基准电压Vref时，该系统本身是稳定的，即每秒它将试图建立最佳占空度，以提供在最好可能输出状况下所做的电压转换。
值得注意的是，本发明提供了操作全数字化的电压提升器。它的使用在由石英驱动的钟表的数字化电路中的优点十分突出。
通过增加附加的级到可逆计数器和通过适配的组合逻辑增加了占空度的解决方案。
值得注意的是，不同的块9，11，12，13，14，16和17(见图2)可以应用储能器6。
值得注意的是，以前描述的各种功能可以通过其它的数字电路加以完成，特别是考虑到组合逻辑，其它的频率值和其它的基准电压值Vref，对于使用的每一种类型的太阳能电池，该后者不得不被作为最好的选取。

Claims (7)

1、由光电池(1)提供低电压的电压提升器，被安排为将电压施加到负载(6)，所说的电压提升器包括在所说电池(1)和所说负载(6)之间串联连接的电感线圈(4)和阻塞二极管(5)，在所说电感线圈(4)和所说二极管(5)之间的节点(8)通过开关半导体元件(7)连接到所说电池(1)和所说负载(6)之间的公共节点(2)，所说电压提升器还包括调节装置(11，12，16，17)以施加脉冲控制信号(Fc)到所说的开关半导体元件(7)，所述开关半导体元件的占空度是可调节的，
其特征在于，所说的调节装置(11，12，16，17)是安排为使得跨在所说电池(1)两端(2，3)的电压(Vsc)实质上等于实际上对应所说电池(1)电压一功率(A，B)特性曲线上的最大值的预定的电压(Vopt)，以调节占空度；
其中所说调节装置(11，12，16，17)包括：用以比较所说基准电压(Vref)和跨在所说电池两端(2，3)的电压的比较器(16)，和一个电路(17)，所述电路(17)用以依照所说基准电压(Vref)是小于或大于跨在所说电池(1)两端(2，3)的电压(Vsc)来产生可以改变所说占空度值的所说控制信号(Fc)。
2、权利要求1的电压提升器，其特征是：所说预定的电压(Vopt)为0.5V。
3、权利要求1的电压提升器，其特征是：所说预定的电压(Vopt)等于两个太阳能电池的电压，为1伏。
4、权利要求1、2或3的电压提升器，其特征是：它包括基准电压源(9)，用以提供等于所说预定电压(Vopt)的所说基准电压(Vref)，所述基准电压源(9)连接在所说负载(6)的两端和从所说负载两端的电压产生基准电压(Vref)。
5、权利要求1的电压提升器，其特征是：所说的调节装置也包括用于采样所说比较器的输出信号从而影响所说占空度的周期调节的装置(11，12，19)。
6、权利要求5的电压提升器，其特征是：所说的调节装置包括连接到采样装置上并且其内容作为所说比较器影响的比较结果的函数变化的可逆计数器(23)，和产生大量不同频率的脉冲信号的装置(11，12)，和用于连接到所说可逆计数器(23)的输出端和所说产生器装置(11，12)的输出端和能够建立所说占空度作为所说可逆计数器(23)的内容的函数的组合逻辑(24)。
7、一种钟表，包括前面权利要求任何一个的电压提升器。
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