CN1197944A - 由光生伏打电源供电的电装置,特别是钟表 - Google Patents
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Abstract
此自激低功率消耗电装置具有包括单个光生伏电池、电蓄电池(7)和连接在电源(9)和蓄电池之间用于给蓄电池充电的升压器(10,11,TR1,TR3)。该升压器由具有预定频率的脉冲信号控制。在蓄电池完全放电时,为使该装置启动,脉冲信号至少暂时地由振荡器产生,此振荡器能在很低电压即单个光生伏打电池的电压工作。在该装置是钟表时,蓄电池(7)一旦足电量,所述振荡器能够由该钟表的时间保持电路的振荡器(2)代替。
Description
本发明涉及具有电源装置的自激(autonomous)低功率消耗电装置，其电源装置包括由光电转换工作的电源、电蓄电池和连接在该电源和蓄电池之间的升压器。
更确切地说，本发明涉及电子电源，可以是低功耗装置的使用光生伏打电池的电源，低功率消耗装置例如钟表，特别是表或闹钟，袖珍计算器，小型收音机，IR或无线电遥控，无绳电话，GPS接收器等等，及一般带有包括由光生伏打电源保持充电的电力蓄电池的自激电源的任何装置。
通常用于给这些低功率消耗装置供电的光生伏打电源或电池，其每个元件一般提供的电压为0.3V-0.5V，不管它们是半导体型或光化学型。此外，电子电路所要求的供给电压不能小于1V，因此，通常情况下，把几个这样的电池串联连接，以保证该电路所需的电源。
由于审美的原因及空间要求和价格的原因等等(这在钟表技术中是很重要的准则)，已广泛寻求由单个光生伏打电池足以给这样的装置供电的设计方案。
人们都知道，理论上由单个光生伏打电池提供的低电压与用于操作上述类型装置的一般集成电路所要求的电压是不相容的。
为补偿此不相容性，本申请的申请人已经提出(见1991年2月17日的专利申请NO PCT/CH97/00052)了带有一种电路的上述装置，蓄电池可以由该电路从单个光生伏打电池经过升压器充电，而该升压器可以是例如斩波放大器。
此蓄电池可以是市场上常见的任何类型的，例如化学蓄电池，特别是锂离子蓄电池，和电化学电容器，特别指那些通常称为“超大电容器”(SuperCapacitors或Swpercap)。
上述文献中描述的电路，能够保持蓄电池的电量以给电子电路提供足够的电压，同时又能用只提供0.3V-0.5V电压的单个太阳能电池工作。
对于用包括光生伏打电池、蓄电池和升压器的设备供电的装置来说，在其被长时间放在全部黑暗环境下时会出现一个特殊的问题。如果此装置保持在黑暗中工作，例如可以是时钟的情况下，蓄电池的电量只消耗不补充，则该装置将在给定时间停止工作，而蓄电池仅有的剩余电量太低不能提供所需的电压。
然而，如果继续保持在黑暗中一段时间，蓄电池的剩余电量就会由于自身放电而损耗了，蓄电池的电压则为零。
如果使用者随后把该装置拿出暗区，则该电池又能供电，但只能提供其自身最大0.5V的电压。由于主要用于操作该装置及特别是用于控制升压器的元件不能在这样的供给电压工作，则该装置不再能启动，如果不想扔掉，对于蓄电池来说，就必须至少放进工作室并用外部充电装置对其充电。
为克服上述缺陷，前面引证的专利申请提出了防止该装置的能量消耗电路，以使蓄电池总是保持其最小值为其电量的10％-20％之间。用这种方式，如果把该装置拿出暗区，则它就会用保存在蓄电池中的能量很容易地启动，而蓄电池在正常工作过程中又能经过光生伏打电池再次充电。
但是，假设此装置保持放在黑暗中很长时间，蓄电池电量的10％-20％也将由于自身放电完全损失了。只要有片刻时间蓄电池电压低于此装置所限定的工作电压值，则在上面引证的专利文献中描述的解决方案就不能解决关于此装置启动的所有可能问题了。
本发明的一个目的是提供上述类型的电装置，该装置在所有情况下都可以启动，尽管所使用的光生伏打电源提供的电压低于允许该装置完成其功能所需的最小工作电压。
因此本发明涉及带有电源装置的自激低功率消耗电装置，其电源装置包括由光电转换工作的电源、电蓄电池及连接在该电源和蓄电池之间用于给该蓄电池充电的升压器，所述电源提供的电压不足以操作该装置的至少某些主要部件使它完成其功能，所述升压器由具有预定频率的脉冲信号控制，该脉冲信号由连接其上的第一发生器提供，其特征在于，所述第一脉冲信号发生器包括所配置的振荡器，以便能在等于或小于由所述光生伏打电源提供的电压工作。
由于具有这些特征，即使蓄电池完全放电，该装置也能启动，这是因为，一旦该装置被放入光线足够强以使光生伏打电源产生其供给电压的环境中，用于控制升压器的振荡器就会工作。
下面参照附图，通过仅是示例性的以下描述，可以更清楚本发明的其它特点和优点，其中：
唯一附图表示自激低功率消耗电装置实施例，更确切地说，是钟表例如表或闹钟。
根据唯一附图所示实施例，本发明用作钟表PH。应该注意到这仅是本发明申请的一个实施例，而本发明所意欲保护的低功率消耗装置可以是通过光生伏打电池给蓄电池充电的方式自动工作的任何其它装置。
钟表PH以通常方式包括图中一般用方形点划线表示的时间保持电路1。以通常方式，该电路包括最好频率为32768Hz的石英振荡器2，在这里用两分频级3a和3b表示的分频器3，用于给振荡器2分频，直到获得例如1Hz的脉冲信号为止。此脉冲信号用作驱动一组指针6的步进电动机的控制电路4。
钟表PH通过蓄电池7供电，蓄电池7是由例如锂离子蓄电池或大型电容器构成的，特别指钟表制造者称为“超大电容器”(Supercapacitors或supercap)。的元件。该蓄电池7两端的电压用Vaccu表示。
蓄电池7构成一般用标记8表示的电源装置的一部分。该电源装置8还包括由例如单个元件构成的光生伏打电池9，而该单个元件所提供的电压Vcp在0.3V和0.5V之间，最好是0.4V。任何类型的光生伏打电池例如半导体型或光化学型都可以用。
包括串联的电感器10和肖特基二极管11的升压器安装在光生伏打电池9和蓄电池7之间。以有利方式，步进电动机5的线圈可以用作电感器10。
电感器10和肖特基二极管11之间的节点12与第一开关晶体管TR1的源-漏路径相连，该第一开关晶体管TR1使该结点以作用到此晶体管TR1的栅极的控制脉冲信号的频率交替变换到蓄电池7的电压和地。这样工作的结果是，由于存在电感器10，导致节点12的电压远高于电池9的供给电压VCP，这足以给蓄电池7充电。
晶体管TR1的栅极经反相器13与电阻R1和信号成形晶体管TR2的源-漏路径间的节点相连，而电阻R1和晶体管TR2又串联连接在蓄电池7的正极和地之间。晶体管TR2的栅极与时间保持电路1的分频器级3a的输出相连，此分频器级3a在此所述例子中提供频率为8192Hz的信号。
这样，当蓄电池7被充电并提供足量的电压供给时间保持电路1的主要元件时，特别是振荡器2和分频器级3a，开关晶体管TR1以分频器级3a输出信号的频率交替导电和不导电。如果同时把钟表PH暴露于有光环境中，则晶体管TR1的这种交替导电状态能引起由光生伏打电池提供的电压VCP的倍增，以使蓄电池7的电量被补充而保持不变。
根据本发明，充电装置8还包括第二开关晶体管TR3，其源-漏路径平行于晶体管TR1的源-漏路径安装。该晶体管TR3的栅极经反相器14与电阻R2和第二信号成形晶体管TR4间的节点相连，而电阻R2和晶体管TR4又串联连接在电池9(VCP)的正极和地之间。
信号成形晶体管TR4的栅极与辅助振荡器15的输出相连，振荡器15在其输出端18提供频率最好接近或等于出现在分频器级3a输出的控制信号频率的信号。振荡器15的设计应使其能用很低的供给电压工作，即等于或小于由光生伏打电池9提供的电压值。这样的振荡器可以通过适当的方式设计，但是其设计最好是在欧洲共同待审专利申请No.97100261.3中所述那样。应该注意到，为达到本说明书的目的，振荡器15可以是由三个反相器16a，16b，16c安装成环构成的，并包括工作在低反向电场内的MOS晶体管，适于偏置在衬底上构成该MOS晶体管的塔拔斯(tubs)。
应该注意到，在检查前面所述装置时，光生伏打电池9的供给电压的增加可以通过改变晶体管TR1或TR3的导电状态来实现，因为它们都能使节点12交替变换到地和电压Vaccu与二极管11的电压的总和。
根据本发明一个特别重要的方案，所提供的用于允许选择激活开关晶体管TR1和TR3的装置起表示功率消耗装置激活(actiuity)信号的功能，在此情况下，该功率消耗装置是钟表PH的时间保持电路1。在所述实施例中，此激活信号是在分频器级3a的输出端获得的并表示石英振荡器2在工作。但是，应明白，此激活信号能够在时间保持电路中的任何位置获得，例如，在控制电路4的输出端，或者在已适于允许控制开关晶体管TR1和TR3之后。
在所述例子中，如果它们的供给电压足够使构成它们的元件工作，则振荡器2和分频器级3a仅表示激活。一般情况下，此电压等于或大于1V，但不必认为此电压限定本发明。
为适应此激活信号，分频器级3a的输出端与升压器17的输入端相连，此升压器17是由以其设计人Dickson命名的已知电路构成。
升压器17的输出端经电阻R3接地，并与第一选择晶体管TR5和第二选择晶体管TR6的栅极相连，而晶体管TR6与TR5的导电类型相反。在所述例子中，晶体管TR5是N型的，TR6是P型的。
晶体管TR5的漏-源路径连接于地和节点18之间，该节点18与振荡器15的输出端及晶体管TR4的栅极相连。
晶体管TR6的漏-源路连接于晶体管TR2的栅极和蓄电池7的正极之间。
下面说明如此设计的钟表的工作情况。
假设该钟表已放在黑暗中一段时间，而使蓄电池7完全放电，电压Vaccu接近或甚至于等于零。还假设，在这种情况下，使用者希望再次使用此钟表而将其拿出暗区。由于没有给时间保持电路1供电，因此它不能提供激活信号，这是因为振荡器2和分频器级3a不能工作。升压器17在其输出端不提供任何电压以至于晶体管TR6导电，并阻止控制晶体管TR1，并且晶体管TR5不导电。
已阐明电池9以0.3V和0.5V之间的电压值提供能量，在该电压，振荡器15能工作，而且允许其如此工作是由于晶体管TR5的截止。因此，晶体管TR4和TR3以振荡器15的频率被接通。
更确切地说，当晶体管TR3导电时，电感器10存储能量，该能量是在晶体管TR3截止时由电压峰值突然传送的。该电压峰值使蓄电池7在高于电池9的供给电压下充电。晶体管TR4和反相器14一起作为振荡器15和晶体管TR3之间的缓冲器，晶体管TR3比较大且具有足量的输入电容。这样，该蓄电池就能被充电。
一旦蓄电池7充电足够给振荡器2和分频器级3a提供适当的供给电压，则在该分频级的输出端就会出现激活信号。时间保持电路被启动，升压器17提供输出电压。
后者使晶体管TR5导电，振荡器15短路，而后停止工作。相反，TR6不导电并经晶体管TR2和反相器13传送晶体管TR1的控制。这样，晶体管TR1就代替晶体管TR3，而蓄电池7可以在时间保持电路正常工作的时间内继续充电。因此应明白，晶体管TR5和TR6是作为替换控制装置工作的。
一旦振荡器2把激活信号传送给分频器级3a，希望升压器17能实现晶体管TR5和TR6的迅速转换。
注意到，一旦振荡器2检测到足量电压穿过其馈送端并导致出现激活信号，振荡器2就开始工作。这就意味着，两振荡器15和2之间发生的转换与可能存在于不同钟表电路之间的设计差别无关。为使振荡器2工作的Vaccu最小电压值可以由每个电路分别根据其自身元件的数值决定。
根据另外一个没有表示在附图中的实施例，振荡器2和分频器级3a仅用于控制时间保持电路1，而振荡器15用于永久地控制升压器。在这个变更的实施例中，晶体管TR1，TR2，TR5和TR6及反相器13，电阻R1和R3，升压器17都可省去。
Claims (12)
1、具有电源装置(8)的自激低功率消耗电装置，其电源装置包括由光电转换工作的电源(9)、电蓄电池(7)、及连接在该电源(9)和该蓄电池(7)之间用于给所述蓄电池充电的升压器(10，11，TR1，TR3)，所述电源供给足量电压，用于操作该装置的至少某些主要部件，以使其完成其功能，所述升压器由具有预定频率的脉冲信号控制，该信号由连接其上的第一发生器提供，
其特征在于，所述第一脉冲信号发生器包括所配置的振荡器(15)，以便在等于或小于由所述光生伏打电源(9)提供电压(VCP)的电压值工作。
2、如权利要求1的装置，其特征在于，所述振荡器(15)是环形振荡器(9)。
3、如前面任一权利要求的装置，其特征在于，所述升压器包括连接在所述光生伏打电池(9)和串联连接的二极管(11)和所述蓄电池(7)之间的电感器(10)，所述振荡器(15)的输出端(18)与第一开关装置(TR3、TR4)相连，该开关装置能使所述二极管(11)和所述电感器(10)之间的节点(12)交替变换到等于该蓄电池(7)电压(Vaccu)和二极管(11)电压的总和的电压电平和地。
4、如权利要求3的装置，其特征在于，所述第一开关装置包括开关晶体管(TR3)，其源-漏路径连接于地和所述节点(12)之间，其栅极经成形晶体管(TR4)与所述振荡器(15)的输出端相连，以获得由振荡器(15)提供的信号。
5、如权利要求4的装置，其特征在于，在所述开关晶体管(TR3)和所述成形晶体管(TR4)之间连接一反相器(14)。
6、如权利要求3-5中任一权利要求的装置，其特征在于，所述装置的所述主要部件中的一个是由第二脉冲信号发生器装置(2，3a)构成，而且所述装置还包括：
第二开关装置(TR1，TR2)，它能使所述串联连接(7，11)和所述电感器(10)之间的节点(12)交替变换到所述电压电平和地电压电平；
表示该装置执行的所述功能的激活信号发生装置；及
替换控制装置(TR5，TR6)，在所述发生装置产生所述激活信号时，用于连接到所述升压器(10)上，所述第二脉冲信号发生装置(2，3a)代替所述振荡器(15)。
7、如权利要求6的装置，其特征在于，所述第二脉冲信号发生器装置(2，3a)构成所述激活信号发生装置。
8、如权利要求3和5的装置，其特征在于，所述替换控制装置包括能短路所述振荡器(15)的输出的第一控制晶体管(TR5)和在出现激活信号时能导通所述第二开关装置的第二晶体管(TR6)。
9、如权利要求8的装置，其特征在于，所述第二开关装置包括晶体管(TR1)，其源-漏路径连接于地和所述节点(12)之间，其栅极经第二晶体管(TR2)连接以接收激活信号，用于成形该信号。
10、如权利要求9的装置，其特征在于，在所述第二开关装置的的所述开关晶体管(TR1)和所述第二成形晶体管(TR2)之间连接一反相器(13)。
11、如权利要求8到10中任一权利要求的装置，其特征在于，所述第一和第二控制晶体管(TR5，TR6)经升压器(17)与所述激活信号发生装置相连。
12、如权利要求6-11中任一权利要求的装置，其特征在于，它包括时间保持电路(1)，所述第二脉冲信号发生装置由所述时间保持电路的石英振荡器(2)构成，也可以由其分频器(3)的一部分(3a)构成。
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