CN209084112U - 用近寿命终点的电池为电路供电的系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了使用处于(或接近)其功能寿命终点的电池为螺线管电路和其他电路供电的系统。该螺线管由电感器供电，该电感器经二极管供应电容器，该螺线管由开关控制以升高电容器的电压。该升压允许使用已消耗值1.1VDC或以下的1.5V电池。

Description

用近寿命终点的电池为电路供电的系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年3月1日提交的题为“使用接近寿命终点电池为电路供电的系统和方法”的美国临时专利申请序列号62/301,657的优先权和权益，以及也题为“使用接近寿命终点电池为电路供电的系统和方法”并于2017年2月28日提交的美国临时专利申请序列号62/464,881的优先权和权益，其全部内容以引用的方式结合于此。
技术领域
本申请一般涉及电池供电的电路领域，更具体地说，涉及用近寿命终点的电池为电路供电的系统。
背景技术
典型的碱性电池以几种常见形式出售，例如AA电池和AAA电池。这些电池在全新时具有约1.5VDC的标称电压并且具有约0.9VDC的电池近寿命终点电压(也称为“截止电压”)，电池制造商和电路设计者认识到，低于该电压，由电池提供的电压减小到基本上所有来自电池的可用能量已经被输送的点(并且低于该电压电池可能发生泄漏)。一些碱性电池的寿命终点电压为0.8VDC，例如ENERGIZER牌E91AA锌-二氧化锰(Zn/MnO2)电池。当供电的1.5VDC碱性电池接近0.9VDC或0.8VDC 的寿命终点电压时，许多设备将无法工作，因为这些耗尽的电池或接近耗尽的电池缺乏足够的电流容量来为这些设备供电。典型的锂电池以几种常见的圆柱形状出售，例如AA电池和AAA电池。这些电池在全新时具有约1.5VDC的标称电压(例如，对于锂/二硫化铁(Li/FeS2)圆柱形锂AA 电池约为1.7VDC)并且具有约为0.8VDC的电池寿命终点电压(也称为“截止电压“)，例如L91电池。当供电的1.5VDC锂电池接近其0.8VDC 的寿命终点电压时，许多设备将无法工作，因为这些耗尽的电池或几乎耗尽的电池缺乏足够的电流容量来为这些设备供电。因此，许多设备具有设计成当其每个电池的开路电压处于约1.2VDC时停止工作并且给出电池耗尽指示的电路(或者电池具有在约相同的“第一削减(first cut)”水平处指示开路电压的负载电压。
实用新型内容
本申请公开了用处于或接近其功能寿命终点的电池为螺线管电路和其他电路供电的系统。在一些示例性的实施例中，电路被配置为：在被认为“几乎耗尽”的三个或四个碱性或锂AA或AAA干电池上运行时能够驱动螺线管电路。如本文中使用的，“几乎耗尽的”电池(与本文中的“近寿命终点电池”同义)是具有比其寿命终点电压高但不超过10％(或高于一些其他寿命终点参数的10％，例如高于其寿命终点毫安小时额定值的10％)的开路电压的电池，例如，对于具有0.8VDC寿命终点开路电压的碱性电池而言，为0.81至0.88VDC。在一些示例性的实施例中，电路被配置为：在被认为处于寿命终点参数(即“耗尽的”)或甚至在寿命终点参数以下的三个或四个碱性或锂AA或AAA干电池上运行时能够驱动螺线管电路。如本文中使用的，“耗尽的”电池是处于其寿命终点开路电压或低于其寿命终点开路电压的电池，例如，对于使用当前技术的许多1.5 VDC碱性电池而言，为小于或等于0.9VDC或0.8VDC，而对于使用当前技术的许多1.5VDC锂电池，为0.8VDC(或在一些其他寿命终点参数，例如处于其寿命终点毫安小时额定值)。
本公开的一个示例性实施例涉及一种从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路。该电路包括：至少一个与螺线管电通信的电容器；至少具有第一状态和第二状态的电控开关；电感器，当开关处于第一状态时，从电池接收电能，并且当开关处于第二状态时，通过二极管将能量释放到电容器中；第一控制单元，被配置为可控地使开关在其第一状态和第二状态之间改变，以利用来自电池的电能可控地将电容器充电至约15-40伏特的DC电压，在对电容器充电的同时第一控制单元控制开关从电池获取约 15mA至100mA；和第二控制单元，被配置为可控地将存储在电容器中的能量释放到螺线管以改变阀状态。
附图说明
图1为示例性电子电池电路的示意性框图。
图2为另一种示例性电子电池电路的示意性框图。
图3-5示出了来自图2(和图6-7)的电路的实施方式的波形。
图6为又一示例性电子电池电路的示意性框图。
图7A-7B是又一示例性电子电池电路的示意性框图。
图8A-8B示出了图7A-7B的电路的实施方式的各种视图。
图9示出了当螺线管打开和闭合三次时螺线管电流随时间的几个曲线图。
图10是示出用于产生与螺线管电流成比例的信号的示例性电路的示意图。
图11示出了来自图2(和图6-7)的电路的实施方式的波形。
图12是TEXAS INSTRUMENTS品牌TPS61160ADRVR的原理框图，其用于若干实施例中。
具体实施方式
该详细的说明描述了本实用新型的示例性实施例，并且不旨在以任何方式限制权利要求书的范围。实际上，所要求保护的发明创造比示例性实施例更宽泛，并且权利要求书中使用的术语具有其完全普通的含义，除非在此明确地提供限制性定义。
现在参考图1，示出了从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的示例性电池电路10的框图。示例性电池电路10包括：与螺线管S电通信的至少一个电容器C；至少具有第一状态和第二状态的电控开关SW；当开关SW处于第一状态时从电池Vbatt(例如多个碱性或锂干电池)接收电能并且当开关SW处于第二状态时经由二极管D将能量释放到电容器C中的电感器L。电池如图1所示，尽管未在其他图中示出，但应理解，所有电路中的Vbatt由一个或多个电池提供。在示例性实施例中，所述一个或多个电池经由电线和电池连接器连接到电路。第一控制单元12被配置用于可控地使开关SW在其第一状态和第二状态之间改变，以利用来自电池的电能可控地将电容器C充电至约15-40伏的DC电压。在一些示例性实施例中，在对电容器C充电的同时第一控制单元12控制开关SW通过电感器L从电池获取约15mA至约100mA。在一些示例性实施例中，电路 10被配置作为升压转换器，在该升压转换器中，存储在电感器L中的能量通过二极管D释放并存储在电容器C上(第一控制单元12重复地将开关SW从一个状态切换到另一个状态，给电感器充电并通过二极管D将能量释放到电容器C中)。在一些示例性实施例中，电路10被配置作为恒流升压转换器。第二控制单元14被配置用于可控地将存储在电容器C中的能量释放到螺线管S以改变阀的状态(例如图3-5中的B)。在一些示例性实施例中，第二控制单元14控制H桥16，从而可控地释放存储在电容器C中的能量以致动螺线管S以改变阀的状态。可以使用其他电路代替 H桥，例如螺线管驱动器集成电路。
示例性电池电路10的第一和第二控制单元12,14具有用于执行本文所述的各种功能和过程的逻辑。“逻辑”(与本文使用的“电路”同义) 包括但不限于硬件、固件、软件和/或每个的组合以执行一个或多个功能或动作。例如，基于期望的应用或需求，逻辑可以包括状态机、软件控制的处理器，诸如专用集成电路(ASIC)的离散逻辑、编程逻辑设备或其他处理器。本文使用的“处理器”或“计算机”包括但不限于可以存储、检索和处理数据并且可以是处理单元或在分布式处理配置中的任何编程或可编程电子设备或协同设备。处理器的示例包括微处理器、微控制器、图形处理单元(GPU)、浮点单元(FPU)、精简指令集计算(RISC)处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。逻辑也可以完全作为“软件”实施。本文中所使用的“软件”包括但不限于一个或多个计算机可读和/或可执行的指令，该指令使处理器或其他电子设备以期望的方式执行功能、动作、过程和/或行为。指令可以以各种形式实现，例如包括单独的应用程序或来自动态链接库(DLL)的代码的例程、算法、模块或程序。软件还可以以各种形式实施，例如独立程序、基于web的程序、函数调用、子例程、servlet、应用程序、 app、小应用程序(例如Java applet)、插件、存储在存储器中的指令、操作系统的一部分、或创建可执行指令的其他类型的可执行指令或解释指令。本领域普通技术人员将理解，软件的形式取决于例如期望的应用程序要求、其运行的环境和/或设计者/程序员等的期望。
在一些示例性实施例中，第一和第二控制单元12,14包括状态机和/或预编程的处理器。在示例性实施例中，软件中的一些或全部存储在第一和第二控制单元12,14的内部存储器(未示出)上，其包括一个或多个本地或远程数据存储设备的一个或多个非暂时性计算机可读介质(对于远程存储器，系统10将包括通信电路，未示出)。如本文所使用的，“数据存储器”表示用于代码或数据的非暂时性存储的器件，例如具有非暂时性计算机可读介质的器件。如本文所使用的，“非暂时性计算机可读介质”表示用于存储代码或数据的任何合适的非暂时性计算机可读介质，例如磁性介质，比如外部硬盘驱动器中的固定磁盘、内部硬盘驱动器中的固定磁盘，以及软盘；光学介质，例如CD盘、DVD盘和其他介质，例如RAM、 ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存PROM，外部闪存驱动器等。
在一些示例性实施例中，为电路供电的电池包括若干碱性或锂干电池或由若干碱性或锂干电池组成，例如三个或四个AA或AAA碱性干电池，例如ENERGIZER牌E91AA锌-锰二氧化碳(Zn/MnO2)电池。在一些示例性实施例中，电路10的一个优点在于，电路10能够驱动具有以下这些特性的螺线管：电感为5-20mH、电阻为5-20欧姆、电流为300-600 mA、电压为4.8-6.4(例如，45毫焦耳的螺线管开口，例如当在5.2VDC 下由500mA驱动时的10-20mH螺线管开口80PSI)，同时以0.8VDC 的开路电压在四个这样的AA干电池上运行，该开路电压是这种电池的寿命终点电压。也就是说，在一些示例性实施例中，电路10的一个优点在于，该电路能够在被认为“耗尽”的三个或四个这样的AA干电池(或其他电池)上运行时驱动这种螺线管。显然，落入本权利要求书范围内的所有电路无需这样配置，但显然许多示例性实施例的优点在于它们能够在具有小于1.2VDC、或低于1.1VDC、或甚至低于1.0VDC(例如，所有这些都大于寿命终点电压，例如0.8VDC)的开路电压的AA干电池上起作用。而相反地，当干电池具有约1.2VDC的开路电压时，一些现有技术的电路停止工作，例如，给出更换电池警告并无法驱动螺线管。
在一些示例性实施例中，电感器L是在1-100μH或10-33μH范围内(例如约22μH)的未屏蔽的功率电感器。在一些示例性实施例中，电感器L直接连接到电池，以允许电路在电池寿命终点起作用，例如干电池的寿命终点。在本公开的上下文中，将电感器直接连接到电池意味着没有二极管、双极结晶体管或其他在电池和电感器L之间具有不寻常电压降 (非电阻性电压降)的有源组件。一些电池升压电路在电池和电感器之间具有二极管。这导致在电池和电感器之间产生约0.7VDC电压降的不利后果，这会阻止该电路一直工作到这些电池的寿命终点电压。显然，在本电路的实施方式中，电池和电感器L之间将存在一些电阻，例如，印刷电路板迹线和任何电缆的电阻以及可能在两者间的具有电阻效应的一些有源组件，例如一个或多个场效应晶体管(FET)；然而，这样的电阻应该足够低，从而在对电容器充电的同时用电路从电池获取约15mA至约100mA 将不会不利地影响电路在电池寿命终点电压下起作用的能力。
在一些示例性实施例中，开关SW由一个或多个FET组成或包括一个或多个FET。在一些示例性实施例中，开关SW和第一控制单元12 包括单个集成电路，例如以恒流模式配置的升压集成电路或LED驱动器电路。在其他示例性实施例中，开关SW和第一控制单元12是分开的部件。在一些示例性实施例中，第一控制单元12和第二控制单元14包括单个控制单元，例如与开关SW和H桥16电路通信的预编程的处理器(或可控地从电容器C释放电荷以驱动螺线管S的其他电路)。
重要的是，电容器C具有足够大的容量以通过H桥16或可控地从电容器C释放电荷的其他电路驱动螺线管S。电容器C可包括单个电容器或多个电容器，或者由单个电容器或多个电容器组成。显然，如果多个电容器并联使用，则电容器C的电容将是形成电容器C的各个电容器的电容的总和。在一些示例性实施例中，电容器C是单个电解电容器，其范围为47-470μF或者100-330μF，例如约220μF。如下所述地，电容器C的额定电压取决于在致动螺线管S之前电容器充电达到的最高电压。使用当前可用的技术，电容器C在实体上将是最大的部件(大于电感器L，二极管 D和开关SW)。在一些示例性实施例中，电容器C的总体积将在0.3-10cm3的范围内或在0.5-7cm3的范围内，例如约1cm3。
在一些示例性实施例中，第一控制单元12被配置用于可控地使开关SW在其第一和第二状态之间改变，以在启动螺线管S之前的瞬间利用来自电池的电能可控地将电容器C充电至约15-40伏特的DC电压。在一些示例性实施例中，第一控制单元12被配置用于在电容器C上维持约 5-10VDC的电压，例如5-7VDC，这缩短了将电容器C上的电压增加到约 15-40VDC以致动螺线管S所需的时间。在其他示例性实施例中，第一控制单元12被配置为特别是不保持电容器C上的电压(电容器电压自然不低于约Vbatt-0.7VDC，即，Vbatt减去二极管电压降)；然而，在这些实施例中，需要更多时间来将电容器C上的电压增加到约15-40VDC以致动螺线管S。在一些示例性实施例中，通常不使用来自电池的能量，在来自电容器的能量被用来打开或关闭螺线管S的同时，通常不使用来自电池的能量。也就是说，在一些示例性实施例中，第一和第二控制单元12，14 协作并被编程，从而在第二控制单元14利用存储在电容器C中的能量来打开后关闭螺线管S之前第一控制单元12使用来自电池的电能来对电容器C充电，但是在第二控制单元14利用存储在电容器C中的能量来打开后关闭螺线管S的同时第一控制单元12通常不会利用来自电池的电能对电容器C充电(或驱动螺线管S)。
二极管D必须能够处理由使开关SW在其各状态之间切换的第一控制单元12所产生的电流以对电容器C充电(例如，15-100mA)，并且必须能够足够快地切断反向电流以跟得上第一控制单元12的开关频率(例如600KHz)。在一些示例性实施例中，二极管D包括一个或多个硅开关二极管或者由一个或多个硅开关二极管组成，例如一个或多个BAS16W快速开关二极管，其具有约4ns的指定反向恢复时间，或者作为二极管而连接的DMN3065LW-7MOSFET(即，源极连接到栅极，因此内部二极管作为二极管D工作，例如图7A中的FET Q8)。另外，如果升压转换器电路也将被绕过以用于更高电流的应用，例如皂泵，下面将结合图6讨论，BAS16W二极管必须替换为可处理更大电流的不同二极管(典型的皂泵将获取比BAS16W二极管额定处理的电流更多的电流)，例如作为二极管而连接的DMN3065LW-7MOSFET(例如，图7A中的Q8)。
在一些示例性实施例中，H桥16包括四个FET或由四个FET组成，例如，两个FDC6506FET和两个DMN3065LW-7FET，如果需要，还具有相关联的电阻器和二极管。在替代方案中，可以使用H桥芯片或其他螺线管驱动器芯片。在一些示例性实施例中，H桥16浮在Vcap-上，其在正常操作期间不应高于0.2V，这不足以影响FET驱动。
如上所述，在一些示例性实施例中，开关SW和第一控制单元12 包括单个的集成电路，例如以恒流模式配置的LED驱动器电路。现在参照图2，示出了以这种配置的示例性电路20。图2是图1的左半部分的实施方式的示例(电池、电感器L、电容器C、开关SW和第一控制单元12)。该示例中的电路的其余部分与图1以及对该附图的描述内容相同。在示例性电路20中，芯片U4是在单个集成电路中具有图1的开关SW和第一控制单元12的LED驱动器电路。由四个串联的碱性AA电池组成的电池在全新时具有6.4VDC的集体标称开路电压以及3.2VDC的集体寿命终点开路电压。示例性电路20被配置为在恒流模式下工作并且将在6.4VDC直到3.2VDC(四个碱性电池的寿命终点电压)的Vbatt范围内工作。图2 的电路实际上将有四个“耗尽的”AA电池从3.2VDC降至2.7VDC(每个电池0.8VDC降至0.675VDC)，尽管这可能是不可取的，因为当开路电压下降至低于0.6VDC时碱性电池具有泄漏腐蚀性物质的趋势。因此，在示例性实施例中，即使能够这样做，也应防止电路使用耗尽的电池运行。在该示例性电路中，电感器L(即，L1)是22μH的未屏蔽的功率电感器，二极管D(即D4)是BAS16W快速开关二极管(或用作二极管的FET，如图7A中的Q8)，电容器C(即C12)是220μF电解电容器，U4是将开关SW和第一控制单元12实施在单个封装中的恒流LED驱动器，即 TEXAS INSTRUMENTS品牌TPS61160ADRVR，这是一款具有数字和 PWM亮度控制功能的白光LED驱动器。基于本文的教导，也可以在其他电路中使用其他恒流升压驱动器电路。类似地，基于本文的教导，其他升压电路可以用在其他电路中。电容C16是1μF补偿电容，其用于稳定U4 的反馈环路。U4的开关速率(即，电流通过电感器L1交替地在(a)内部开关和(b)二极管之间流向电容器C12的速率)在U4内部设定为约 600KHz。其他频率可用于其他电路。电阻器R34是位于U4的FB(反馈)引脚和接地点之间的15欧姆电阻器，并且用作与电容器C12串联的电流检测电阻器，以设定通过电容器C12的充电电流。图2的电路(与图1的第二控制单元14、H桥16和螺线管S控制阀一起)如描述结合图1描述的各种示例性实施例所述地工作。
在一些示例性实施例中，第二控制单元是预编程的处理器，例如，如本文所讨论的预编程的TEXAS INSTRUMENTS牌MSP430G2553处理器。第二控制单元14通过CTRL引脚控制图2的升压电路的操作。也就是说，第二控制单元14通过CTRL引脚(通过MSP430的引脚P2.5)控制电容器C12上的电压。更具体地，电容器C12上的电压由第二控制单元 14控制，该第二控制单元14监测电容器C12上的电压并使用引脚P2.5根据需要接通或断开U4，如下面更详细地讨论的。为此，电容器电压输入到具有内部模数转换器的第二控制单元14。
在一些示例性实施例中，升压转换器被设计用于驱动输出电流而不是电压(一些LED驱动器将这样做)。如果是这样，则为目标应用指定效率，并且在一些实施例中效率可能非常重要；这种升压转换器使电路能够优化电池性能。图2的电路在约4-5cc的体积(不包括电池和将电路连接到电池的导体的体积)中具有约82-83％的效率、可能为82-84％或85％。可以使用其他转换器，但使用当前技术可能成本过高(95％效率的升压转换器非常昂贵)。也就是说，(使用当前技术)不考虑体积具有 80-97％效率的电路和具有80-86％效率且具有相对小的体积(例如， 3-10cc)的电路都可以利用本文的教导。
图2的电路中的升压转换器设置用于在对电容器充电的同时消耗约0.3瓦特，因此每个电池必须提供0.075瓦特。在每个电池约1.25伏特(AA电池的平均寿命，中期寿命)的情况下，充电的同时为升压转换器供电约60mA。如果没有升压转换器，则需要更加多来自电池的功率和电流，例如，接近上述数字的10倍(尽管约十分之一的时间)。但是当消耗较少来自电池的电流时，电池mAh容量更大，因此使用升压电路允许比不使用升压电路时更多的致动循环。此外，电池中的I2R损耗要小十倍 (在使用升压电路时十分之一的电流导致1/100的耗散功率)。在一些示例性实施例中，重要的是选择能够在每个碱性AA电池0.8至1.6伏特(四个碱性AA的总电压为3.2V至6.4V)的整个电池电压范围内操作的升压转换器芯片。在一些示例性实施例中，同样重要的是选择具有高效率的升压转换器芯片，并且通过不使功率流中的有损分量加重电路来实现这种高效率。显然，本申请的许多益处可以没有这样的限制，例如，电池可在以下条件工作：每个碱性电池的功率低至0.8-0.9伏特、或0.91-0.95伏特、或甚至0.96-1.0伏特，即，高于寿命终点电压0.1-0.15VDC或0.16-0.2VDC (或高于寿命终点OCV或其他寿命终点参数的11-15％或高于寿命终点 OCV或其他寿命终点参数的16％-20％)。
图3示出了从图2的电路的实施方式中收集的电信号，该电路由 6VDC电源(模拟四个完全充电的AA电池)供电：电容器C12上的电压和从电池获取的以毫安为单位的电流。在稳定状态下，电路平均从电池获取约17μA的空闲电流。电容器电压略低于A点右侧的7VDC。该电压是由于放电后电容器上的剩余电荷来驱动螺线管。如果电容器完全放电，其电压不低于Vbatt减去二极管电压降(来自二极管D4或Q8)。在点A处，第二控制单元14促使升压电路将电容器C12上的电压从约7V增加到约 24V(或者一些其他足以致动螺线管打开阀的更高的电压)，从而当电容器上的电压达到24V时将从电池获取的电流起初增加至约20mA，并随后稳定地增加到约60mA。在图3中这约需要300ms。该充电时间由从电池获取的电流确定；更快地给电容器充电会更快地耗尽电池，从而缩短其使用寿命。然而，等待太长时间，例如500ms，将是用户可察觉到的，并且可能是令人沮丧的，特别是如果系统是手动触发的系统，例如手动触发的冲洗(用户按下按钮，但系统不回应)。例如，当将电容器充电到40伏特时获取15mA将花费超过两秒，这对于一些系统(例如自动检测冲洗系统)可能是可接受的，但对于一些系统(例如手动系统)是完全不可接受的。作为另一个例子，在将电容器充电至仅15伏特的电压的同时从电池获取100mA将花费约100ms，但是这会减少电池寿命。如果电容器上的剩余电荷大于6或7V(例如10V)，则可能花费更少的时间(例如50ms)，但是在电容器上保持更高的电压将缩短电池的使用寿命，因为在电容器 C12上存储较高的电压会增加其漏电流。因此，在一些示例性实施例中，在0.25-0.40秒内使电容器充电(图3-5中的A-B)。在另一些示例性实施例中，该范围的较长端可以达到0.5秒、或0.75秒，或甚至一秒。类似地，在一些其他的示例性实施例中，该范围的较短端可以是50ms或100ms或 200ms秒。
一旦电容器C12上的电压达到24V，在点B处，电容器C12具有足够的存储能量以打开阀，因此第二控制单元14控制H桥16以致动螺线管S来打开阀，这留下15VDC在电容器上。电容器C12上的电压仅需要为约16V以致动螺线管来关闭阀，该状态在点B和C之间的点B的右侧看到。在这种状态下，升压转换器关闭，电容器C12上的电压约为16V(由于泄漏电流而缓慢下降)，并且该电路从电池获取平均约17μA的空闲电流。一旦第二控制单元14确定是时候关闭阀，在点C处，第二控制单元 14使升压转换器短暂地运行(以将电容器C12上的电压从例如15VDC回升至16VDC)，然后控制H桥16以致动螺线管S来关闭阀，这使电容器上的电压降回至约7VDC的剩余值。随后可以重复该循环，电容器C12 上的电压约为7VDC，并且如前所述地从电池获取约17μA的平均空闲电流。从电池获取的约17μA空闲电流的平均值不是均匀获取的。17μA空闲电流中的约一半是持续几百微秒的相对较大的峰值(在一些图中可以看到这些是在图3-4中的点A之前的短的垂直尖峰)并且其中约一半在几百毫秒上展开。
图4与图3类似，示出了从图2的电路的实施方式中收集的电信号，该电路由4VDC电源(模拟接近寿命终点的四个AA电池)供电，每个电池的开路电压为1.0V。如图3所示，电容器C12上的电压：最初以近7VDC的剩余电压开始，然后升压至约24VDC(然后使螺线管启动，打开阀)，降至约15VDC并保持在该电平(然后是螺线管启动，关闭阀)，并降至略低于7VDC并保持在该电平(如果没有后续启动，电容器上的电压将缓慢降低至Vbatt减去由于泄漏引起的电压降)。可以看出，这些波形实际上与图3相同，除了在增加电容器电压时电路从电池获取更大电流：当电容器电压从约7V增加到24V时，从电池获取的电流从约20mA上升到超过90mA(相比于图3的电路约60mA的最大值)。
图5与图3-4类似，示出了从图2的电路的实施方式中收集的电信号，该电路由四个新的AA电池供电，每个电池具有1.5VDC的开路电压(平均化以更清楚地观察波形)：电容器C12上的电压、电池上的电压(这在图3-4中未示出，因为电源电压不会像真正的电池那样下降)和从电池获取的以毫安为单位的电流。如图3-4，电容器C12上的电压：最初以接近7VDC的剩余电压开始，然后升压至约24VDC(然后螺线管启动，打开阀)，降至约15VDC并停留在该电平(然后螺线管启动，关闭阀)，并下降到略低于7VDC并保持在该电平(如果没有后续启动，电容器上的电压将缓慢降低到Vbatt减去由于泄漏的电压降)。可以看出，这些波形实际上与图3相同：当电容器电压从约7V增加到24V时，从电池获取的电流从约20mA上升到约60mA。应注意的是，在电容器电压从约7V增加到24V的同时，电池电压下降约0.05V，从约6.0VDC降至约5.95VDC。相反地，随着AA电池接近其寿命终点(1.0VDC开路电压)，当电容器电压从约7V增加到24V时，会看到更大的电压降，可能是在获取约90mA 的同时从约4VDC降至约3.5VDC，或者在获取约100mA的同时从约 3.5VDC下降到约3VDC(参见图11和对应描述)。
图11与图3-5类似，示出了从图2的电路的实施方式中收集的电信号，该电路由接近其寿命终点的四个AA电池供电(平均化以更清楚地观察波形)：电容器C12上的电压、电池上的电压(这在图3-4中未示出，因为电源电压不会像真正的电池那样下降)和从电池获取的以毫安为单位的电流。在此，四个电池的开路电压约为3.5VDC，即，每个约0.875VDC。当升压转换器开始运行以对电容器充电时(即，在图11中当电容器电压开始斜升时)，电池电压略微下降并且最终电池两端的电压下降到恰好在 3.0VDC以上，同时电路运行以对电容器充电(每个电池约0.75VDC)。升压转换器电路将电容器充电至最高约24伏，然后电路使电容器能量快速放电到螺线管中。当电路开始运行时(Vbatt约为3.5VDC)，从电池获取的电流以约50mA开始，并在电容放电(Vbatt约为3VDC)之前以约 100mA结束，并且充电电路停止。该过程需要约四分之一秒来将升压电容器从约10伏特充电到约24伏特。就在电容器放电前，电池电压为最低 (约3.0VDC)并且电池电流为最高(约100mA)。在该示例中，螺线管未安装在阀中，柱塞不移动，并且自动检测电路尚未激活，这表示最坏情况的能量使用情形。
表1示出了图2的电路在待机状态(电容器C12约为6V)中以及在利用电池(四个AA电池)在放电的不同状态下的单次激活阀(打开、暂停和关闭)期间的平均电流和峰值电流。该示例性的系统当电池电压降至3.8VDC(每个AA电池约为0.95VDC)时呈现低电量警告，并且当电池电压降至3.16VDC(每个AA电池约为0.79VDC，刚低于其寿命终点电压)时将不再激活。该示例性系统将继续运行直到低至3.2VDC的电池电压(每个AA电池处于约0.8VDC)。
表1
由ENERGIZER MAX品牌型号E91供电碱性AA电池供电的图 1-2的电路的服务预期为大约9.5年(约450000次激活)，基于螺线管冲洗阀(不用水)每天激活130次，包括激活脉冲(图3-5中的AC点)和背景排水。因此，当由四种碱性锌-二氧化锰(Zn/MnO2)AA电池供电时，本文的示例性实施例能够为螺线管冲洗阀供电5-9.5年或6-9.5年或7-9.5 年或8-9.5年。由ENERGIZER ULTIMATE品牌型号锂/二硫化铁(Li/FeS2) AA电池驱动的电路的服务预期约为12年(约570000次激活)，基于该阀(不用水)每天激活130次，包括激活脉冲(图3-5中的AC点)和背景排水。因此，当由四个二硫化锂/二硫化铁(Li/FeS2)AA电池供电时，本文的示例性实施例能够为螺线管冲洗阀供电7-12年或8-12年或9-12年或10-12年。
现参照图6，该图示出了示例性电路30，其是图1-2的电路的变型，其还可用于为发动机提供供电，例如皂泵中的发动机。在一些示例性实施例中，当电路在相对长的分配循环(例如4.5伏特，100-500mA，经过2-4秒)内驱动较高电流的发动机(例如皂泵)时，不使用升压转换器。这种皂泵的每循环能量约为2-3焦耳，远远超过可以存储在图1和2的电路中的电容器C12中的能量。此外，升压转换器只能提供运行泵所需电流的一小部分。考虑时间轴，图1-2的升压转换器擅长于将在高电流下(即，致动螺线管S)的20毫秒操作时间延伸至在低电流(如上所述)下电池漏极几百毫秒。但是，皂分配器已花费4秒钟才能运行。因此，升压转换器被避免用于皂泵应用。此外，如果升压转换器电路也将用于更高电流应用，例如皂泵，则必须使用能处理更大电流的不同二极管替换BAS16W二极管(如上所述)(这样的皂泵拉动比BAS16W二极管的额定电流更大的电流)，例如连接为二极管的DMN3065LW-7MOSFET(例如，图7A中的Q8)。
如图1-2所示，图6中的电池被直接连接到电感器L1(如上所述)。当电路用于驱动皂泵时，第二控制单元14的引脚P2.5断开电源电路U4 (TI TPS61160)。第二控制单元14还控制电连接到Vcap+和Vcap-的驱动器电路。如果尝试用图1-2的电路运行这种皂泵，15欧姆反馈电阻R34 会烧坏。因此，在运行皂泵时，第二控制单元14接通Q12，其绕过15欧姆电阻器R34，使得电池可以连接到用于皂泵的发动机并为其供电(不会使升压电路运行)。
现参照图7A-7B，这些附图示出了示例性的电路40，其是图6中的电路的商业实施方式的一部分。在图7A中，晶体管Q15、电容器C14 和电阻器R35，R37是保护部件。没有它们，在首次启动时，Vcap-达到+ 12V，可能会损坏U4和H桥FET。夹住Vcap-导致非常大的电流。Q15 通过将Vcap-限制为3-Vth来解决这个问题，除了漏极可以变为高阻抗并且L1中的能量可能会损坏U4。C14和R35为L1的能量提供了一席之地。在没有R35的情况下，电路变为振荡器。不幸的是，R35允许FB引脚上的波动，因此增加电容器C17以减少波动。在初次启动过程中，C17使 Q15导通。Q15的栅极不能用处理器引脚驱动，因为它需要外部下拉R，这例如在固件开启之前浪费能量。在启动时，经过L1、D4、C12、Q15、 R34的电流＝(3V-Vth)/R34的电流。晶体管Q15在正常运行期间完全导通。在这些各种实施例中，在升压时进入C12的电流＝0.2/R34。在断开H桥中的高侧FET之后，Vcap+增加几mV，但C14使其缓慢发生。在进行自动检测的电流测量之前，系统会等待一些时间常数(R10+R34)。在该实施例中，C14和C12额定为35V，H桥额定为30V，U4在26V下停止升压。
图7B示出了包括由FET Q9、Q10和Q11A-Q11B形成的H桥的示例性电路50，其响应于处理器(例如，MSP430的引脚)的控制而启动螺线管。如该图所示，当处理器在引脚P1.2和P1.3输出与为ON的数字信号相关的电压(并且引脚P2.0和P2.7为低或OFF)时，螺线管被驱动 (ON，即，移动以打开阀)，而当处理器在引脚P2.0和P2.7输出与为 ON的数字信号相关的电压(并且引脚P1.2和P1.3为低或OFF)时，螺线管被断开。由处理器引脚P2.0、晶体管Q5和电阻器R10、R16和R23 形成的电路是允许H桥在4-30VDC范围以上以相对低的成本工作的电源。当Q11A为ON时，在处理器引脚P1.1处测量电容器C12的电压。电阻器 R14和R15通过11分压器形成分配。
一些示例性实施例具有用于检测靠近由电路供电的螺线管或发动机的人或其他物体的装置，例如与第一控制单元12和/或第二控制单元14 电路通信的一个或多个传感器，例如，瞄准使用该设备的人被期望存在的空间的被动IR检测器或主动IR检测器(IR发送器/接收器对)、相机、物理开关等。在这些实施例中，第一个控制单元12和/或第二控制单元14 具有存储在存储器中的代码以实现传感器并确定何时开始对电容器C， C12充电(例如，图3-5中的点A)、何时致动螺线管以使用存储在电容器中的能量打开阀(例如，图3-5中的点B)并且何时再次致动螺线管以关闭阀(例如，图3-5中的点C)，如果有的话。图3-5是用于示例性水龙头实施例(例如，检测手、打开阀、停止检测手、关闭阀)。在示例性冲洗阀实施例中，波形实际上是相同的，除了点B和点C之间的定时更长。
图8A-8B示出了图7A-7B的升压电路的示例性的电路实施方式的各种视图。在示例性实施例中，电路具有在3-10或21/2-12立方厘米范围内的体积包络(在电路周围被定义为矩形3D实体)，不包括电池和到电池的接线。特定电路具有约0.3立方英寸的体积包络，即约4.9cm3(不包括 IR收发器的高度)和约0.4立方英寸，即约61/2cm3(包括IR收发器的高度)。如果分开计算电路板的体积包络(约2cm3)和电容器的体积包络 (约0.6cm3)，电路的体积包络实际上更接近约21/2cm3。
在一些示例性实施例中，螺线管被驱动特定的时间段以确保阀打开。在其他示例性实施例中，螺线管驱动电路的信号由处理器监测以确定阀何时打开或关闭，允许处理器关闭螺线管驱动电路以节省额外的电池电力。使用这种特殊的螺线管供电阀，螺线管驱动的柱塞移动以打开和关闭阀。柱塞具有永磁体。因此，一旦柱塞打开，它就会保持打开，一旦柱塞关闭，它就会保持关闭状态。电磁铁推动或拉动柱塞。由于柱塞保持在其位置，因此仅需要短暂的能量脉冲来打开或关闭阀。图9示出了当上述螺线管打开和关闭三次时螺线管电流随时间的几个曲线图。应注意的是，在所有六种情况下，电流上升，然后逐渐向下转，然后急剧上升，产生局部最小值，因为当柱塞停止移动时，它会停止产生反EMF。图9中的局部V形最小值对应于柱塞停止移动的时间，从而指示处理器电路何时可以关闭螺线管驱动电路。继续驱动螺线管超过局部最小值会浪费能量，因为柱塞已行进得尽可能远，因此电力仅仅产生的磁场不会完成任何事情并因为电流流过具有电阻的螺线管而产生浪费的热量。因此，在示例性实施例中，螺线管驱动电路的电流由处理器监测以确定阀何时打开或关闭，允许处理器关闭螺线管驱动电路以节省额外的电池电力。在一些示例性实施例中，处理器使用以下算法来检测指示柱塞已停止移动的真实局部最小值(与非常短的最小值相比，其可由信号上的噪声引起)：分析电流波形的斜率(例如，通过取导数并对其进行重滤波)来寻找图9中的不同状态，如正斜率，然后为零斜率，然后为负斜率，再次为正斜率。在一些示例性实施例中，使用以下：每256μs的采样电流，跟踪峰值电流，等待测量的电流比连续的五个样本的峰值电流小4mA，然后跟踪最小电流，等待直到测量的电流为比连续三个样品的最小电流大4mA，关闭螺线管驱动器。图9中的波形与管道系统有关，其中静水压力为80PSI。所示的示例性电路还可以驱动螺线管在较高压力下打开，例如125PSI。对于较高的压力，局部最小值将向右位移，即打开阀需要更长的时间。对于较低的压力，局部最小值将向左位移，即打开阀需要较短的时间。
现参照图10，其中示出了示例性的放大器电路60。该电路60允许处理器检测螺线管柱塞何时停止移动。图7B中的FET Q9的内阻用于形成与螺线管电流成比例的在Imeas处的电压。图10中的信号Imeas来自图7B，并且通过33K欧姆电阻器R27连接到螺线管。图10中的电路基本上是放大Imeas的放大器。因为采用数字化电流信号的导数，所以对电流的偏移是不重要的。当opamp U3与发送给处理器引脚P1.4的螺线管电流成比例地输出P1.4处的信号时，MSP430的引脚P1.5为opamp U3供电。处理器引脚P1.4是模拟输入；处理器确定与处理器所使用的螺线管电流成比例的数字值，从而找到螺线管电流的局部最小值(如上所述)以确定阀何时打开或关闭，允许处理器关闭螺线管驱动电路来节省额外的电池电力。
在本文中描述的步骤、动作和其他过程中的一些以及过程的一些部分是“自动”完成的。替代地或额外地，这些步骤、动作和其他过程以及过程的一些部分可以通过一个或多个介入的人的行为或者通过最终触发所述步骤、动作和/或其他过程和/或过程部分的其他手动的动作来完成。
虽然本实用新型已经通过其实施例的描述而进行了说明，并且已经非常详细地描述了实施例，但是申请人并不旨在将本实用新型的范围限制或以任何方式限制于这些细节。本领域技术人员容易想到其他优点和修改。例如，本文中的电路可以用以下中的任何一个或任何两个或多个来修改：在大量使用期间将电容器预充电到24V，在激活螺线管的同时通过运行升压转换器而用电池电力补充电容器的存储电荷，将H桥升级为适用于不同类型负载的驱动器，在驱动阀并修改使其驱动的电压曲线的同时测量电流波形，和/或使用螺线管或阀的感应作为升压转换器电路的部分。作为另一个例子，尽管上述文本中的大部分描述了AA电池的各种电路，但是权利要求书并不旨在限制任何特定的电池名称(除非明确要求保护特定的电池名称)；上述大部分可应用于碱性AAA电池和其它电池名称，例如，尽管未经测试，但相信，在此描述的情况下两个CR2032锂“纽扣”电池将在本文所示和所述的电路中起作用一年。作为又一个示例，本文中的所有过程和方法的步骤可以以任何顺序实施，除非明确地陈述两个或更多个步骤以特定顺序实施，或者某些步骤固有地需要特定顺序。因此，在不脱离申请人的一般发明构思的精神或范围的情况下，可以偏离这些细节。

Claims (20)

1.一种从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，包括：
与螺线管电通信的电容器；
至少具有第一状态和第二状态的电控开关；
电感器，其中，为了在开关处于第一状态时所述电感器从所述电池接收电能，所述电感器电连接到所述电池，并且为了在开关处于第二状态时所述电感器经二极管将能量释放到电容器中，所述电感器经所述二极管电连接到所述电容器；
第一控制单元，其中，为了可控地使所述开关在其第一状态和第二状态之间改变，所述第一控制单元可控连接到所述开关，为利用来自所述电池的电能可控地将所述电容器充电至约15-40伏特的DC电压，所述第一控制单元通过所述开关电连接到所述电容器，并且同时，所述第一控制单元可控连接到所述开关从而在对所述电容器充电的同时从所述电池获取15mA至100mA；和
第二控制单元，其中，为了可控地将存储在所述电容器中的能量释放到所述螺线管以改变阀状态，所述第二控制单元可控连接到所述电容器并电连接到所述螺线管。
2.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述第一控制单元包括升压转换器控制电路，并且其中，所述第二控制单元包括预编程的处理器。
3.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，在所述电池和所述电感器之间没有二极管，并且，所述电路电连接到三到五个耗尽的或接近耗尽的AA或AAA碱性干电池或者三到五个耗尽的或接近耗尽AA或AAA锂电池。
4.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，在所述电池和所述电感器之间没有二极管或其他有损组件，在提供在15-100mA范围内的电流时所述电路电连接到三到五个耗尽的或接近耗尽的AA或AAA碱性干电池或者三到五个耗尽的或接近耗尽的AA或AAA锂电池，并且为了对所述电容器充电以启动所述螺线管，所述电容器与所述螺线管通信连接。
5.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述第二控制单元可控连接到所述第一控制单元，由此，在所述第二控制单元被编程的情况下所述第二控制单元控制所述第一控制单元是否用来自所述电池的电能对电容器充电，并且防止所述第一控制单元在存储在所述电容器中的能量正被释放到所述螺线管以改变阀的状态的同时用来自所述电池的电能对所述电容器充电。
6.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，至少一个所述电容器具有在47至470μF范围内的集体电容并且具有在0.3至7立方厘米范围内的集体体积。
7.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，当所提供的电流在15-100mA范围内且同时为所述电容器充电以启动所述螺线管时，所述电路电连接到三至五个AA碱性干电池，所述碱性干电池的开路电压为0.8-1.1VDC或0.8-1.0VDC或0.8-0.9VDC或0.85-1.1VDC或0.85-1.0VDC或0.85-0.9VDC，或者所述电路电连接到三至五个AA锂电池，所述锂电池的开路电压为0.8-1.1VDC或0.8-1.0VDC或0.8-0.9VDC或0.85-1.1VDC或0.85-1.0VDC或0.85-0.9VDC。
8.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述电容器的电容为220μF。
9.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述电路(PCB和组件)具有在3-10立方厘米或3-12cc或2至20cc范围内体积包络，不包括所述电池和所述电池的接线。
10.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述电路在用来自所述电池的电能为所述电容器充电时具有从电池到电容器的转移效率，所述转移效率在不考虑电路体积的情况下在80-97％的范围内或者在考虑2-20cc体积的情况下为80-86％。
11.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，在对所述电容器充电的同时，所述第一控制单元可控连接到所述开关以控制所述开关从所述电池获取15mA至100mA。
12.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，在所述电容器被充电时，所述第一控制单元可控连接到所述开关从所述电池获取15mA至60mA。
13.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述电路通信连接到所述螺线管从而增加所述电容器电压以在0.25-0.40秒内驱动所述螺线管。
14.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述电路电连接到所述螺线管，由此，所述电路能够打开需要20-60毫焦耳才能打开的螺线管。
15.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述电路能够打开具有以下特征的螺线管：10-20mH，当在5.2VDC下由500mA驱动时打开。
16.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述电路电连接到由四个1.5VDC碱性干电池，由此，所述电路能够在从电池的制造开始9.5年的时间段内在80PSI或125PSI的条件下以130次每天打开需要45毫焦耳才能打开的螺线管。
17.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述电路电连接到由四个1.5VDC碱性干电池供电，由此，所述电路能够在从电池的制造开始9.5年内打开具有如下特征的螺线管：10-20mH，当在5.2VDC下由500mA驱动时打开。
18.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，其中，所述电路监测螺线管电流并通过检测螺线管电流的局部最小值来检测柱塞何时停止移动，并且响应于检测到所述柱塞已停止移动而执行以下的一个或两个：(a)停止向所述螺线管提供电流和(b)停止由所述电池对所述电容器进行充电。
19.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，
其中，所述第二控制单元可控连接到所述第一控制单元，由此控制所述第一控制单元是否用来自所述电池的电能来改变所述电容器，并且在存储在所述电容器的电能被释放至所述螺线管以改变阀状态的同时防止所述第一控制单元用来自所述电池的电能来改变所述电容器；
其中，至少一个所述电容器具有在47至470μF的范围内的集体电容和在0.3至7立方厘米的范围内的集体体积；
其中，当提供在15-100mA范围内的电流同时对所述电容器充电以致动所述螺线管，所述电路电连接至三至五个具有0.8-1.1VDC开路电压的AA碱性干电池，
其中，所述电路(PCB和组件)具有在2-20立方厘米范围内的体积包络，不包括所述电池和所述电池的接线；
其中，所述电路在用来自所述电池的电能为所述电容器充电的同时具有从所述电池到所述电容器的转换效率，所述转换效率在不考虑电路体积的条件下在80-97％范围内，在考虑2-20立方厘米体积的条件下为80-86％；并且
其中，增加电容器电压，从而在0.25-0.40秒内驱动所述螺线管。
20.根据权利要求1所述的从电池提供电力以驱动螺线管致动阀的电路，
其中，当由四个1.5VDC碱性干电池供电时，所述电路能够在从电池的制造开始9.5年的时间段内在80PSI或125PSI下以130次每天打开需要45毫焦耳才能打开的螺线管；
其中，当由四个1.5VDC碱性干电池供电时，所述电路能够在从电池的制造开始9.5年内打开具有如下特征的螺线管：10-20mH，当在5.2VDC下由500mA驱动时打开；并且
其中，所述电路监测螺线管电流并通过检测螺线管电流的局部最小值来检测柱塞何时停止移动，并且响应于检测到所述柱塞已停止移动而执行以下的一个或两个：(a)停止向所述螺线管提供电流和(b)停止由所述电池对所述电容器进行充电。
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