JP3198222U

JP3198222U - 充電器及び充電システム

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Publication number: JP3198222U
Application number: JP2015600036U
Authority: JP
Inventors: 雄▲偉▼ 朱; 孔▲剛▼ 魏; 祖峰郭
Original assignee: ▲華▼▲為▼▲終▼端有限公司
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2023-06-28
Also published as: US20140361733A1; EP2804287B1; CN202651863U; US9362768B2; WO2014000674A1; EP2804287A1; EP2804287A4

Abstract

【課題】エネルギー消費量を効果的に低減する充電器及び充電システムを提供する。【解決手段】充電器は、整流器２１と、変圧器２２と、第１ダイオード２３と、コンデンサ２４と、電圧サンプリングフィードバック部２５と、ＰＷＭコントローラ２６と、バッテリ電圧フィードバック部２８と、半導体スイッチング素子２７とを有し、ここでは、バッテリ電圧フィードバック部２８は、端末のバッテリ電圧を検出するために充電器内に追加されるとともに、検出される端末のバッテリ電圧は、充電器内の電圧サンプリングフィードバック部２５にフィードバックされる。その結果、電圧サンプリングフィードバック部２５は、実際の端末のバッテリ電圧に基づいて、リアルタイムで充電器の出力電圧を調整することができる。従って、充電器の出力電圧は、端末のバッテリ電圧の増加に伴って徐々に上昇し、それによって、有効に充電器のエネルギー消費量を低減するとともに、省エネルギーの目的を達成する。【選択図】図２

Description

本考案は、パワーエレクトロニクス技術に関し、特に、充電器及び充電システムに関する。

図１は、従来技術によって提供される充電器の概略構成図である。図１に示されるように、充電器は、充電器内の電圧サンプリングフィードバック部を使用することによって、コンデンサＣ（すなわち、充電器の出力電圧）の２つの端部で電圧を検出する。その後充電器は、電圧サンプリングフィードバック部による処理の後に、パルス幅変調（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ、略してＰＷＭ）コントローラに検出された電圧をフィードバックする。それによって、充電器は出力電圧を制御するとともに、充電器の出力電圧を、ユーザによってあらかじめ設定された電圧（例えば、５Ｖ）に維持する。端末が図１に示される充電器に接続された後、端末は、端末の内部バッテリを充電するために、低ドロップアウトレギュレーター（ＬｏｗＤｒｏｐＯｕｔＲｅｇｕｌａｔｏｒ、略してＬＤＯ）リニアモードか、又は直流（ＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ、略してＤＣ）スイッチングモードを採用してもよい。

リニア充電モードでは、端末のバッテリを充電するプロセスの間に、端末のバッテリ電圧は、充電が進行するにつれて連続的に上昇する。バッテリ電圧がローレベルのときに、バッテリを充電するために５Ｖの定電圧を使用することは、過剰な電力量の損失を引き起こす。充電の有効性の改善に基づいて、どのように充電器のエネルギー消費量を低減するかは、当業者によって解決されるべき問題である。

本考案は、エネルギー消費量を効果的に低減するために使用される充電器を提供する。前記充電器は、整流器と、変圧器と、第１ダイオードと、コンデンサと、電圧サンプリングフィードバック部と、ＰＷＭコントローラと、半導体スイッチング素子と、を有し、
整流器は、交流電源ネットワークに接続され、
変圧器の１つの第１端部は、整流器の出力端部に接続されるとともに、他の第１端部は、半導体スイッチング素子に接続され、
変圧器の１つの第２端部は、第１ダイオードの陽極に接続されるとともに、他の第２端部は接地され、
コンデンサの１つの端部は、第１ダイオードの陰極に接続されるとともに、他の端部は接地され、
電圧サンプリングフィードバック部の２つの入力端部は、コンデンサと並列に接続され、
ＰＷＭコントローラのフィードバック入力端部は、電圧サンプリングフィードバック部の出力端部に接続されるとともに、ＰＷＭコントローラの出力端部は、半導体スイッチング素子の制御端部に接続され、
充電器は、バッテリ電圧フィードバック部をさらに有し、
バッテリ電圧フィードバック部の２つの入力端部は、端末のバッテリの陽極と陰極とにそれぞれ接続されるとともに、バッテリ電圧フィードバック部の出力端部は、電圧サンプリングフィードバック部に接続される。

前記充電器では、電圧サンプリングフィードバック部は、
発光ダイオードとフォトトランジスタとからで構成されるフォトカプラであって、発光ダイオードの陽極は、第１抵抗の第２端部に接続されるとともに、第１抵抗の第１端部は、第１ダイオードの陰極に接続され、フォトトランジスタのコレクタは、ＰＷＭコントローラの入力端部に接続されるとともに、フォトトランジスタのエミッタは接地される、フォトカプラと、
第２抵抗と第３抵抗とからで構成される分圧器ネットワークであって、第２抵抗の第１端部は、第１ダイオードの陰極に接続され、第２抵抗の第２端部は、第３抵抗の第１端部に接続され、第３抵抗の第２端部は接地される、分圧器ネットワークと、
第３抵抗のために電圧基準を提供する電圧基準源であって、電圧基準源の基準端部は、第３抵抗の第１端部に接続され、電圧基準源の通電端部は、発光ダイオードの陰極に接続され、電圧基準源の接地端部は接地される、電圧基準源と、を有するとともに、
バッテリ電圧フィードバック部は、トライオードを有し、そのエミッタとコレクタは、第２抵抗の第１端部と第２端部とにそれぞれ接続され、ベースは第３ダイオードの陽極に接続され、第３ダイオードの陰極は、第４抵抗の第１端部に接続され、第４抵抗の第２端部は、端末のバッテリの陽極に直列に接続される。

本考案はさらに充電システムを提供し、前記充電システムは、端末及び前記充電器を有し、
充電器中の第１ダイオードの陰極は、充電器の電圧出力端部であり、充電器と端末のバッテリは、ともに接地され、バッテリ電圧フィードバック部の２つの入力端部は、端末のバッテリの陽極と陰極とにそれぞれ接続される。

本考案の技術的な効果は以下のとおりである。バッテリ電圧フィードバック部は、端末のバッテリ電圧を検出するために充電器内に追加されるとともに、検出される端末のバッテリ電圧は、充電器内の電圧サンプリングフィードバック部にフィードバックされる。その結果、電圧サンプリングフィードバック部は、端末の実際のバッテリ電圧に基づいて、リアルタイムで充電器の出力電圧を調整することができる。従って、充電器の出力電圧は、端末のバッテリ電圧の上昇に伴って徐々に上昇し、それによって、充電器のエネルギー消費量を有効に低減するとともに、省エネルギーの目的を達成する。

図１は、従来技術に係る充電器の概略構成図である。図２は、本考案の実施形態に係る充電器の概略構成図である。図３は、本考案の実施形態に係る充電システムの概略構成図である。図４は、本考案の実施形態に係る充電器の特定の実装のための回路図である。図５は、従来技術における充電器と本解決手段における充電器との、出力電圧の比較のための概略図である。

図２は、本考案の実施形態に係る充電器の概略構成図であるとともに、図３は、本考案の実施形態に係る充電システムの概略構成図である。図２及び図３に示される内容を参照すると、本考案の実施形態に係る充電器は、整流器２１と、変圧器２２と、第１ダイオード２３と、コンデンサ２４と、電圧サンプリングフィードバック部２５と、ＰＷＭコントローラ２６と、半導体スイッチング素子２７と、を有する。整流器２１は、交流（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ：ＡＣ）電源ネットワークに接続される。変圧器２２の１つの第１端部は、整流器２１の出力端部に接続されるとともに、変圧器２２の他の第１端部は、半導体スイッチング素子２７に接続される。変圧器２２の１つの第２端部は、第１ダイオード２３の陽極に接続されるとともに、変圧器２２の他の第２端部は接地される。コンデンサ２４の１つの端部は、第１ダイオード２３の陰極に接続されるとともに、コンデンサ２４の他の端部は接地される。電圧サンプリングフィードバック部２５は、コンデンサ２４と並列に接続される。ＰＷＭコントローラ２６のフィードバック入力端部は、電圧サンプリングフィードバック部２５の出力端部に接続されるとともに、ＰＷＭコントローラ２６の出力端部は、半導体スイッチング素子２７の制御端部に接続される。充電器は、バッテリ電圧フィードバック部２８をさらに有し、バッテリ電圧フィードバック部２８の２つの入力端部は、端末のバッテリの陽極と陰極とにそれぞれ接続されるとともに、バッテリ電圧フィードバック部２８の出力端部は、電圧サンプリングフィードバック部２５に接続される。

前記第１ダイオード２３の陰極は、充電器の電圧出力端部であり、充電器と端末のバッテリは、ともに接地され、バッテリ電圧フィードバック部２８の２つの入力端部は、端末のバッテリの陽極と陰極とにそれぞれ接続される。

前記バッテリ電圧フィードバック部２８の２つの入力端部は、充電器の充電ケーブルにおける補助ケーブル、例えば、標準のＵＳＢインタフェースを備えるＤ＋／Ｄ−信号ケーブルを使用することによって実装されてもよいことが留意されるべきである。バッテリ電圧フィードバック部２８は、制御チップ又はディスクリート回路であってもよく、それらは端末のバッテリ電圧の測定を実行する。図４は、本考案の実施形態に係る充電器の特定の実装のための回路図を示す。第１抵抗Ｒ１と、第２抵抗Ｒ２と、第３抵抗Ｒ３と、フォトカプラＵ２と、電圧基準源Ｕ３とからで構成される回路は、最初の電圧サンプリングフィードバック部２５であるとともに、新たに追加されるトライオードＱ２と、第３ダイオードＤ３と、第４抵抗Ｒ４は、バッテリ電圧フィードバック部２８を形成する。図４に示されるように、フォトカプラＵ２は、発光ダイオードとフォトトランジスタからで構成される。

前記最初の電圧サンプリングフィードバック部２５では、Ｒ２及びＲ３は、出力分圧器ネットワークを形成するとともに、Ｒ３の電圧は、電圧基準源Ｕ３の基準電圧と比較される。Ｒ３の電圧が電圧基準源Ｕ３の基準電圧を超過するときのみ、電流は、電圧基準源の端部Ｋから端部Ａに流れ、その結果、Ｒ１と、フォトカプラＵ２の端部１から端部２と、電圧基準源Ｕ３の端部Ｋから端部Ａは、電流経路を形成する。フォトカプラＵ２の端部１及び端部２が通電されるときに、Ｕ２のＶｃｅは、通電される。固定された出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｒ２からＲ３の抵抗比を設定することによって取得される。

前記Ｑ２と、Ｄ３と、Ｒ４が追加されるとともに、Ｖｂａｔがバッテリの陽極に接続された後、ＶｏｕｔがトライオードＱ２と、ダイオードＤ３と、抵抗Ｒ４とを通過すると、フィードバック電流分割ループが形成される。この電流分割ループは、可変の抵抗（抵抗は、バッテリ電圧の上昇とともに上昇する）をＲ２と並行に接続することと等価である。このようにして、Ｒ２からＲ３の比は、動的に調整され、それによって、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの実際の値を動的に調整する。具体的には、Ｖ_ｏｕｔがＶ_ｂａｔよりもまだ大きい場合、Ｑ２のＶ_ｂｅは通電されるとともに、その後Ｖ_ｃｅが通電され、その結果、電流はＱ２を通過する。このようにして、Ｒ２を通過する電流は、電流分割ループによって部分的に分路されるとともに、電圧は変更され得る。従って、電圧サンプリングフィードバック部２５における、固定された分圧比は変更されることができ、それによって、出力電圧Ｖｏｕｔを動的に調整するという目的を達成する。

前記バッテリ電圧フィードバック部２８と、電圧サンプリングフィードバック部２５と、ＰＷＭコントローラ２６との共同効果によって、動的な調整が、実際のバッテリ電圧に基づいて、充電器の出力電圧のために効果的に行われる。この場合、最大電流でのリニア充電が維持されるとき、充電器の出力電圧は、Ｖｏｕｔ＝Ｖｂａｔ＋ΔＶであり、ΔＶは充電電力コンポーネント（端末装置側の上にあり、且つ電力管理部（ＰｏｗｅｒＭａｎａｇｅｍｅｎｔＵｎｉｔ、略してＰＭＵ）及びバッテリに接続されるトライオード）上の最小電圧降下である。ΔＶは一般に０．２Ｖよりも小さく、且つ本解決手段では、ΔＶは約０．５Ｖになるように制御される。Ｖｂａｔは３．０Ｖと４．２Ｖの間で変動するため、Ｖｏｕｔの範囲は、３．５Ｖと４．７Ｖの間であってもよい。常に維持される以前の５Ｖと比較すると、電圧は０．３Ｖから１．５Ｖまで減少する。このように、端末装置の効率的な充電が維持される一方で、充電器の出力電力が、大幅に低減される。従って、充電器の入力電力は、それによって減少し、そのため電力量を節約する。

具体的には、図１に示される従来技術では、１０００ｍＡＨの内臓バッテリを備える端末は、５Ｖ／１Ａ充電器（ＡＣ／ＤＣ変換効率は８０％であると想定される）を使用することによって充電されるとともに、充電時間は１時間であると想定される。そのとき、充電器によって消費されるエネルギーは、Ｐ＝５Ｖ*１Ａ／８０％*１Ｈ＝６ＷＨである。

本考案の実施形態によって提供される解決手段では、１Ａの出力電流を備える充電器が依然として使用されるが、出力電圧は、バッテリ電圧の上昇に伴って徐々に上昇する。この場合、充電器の平均出力電圧は、Ｖ＝（３．５＋４．７）／２＝４．１Ｖである。充電時間は依然として１時間のままである。そのとき、充電器によって消費されるエネルギーは、Ｐ＝４．１Ｖ*１Ａ／８０％*１Ｈ＝５．１Ｗであり、通常の充電器と比較すると、１５％の電力量を節約する。図５は、従来技術における充電器と本解決手段における充電器との、出力電圧の比較のための概略図である。

現在、世界には約５９億個の携帯電話が存在する。世界で毎日１０％の携帯電話が充電されると仮定すると、１日に節約される電気量は、Ｐｔ＝（６−５．１）*５９００００００００*１０％＝５．３億ＷＨ＝５３万ＫＷＨであり、大型発電所の発電電力に相当する。

さらに、もしバッテリ電圧フィードバック部２８が、フィードバックされるバッテリ電圧を受信しなければ、充電器は依然として、元々設定されている一定の出力電圧、例えば５Ｖに基づいて、端末のために充電を実行し得るということが留意されるべきである。

本考案によって提供される充電器では、バッテリ電圧フィードバック部は、端末のバッテリ電圧を検出するために充電器内に追加されるとともに、検出される端末のバッテリ電圧を、電圧サンプリングフィードバック部にフィードバックする。その結果、電圧サンプリングフィードバック部は、端末のバッテリ電圧に基づいて、リアルタイムで充電器の出力電圧を調整することができる。従って、出力電圧は、端末のバッテリ電圧の上昇に伴って徐々に上昇し、それによって、充電器のエネルギー消費量を有効に低減する。

最後に、本考案の実施形態は、本考案の技術的な解決手段を説明するためのものであって、本考案を限定するものではないことが留意されるべきである。本考案は、前述の実施形態を参照して詳細に説明されるが、当業者は、本考案の実施形態の技術的な解決手段の範囲から逸脱することなく、前述の実施形態において記載される技術的な解決手段に修正を行うか、又はその技術的な特徴の一部又は全体に置換を行うことができることを、当業者は理解すべきである。

２１整流器
２２変圧器
２３第１ダイオード
２４コンデンサ
２５電圧サンプリングフィードバック部
２６ＰＷＭコントローラ
２７半導体スイッチング素子
２８バッテリ電圧フィードバック部

Claims

整流器と、変圧器と、第１ダイオードと、コンデンサと、電圧サンプリングフィードバック部と、パルス幅変調（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）コントローラと、半導体スイッチング素子と、を有する充電器であって、
前記整流器は、交流電源ネットワークに接続され、
前記変圧器の１つの第１端部は、前記整流器の出力端部に接続されるとともに、他の第１端部は、前記半導体スイッチング素子に接続され、
前記変圧器の１つの第２端部は、前記第１ダイオードの陽極に接続されるとともに、他の第２端部は接地され、
前記コンデンサの１つの端部は、前記第１ダイオードの陰極に接続されるとともに、他の端部は接地され、
前記電圧サンプリングフィードバック部の２つの入力端部は、前記コンデンサと並列に接続され、
前記ＰＷＭコントローラのフィードバック入力端部は、前記電圧サンプリングフィードバック部の出力端部に接続されるとともに、前記ＰＷＭコントローラの出力端部は、前記半導体スイッチング素子の制御端部に接続され、
前記充電器は、バッテリ電圧フィードバック部をさらに有し、
前記バッテリ電圧フィードバック部の２つの入力端部は、端末のバッテリの陽極と陰極とにそれぞれ接続されるとともに、前記バッテリ電圧フィードバック部の出力端部は、前記電圧サンプリングフィードバック部に接続される、
充電器。
前記電圧サンプリングフィードバック部は、
発光ダイオードとフォトトランジスタとからで構成されるフォトカプラであって、前記発光ダイオードの陽極は、第１抵抗の第２端部に接続されるとともに、前記第１抵抗の第１端部は、前記第１ダイオードの陰極に接続され、前記フォトトランジスタのコレクタは、前記ＰＷＭコントローラの入力端部に接続されるとともに、前記フォトトランジスタのエミッタは接地される、フォトカプラと、
第２抵抗と第３抵抗とからで構成される分圧器ネットワークであって、前記第２抵抗の第１端部は、前記第１ダイオードの陰極に接続され、前記第２抵抗の第２端部は、前記第３抵抗の第１端部に接続され、前記第３抵抗の第２端部は接地される、分圧器ネットワークと、
前記第３抵抗のために電圧基準を提供する電圧基準源であって、前記電圧基準源の基準端部は、前記第３抵抗の第１端部に接続され、前記電圧基準源の通電端部は、前記発光ダイオードの陰極に接続され、前記電圧基準源の接地端部は接地される、電圧基準源と、を有するとともに、
前記バッテリ電圧フィードバック部は、トライオードを有し、そのエミッタとコレクタは、前記第２抵抗の第１端部と第２端部とにそれぞれ接続され、ベースは第３ダイオードの陽極に接続され、前記第３ダイオードの陰極は、第４抵抗の第１端部に接続され、第４抵抗の第２端部は、前記端末のバッテリの陽極に直列に接続される、
請求項１に記載の充電器。
端末と請求項１又は２のいずれか１項に記載の充電器とを有する充電システムであって、
前記充電器中の第１ダイオードの陰極は、前記充電器の電圧出力端部であり、
前記充電器と前記端末のバッテリは、ともに接地され、
バッテリ電圧フィードバック部の２つの入力端部は、前記端末のバッテリの陽極と陰極とにそれぞれ接続される、
充電システム。