TWI442683B - 以控制脈寬週期來影響電源消耗之脈寬控制式直流-直流轉換裝置及其方法 - Google Patents

以控制脈寬週期來影響電源消耗之脈寬控制式直流-直流轉換裝置及其方法 Download PDF

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Description

以控制脈寬週期來影響電源消耗之脈寬控制式直流-直流轉換裝置及其方 法
本發明係有關一種方法，其係藉由一電感器傳送一電流的方法把直流電源(DC power)轉換為電池充電電源，且此電流係在一可調整之脈寬週期部份，由一電源控制器所控制。
本發明亦有關一種電壓轉換之裝置，其包括一直流-直流轉換器連接至一直流源，且該直流-直流轉換器提供一電感器，一電源控制器連接至此轉換器，並提供一脈寬調變器，用來在一可調整之脈寬週期部份控制電感器電流，以充電一電池。
舉例來說，如此之一種方法及裝置係可應用在可充電式設備上，例如，行動電話、膝上型輕便電腦(laptops)、電子記事本(organisers)、庭園燈、道路警示標誌(road studs)，以及其他由一個或多個太陽能電池或燃料電池供電並配備有可充電式電池或蓄電池之裝置，以供應負載電源，例如一光源，諸如一個或多個發光二極體。
包括一直流-直流轉換器之習用裝置，其係將電池(cell)所提供之電源轉換為直流電源，以適合分配電源給電池(battery)及/或負載。一般而言，此裝置亦包括有一電源控制器連接至轉換器，以控制此轉換器之直流電源輸出，使得此轉換器之效率可盡量提高。
本發明之一目的係在提供一種方法與裝置，其係具有改善及降低電源消耗之能力。
此外，根據本發明之方法的特徵在於此脈寬週期係為可調整者，以影響電源控制器之電源消耗。
因此，根據本發明之裝置的特徵在於此電源控制器包括有調整該脈寬週期之裝置，該可調整式裝置係可控制的，以影響此電源控制器之電源消耗。
根據本發明之方法與裝置的一優點在於，在實踐方面不應只著重於使此直流-直流轉換器之效率最佳化，反而考慮最佳化轉換器與電源控制器結合之電源消耗才是最重要的。本發明人發現此電源控制器耗費大部分之總電源來轉換和控制直流輸出電源，特別是但不限定於在低電源輸出週期的期間。電感器電流之控制與切換係藉由一脈寬調變器(Pulse Width Modulator，PWM)來完成，此一調變器通常係在某些特定週期之範圍內運作，此時該電感器電源之脈寬調變器才產生作用。由此可發現，一電源控制器轉換器(power controller converter)用來將直流輸入電源轉換為直流輸出電源之電源消耗，係會受到影響這些通常遭限制與固定的脈寬調變器週期所影響。
根據本發明之方法的一實施例，其特徵在於脈寬週期的延長係可以減少此電源控制器的電源消耗。
根據本發明之方法的一較佳實施例之優點，其特徵 在於此脈寬週期係從一位於電源控制器內之微處理器的一時脈頻率(clock frequency)所推算出來。如此，此脈寬調變器週期係可僅藉由減少此電源控制器之時脈頻率而有效地減少，然後，該時脈頻率之減少會減少微處理器控制電源控制器本身之電源消耗，進而提供更有優勢的結合性能功效。
根據本發明之方法的一較佳實施例，其特徵在於藉由適當地降低此電源控制器之電池供應電壓，此電源控制器之電源消耗甚至可減少更多。
根據本發明之方法與裝置的更多優點與較佳實際實施例係詳細闡述於其他附屬項中。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
第1圖是顯示一概要的方塊示意圖，第2圖則是顯示此示意圖之一直流電源轉換裝置1的更詳細示意圖，特別是一電壓升壓轉換器(voltage up-converter)，亦稱之為升壓轉換器(boost converter)，包括一直流電源2，例如燃料電池，一個所謂的超級電容器或是一個或多個太陽能電池，以負載一個或多個電池BATT1，例如一鎳-鎘電池、一鋰離子聚合物電池或一鋰聚合物電池。此裝置1更包括一直流-直流轉換器，以參考圖號3表示，此直流-直流轉換器3係連接至此直流電源 2。此直流-直流轉換器3係具有一電感器L2，其電感器電流IL2係週期性地受該裝置1之一電源控制器5所控制，此電源控制器5係透過控制端TP2連接至直流-直流轉換器3。此控制端TP2係透過一所謂的圖騰柱驅動器(Totem pole driver)連接至電源控制器5，此圖騰柱驅動器包括有可控制的半導體T3及T4，其係由一般用途之微處理器IC1所控制。此電源控制器5包括一知名的脈寬調變器(圖中未示)，用以控制該電感器電流IL2，在連續不斷的脈寬週期P之可調整區塊尺寸部份期間，其為第3圖中上半部之TP2所標示。在此情況下，在週期P之內，此脈波之下降邊緣是根據在電源控制器5內載有之功率點追蹤演算法(power point tracking algorithm)而變化的(以箭頭標示)。這樣的演算法係被裝配並微調來最佳化其最大功率，而不是最大轉換效率，此裝置1整個輸出至一負載，如圖所示之一個或二個發光二極體D2及D3。此發光二極體係可啟動或關閉或閃爍，無論是否以一些可調整式頻率之輪流方式。在此，這些發光二極體係以藉由電池BATT1來驅動，假如有足夠數量的太陽能提供給此太陽能電池2，電池BATT1可同時被裝置1負載，太陽能電池連同電池於是形成實際的直流源2。
第3圖係為了解脈寬調變器週期P控制操作之必要圖式。在第3圖上方所標示區塊部份TP2之期間，此電感器電流IL2增加，且由於此電流在TP2之下降邊緣處 截斷，使得電感器線圈L2將提供一感應電壓(induction voltage)，其係透過半導體元件D5及T6提供一經控制之整平電池電流(controlled leveled off battery current)來負載該電池。這個程序本身將在隨後之週期P期間不斷重複。P通常為一固定持續期間，且藉由在這模式中變化週期P內之下降邊緣，使此負載受到上述演算法之最佳化控制，持續追蹤落到太陽能電池2上的光照量。此電源控制器5包括在該微處理器控制器中執行調整之工具，以調整在另一模式之延長脈寬週期P’之期間，如第3圖之下方圖表所示，其中此新週期P’之期間大概是原本週期P的兩倍。此脈寬調變器頻率(1/P’)之下移(lowering)導致此電源控制器5之電源消耗的減少。調整工具(adjusting means)使此週期P’變為可控制的，且因此而影響此電源控制器之電源消耗，此係應用於該裝置1來節省電源，否則，電源會因為較短的脈寬調變器週期P’之期間而浪費。在某些國家例如我們國家的日光並未如願能達到有效衍生足夠太陽能之效果，而此裝置1現在變得可利用太陽能來驅動更廣泛的設備，甚至在較低的太陽能標準足夠模式所控制的能源，現在變為可對電池2充電及/或用以驅動負載D2、D3。
當然，在一個具有較短P’週期之主動充電模式與一個具有較長P’週期之減少電源消耗控制器模式之間進行電源控制器5之切換係為可行的。在前者模式期 間，此電感器電流IL2強度係透過此脈寬週期的該部份TP2之正常調整來控制；以及在後者模式期間，此脈寬週期P’被延長，且現在之脈寬部份TP2’係被調整了。
若一太陽能電池設備的一個重要目標係在所有日光狀態下從太陽能電池取出最大功率。基於對太陽能電池之認知，當此太陽能電池之開路端(無負載)電壓(open terminal voltage)有例如大約為80%的比例被上述演算法使用，該電源控制器5將至少會為了負載電池BATT1而要忙於功率點追蹤(power point tracking)。假如此開路端電壓下降低於該80%，此太陽能電池電流為低，於是該電源控制器5係由其轉換器模式切換為低電源消耗(睡眠)模式，而在此期間之脈寬週期被延長，但此期間之負載(發光二極體)電流則被加以控制了。更有利的是，此最大功率控制策略無須任何電流量測工具，也不需要利用測量電流來控制電流，此舉可節省成本、其體積以及珍貴的能源。實際上，此太陽能電流不需要被量測還是會被計算出來，其與一些磁滯現象(hysteresis)一起用在切換點之間，以在該轉換器模式與該睡眠模式間進行實際切換。
在短瞬間，此開路端電壓係被定期的量測，以達到控制策略的溫度校正。
有效地實施一方法及採取必要的技術措施，以便自一時脈頻率產生出相對應的脈寬頻率，此時脈頻率係由一本地，可能為內部的時脈所提供。此時脈產生器通常 是連接至分配器(divider)，而產生器或振盪器通常係包含在該電源控制器5之微處理器IC1內。再者，時脈頻率的降低會減少如此一電源控制器之電源消耗，此時的減少更具有一剩餘效應(surplus effect)以提供一額外的電源減少；其原因之一是由於該時脈頻率之降低，且另一原因則是脈寬調變器頻率之降低。
第1圖及第2圖是顯示省電源之更多特徵。其中半導體元件T6亦受電源控制器5所控制，在有些情況下，半導體元件T6係完全絕緣電源與電池，以防止漏電流通過二極體D5。二極體D5也可為一簫特基二極體(Schottky diode)，此簫特基二極體(Schottky diode)係為已知具有溫度相依性漏電流的重要特性，若非因上述特徵，則會因此而用盡電池。
同樣地，半導體元件T4是受電源控制器5所控制，實際上是絕緣該電池與該負載D2、D3，或是作為一半導體切換，其係利用一切換電壓(大約為0.6伏特)來降低該微處理器電源控制器5之供應電壓VDD，因此可有效地減少此電源控制器5之電源消耗。在此範例中，T4對於此電源控制器5至少是作為一個可切換控制器供應減少電壓之工具。
此外，負載D2、D3之電源消耗可能會被一可控制式平行排列之數電阻R6及R11~R27所影響及最佳化，該等電阻一方面係作為一分壓器(voltage divider)連接至電池與負載之間的路徑上；而另一方面則連接至 電源控制器5，以適當的包含或排除該些電阻器。高歐姆電阻R9及R10是用以防止IC1輸出不必要的輸出電流(unwantedly drawing output currents)。
此電源控制器5包括一般已知之解碼工具(圖中未示)，其係連接至直流源2及電源控制器5之引腳(pin)4，只要一預設之太陽光序列係匹配一儲存在電源控制器5之內部記憶體的序列，即能啟動該電源控制器5。在啟動該電源控制器5之後，該電源控制器則自睡眠模式喚被醒變為主動控制該電感器電流IL2。
此電源控制器5之引腳18係連接至紅外線(IR)感應半導體元件T5，以藉由紅外線照射在T5之方法來程式化該電源控制器5。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
1‧‧‧直流電源轉換裝置
2‧‧‧直流電源
3‧‧‧直流-直流轉換器
4‧‧‧引腳
5‧‧‧電源控制器
18‧‧‧引腳
BATT1‧‧‧電池
L2‧‧‧電感器
IL2‧‧‧電感器電流
TP2‧‧‧控制端
T3、T4‧‧‧半導體元件
IC1‧‧‧微處理器
D2、D3‧‧‧發光二極體(負載)
D5、T6‧‧‧半導體元件
R6、R11~R27‧‧‧電阻
R9、R10‧‧‧高歐姆電阻
T5‧‧‧紅外線(IR)感應半導體元件
第1圖係顯示包含有本發明特徵之電源轉換裝置的概要方塊示意圖；第2圖係顯示第1圖之裝置的詳細示意圖；以及第3圖係顯示根據本發明之方法的脈寬及脈寬週期控制之時間曲線圖。
1‧‧‧直流電源轉換裝置
2‧‧‧直流電源
3‧‧‧直流-直流轉換器
4‧‧‧引腳
5‧‧‧電源控制器
BATT1‧‧‧電池
IL2‧‧‧電感器電流
T4‧‧‧半導體元件
D2‧‧‧發光二極體(負載)
T6‧‧‧半導體元件

Claims (15)

  1. 一種電源轉換方法，其是藉由電感器傳送電流的方法將直流電源轉換為電池充電電源，該電流係在一可調整之脈寬週期部分受一電源控制器所控制，其特徵在於：該脈寬週期為可調整的，且影響該控制器之電源消耗；其中，在一主動充電模式時，該電感器電流強度係透過調整該脈寬週期部份來控制，以及在一減少電源消耗控制器模式時，該脈寬週期係被延長，且在低於80%的開路端電壓下，該電源控制器係將該主要充電模式切換為該減少電源消耗控制器模式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換方法，其中該脈寬週期之延長係可減少該電源控制器之電源消耗。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之電源轉換方法，其中該脈寬週期係自一位於該電源控制器內之微處理器的一時脈頻率推算出來的。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換方法，其中減少該時脈頻率則可更進一步減少該電源控制器之電源消耗。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電源轉換方法，其中該電源控制器之該時脈頻率係由一內部振盪器所產生。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換方法，其中 藉由該電源控制器之電池供應電壓之減少，可更進一步減少該電源控制器之電源消耗。
  7. 一種電源轉換裝置，包括：一直流-直流轉換器連接至一直流源，並提供一電感器；一電源控制器連接至該直流-直流轉換器，並提供一脈寬調變器，用以在一可調整之脈寬週期部份，充電一電池；其特徵在於：該電源控制器包括調整該脈寬週期之工具，調整工具為可控制者，以影響該電源控制器之電源消耗；其中，在一主動充電模式時，該電感器電流強度係透過調整該脈寬週期部份來控制，以及在一減少電源消耗控制器模式時，該脈寬週期係被延長，且在低於80%的開路端電壓下，該電源控制器係將該主要充電模式切換為該減少電源消耗控制器模式。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該裝置包括一減少電源控制器供應電壓之工具。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該減少電源控制器供應電壓之工具係為可控制式之半導體元件，其係串接於該電池與該電源控制器之一供應電壓端間之路徑上。
  10. 如申請專利範圍第8或9項所述之裝置，其中該裝置包括有一可控制式平行排列之電阻，其一方面作為一分壓器(voltage divider)連接至該路徑及透過一負載連接至該電池；而另一方面則連接至該電 源控制器。
  11. 如申請專利範圍第8或9項所述之裝置，其中該裝置包括有一抗漏電元件，其係串接至該電感器及該電池之間的路徑上。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該抗漏電元件係為一可控制式半導體之可控制式主要串流路徑，其係耦接至該電源控制器。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中該抗漏電元件包括一單向導電半導體，例如一二極體或一簫特基二極體。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該電源控制器包括一解碼工具，連接至該直流源，該直流源裝配有一個或多個太陽能電池，若偵測到預設之太陽能光序列時，即啟動該電源控制器。
  15. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該裝置係排列成道路警示標誌，包括一個或多個太陽能電池作為直流源，而一可充電電池，例如鎳-鎘電池或鋰聚合電池，以及一個或多個發光二極體，以作為一負載。
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