專利名稱：一種超低功耗高效率電磁鐵控制電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電磁鐵控制電路，特別涉及一種超低功耗高效率的電磁鐵控制電路。
技術背景電磁鐵的應用已經十分廣泛，并且一直以來的應用，電磁鐵都是工作在額定的工作電壓和電流上的，這種應用是最原始的、功耗最大的、且效率最低的。近期也有新技術出現，例如專利文獻200810202044，是關于電磁鐵正常瞬間吸合后，利用脈寬調制低電壓小電流保持電磁鐵的技術，此技術利用了電磁鐵吸合成功后可以小電流保持的特性來工作的，從而節省了較大的用電功耗，且效率獲得了明顯的提升。雖然此技術獲得了很大的進步，但仍然不是效率最高的，主要有兩點第一，未能從供電電壓 (即輸入電壓)或電磁鐵的額定輸入電壓方面解決，仍需較高的電壓啟動；第二，在電池供電的情況下，未能解決電池寬電壓供電的問題
實用新型內容
本實用新型的目的就是解決現有技術的問題，提出一種超低功耗高效率電磁鐵控制電路。能低電壓啟動電磁鐵吸合，能在電池供電的情況下以寬電壓范圍啟動電磁鐵吸合， 且功耗超低。為實現上述目的，本實用新型提出一種超低功耗高效率電磁鐵控制電路，包括電磁鐵、電源輸入處理電路、升壓貯能及反饋控制電路和控制芯片MCU電路，外接供電電源依次經電源輸入處理電路、升壓貯能及反饋控制電路輸至電磁鐵，所述控制芯片MCU電路輸出升壓開關控制信號至升壓貯能及反饋控制電路的升壓控制端，輸入升壓貯能及反饋控制電路的反饋輸出端輸出的反饋信號。升壓貯能及反饋控制電路負責對輸入的低電壓進行瞬間快速升壓和貯存升壓后的高電壓電能，使得電路在低電壓輸入供電，能為高額定電壓的電磁鐵提供貯存電能。與直接高電壓供電的電路相比，大大降低對輸入供電電壓的要求，提高電磁鐵驅動的效率。升壓貯能及反饋控制電路對輸入低電壓進行快速升壓和能量貯存，并將結果反饋給控制芯片 MCU電路，控制芯片MCU電路根據反饋結果自動控制升壓貯能及反饋控制電路的升壓貯能工作的開始和結束，使電磁鐵吸合瞬間高電壓產生大電流，吸合后低壓維持電流小。還可包括監測外接供電電源供電狀況的欠壓檢測電路，其輸入端連接電源輸入處理電路，其輸出端輸出檢測信號至控制芯片MCU電路。控制芯片MCU電路通過欠壓檢測電路監測當前供電電壓，自動調整升壓開關控制信號，使升壓貯能及反饋控制電路在不同的低輸入電壓下均能輸出合適的高電壓啟動電磁鐵瞬間吸合。通過設置欠壓檢測電路，不僅能低電壓正常啟動電磁鐵，而且能超低電壓正常啟動電磁鐵，能在電池供電的情況下以寬電壓范圍正常啟動電磁鐵，最大化地提高電磁鐵的驅動效率。[0009]還可包括連接電磁鐵的功率晶體管驅動電路，其控制端輸入控制芯片MCU電路輸出的脈寬調制控制信號或恒定電平控制信號，該控制芯片MCU電路通過所述功率晶體管驅動電路控制電磁鐵的吸合或釋放。當電磁鐵高壓啟動吸合時，控制芯片MCU電路輸出恒定電平控制信號至功率晶體管驅動電路，使電磁鐵高壓大電流瞬間吸合。當電磁鐵高壓啟動結束，維持吸合時，控制芯片MCU電路根據欠壓檢測電路輸出的檢測信號，在供電充足的情況下，輸出脈寬調制控制信號至功率晶體管驅動電路，并根據供電充足的程度，自動調節輸出脈寬；在供電不充足的情況下，輸出恒定電平控制信號至功率晶體管驅動電路。使電磁鐵工作在超低維持電流下， 降低功耗，實現對供電的高效率利用。本實用新型利用電壓檢測反饋和MCU程序進行分時多方式協調工作，降低用電量和拓寬低壓工作電壓范圍。因此，可實現超低功耗和高效率驅動電磁鐵的目的。本實用新型通過升壓貯能及反饋控制電路、欠壓檢測電路和特定的MCU算法程序，使電磁鐵的供電電壓不再局限于額定輸入電壓范圍，本實用新型可應用于各種低電壓電池或電子供電的場合。本實用新型在電池供電的情況下，可以寬電壓范圍工作，最大效率地使用電池的容量，大大地提高電池的使用壽命，為電磁鐵在手持化、小型化設備上的應用創造了空間，為人類節約能源和低炭減排的事業做出了顯著的貢獻。本實用新型已經成功應用到實際產品中，其中典型的有可以用ι節5號電池并且在0. 8V-1. 5V的電壓范圍內， 以彡0. 08W的功率，成功驅動一個額定功率為0. 72ff(6V/120mA)的電磁鐵長期正常工作。
圖1是本實用新型最佳實施例的電路方框圖；圖2是本實用新型最佳實施例的電路原理圖；圖3是本實用新型最佳實施例的電磁鐵電壓與時間工作關系圖。
具體實施方式
以下結合附圖和最佳實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示，本實用新型最佳實施例包括電磁鐵6、電源輸入處理電路1、升壓貯能及反饋控制電路2、欠壓檢測電路4、功率晶體管驅動電路3和控制芯片MCU電路5，外接供電電源Vl依次經電源輸入處理電路1、升壓貯能及反饋控制電路2輸至電磁鐵6，所述控制芯片MCU電路5輸出升壓開關控制信號至升壓貯能及反饋控制電路2的升壓控制端CN2，輸入升壓貯能及反饋控制電路2的反饋輸出端CN3輸出的反饋信號，欠壓檢測電路4的輸入端連接電源輸入處理電路1，其輸出端CNl輸出檢測信號至控制芯片MCU電路5，功率晶體管驅動電路3連接電磁鐵6，其控制端CN4輸入控制芯片MCU電路5輸出的脈寬調制控制信號或恒定電平控制信號。控制芯片MCU電路5輸出升壓開關控制信號至升壓貯能及反饋控制電路2的升壓控制端CN2，啟動升壓貯能及反饋控制電路2對超低輸入電壓進行快速升壓和能量貯存，控制芯片MCU電路5同時檢測欠壓檢測電路4，根據其輸出端CNl的檢測信號，自動調整升壓開關控制信號，從而調整升壓貯能及反饋控制電路2的升壓和能量貯存的幅度，升壓貯能及反饋控制電路2將升壓結果通過反饋輸出端CN3反饋給控制芯片MCU電路5，控制芯片MCU電路5 —旦接收到升壓貯能已達到要求值的反饋信號，就通過升壓控制端CN2控制升壓貯能及反饋控制電路2結束升壓貯能工作，同時輸出恒定電平控制信號至功率晶體管驅動電路3的控制端CN4，控制功率晶體管導通，為電磁鐵6提供啟動瞬間高電壓大電流。延時一段時間后，啟動時間結束，控制芯片MCU電路5檢測欠壓檢測電路4，以控制向功率晶體管驅動電路3的控制端CN4輸出恒定電平控制信號還是脈寬調制控制信號，對于脈寬調制控制信號，還能自動調節其脈寬，以調節功率晶體管的斬波寬度，從而控制輸入到電磁鐵6的電流能量，為電磁鐵6提供維持小電流，維持時間延時結束后自動釋放電磁鐵6。如圖2所示，電源輸入處理電路1包括依次串聯連接的整流濾波電路和穩壓電路。 其中整流濾波電路為二極管半波整流濾波電路，包括整流二極管Dl和連接其輸出端的濾波電容Cl、C2，穩壓電路包括低壓差穩壓管LDO和連接其輸出端的濾波電容C3、C4。外接供電電源Vl可以是交流電，也可以是直流電，直流電也可以是電池，整流二極管Dl對輸入的交流電進行整流，或對輸入的直流電進行直流電極性導向，輸出直流電壓VDD1，低壓差穩壓管LDO負責給電磁鐵6和控制芯片MCU電路5提供穩定的低壓工作電壓VDD2，濾波電容 C1-C4實現對電源的濾波，提升電源質量。如圖2所示，升壓貯能及反饋控制電路2包括線繞電感L1、NPN開關晶體管Q2、Q3、 電阻R1、R2、整流管D2、高壓貯能電容C5和電壓檢測管Z1，線繞電感Ll的一端連接電源輸入處理電路1的輸出端VDD2，另一端連接NPN開關晶體管Q2的集電極，升壓控制端CN2經電阻Rl連接NPN開關晶體管Q2的基極，該NPN開關晶體管Q2的發射極接地，整流管D2的正極連接NPN開關晶體管Q2的集電極，負極連接高壓貯能電容C5的一端，該高壓貯能電容 C5的另一端接地，整流管D2的負極和高壓貯能電容C5的連接點輸出電壓VDD3至電磁鐵 6，該輸出電壓VDD3依次經電阻R2、電壓檢測管Zl輸入NPN開關晶體管Q3的基極，該NPN 開關晶體管Q3的集電極連接反饋輸出端CN3，發射極接地。其中線繞電感Li、NPN開關晶體管Q2、電阻Rl組成了一個簡單的以晶體管做開關驅動的電感式升壓電路，當升壓控制端輸入脈沖升壓開關控制信號時，利用了電感的電磁轉換和升壓特性實現了快速高電壓的產生；而整流管D2則把升高的電壓整流后往電容C5充電，電容C5快速充電，輸出電壓VDD3 上升，一旦上升到電壓檢測管Zl的擊穿值，表明高電壓已經在電容C5上充滿電，此時電壓檢測管Zl擊穿，晶體管Q3飽和導通，反饋輸出端CN3輸出低電平反饋信號，將充滿電的狀態經反饋輸出端CN3反饋給控制芯片MCU電路5，MCU電路5立即輸出低電平升壓開關控制信號至升壓控制端CN2，使晶體管Q2截止，從而，關閉晶體管Q2，輸出電壓VDD3維持低電壓，升壓貯能工作結束。 如圖2所示，功率晶體管驅動電路3包括NPN功率晶體管Ql和電阻R3，控制端CN4 經電阻R3連接NPN功率晶體管Ql的基極，該晶體管Ql的集電極連接電磁鐵6，發射極接地。控制芯片MCU電路5輸出脈寬調制控制信號或恒定電平控制信號至控制端CN4，恒定電平控制信號包含恒定低電平控制信號和恒定高電平控制信號，恒定低電平控制信號控制 NPN功率晶體管Ql持續截止，電磁鐵6釋放，恒定高電平控制信號控制NPN功率晶體管Ql 持續導通，電磁鐵6吸合，脈寬調制控制信號控制NPN功率晶體管Ql斬波工作，電磁鐵6維持吸合。保護二極管D3并聯在電磁鐵6的兩端，保護晶體管Q1。 如圖2所示，欠壓檢測電路4包括電壓檢測器VD0，其輸入端連接二極管半波整流濾波電路的輸出端VDD1，VDDl作為電壓檢測點，直接監測外接供電電源Vl的供電狀況，通過欠壓檢測電路4，將輸入電壓狀態實時反饋到控制芯片MCU電路5中，使MCU電路5在寬低輸入電壓范圍下能通過升壓控制端CN2控制升壓貯能及反饋控制電路2輸出合適的高電壓來啟動電磁鐵6吸合；能通過控制端CN4控制功率晶體管驅動電路3來保持電磁鐵6工作在超低維持電流下。如圖3所示，體現了電磁鐵電壓V與時間T的工作關系。設實施例外接供電電源為電池，其供電電壓Vl可以遠遠低于電磁鐵的額定電壓V2，而升壓后的貯存驅動電壓V3又遠遠高于電磁鐵的額定電壓V2，同時升壓過程Tl時間是一個動態的瞬時的時間，因此，能實現電磁鐵在寬電壓范圍內穩定地驅動工作。Tl時間段是升壓貯能電路中電容C5的電壓升壓充電變化過程，Tl的長短是跟供電電壓Vl和MCU對晶體管Q2的控制實時動態關聯的。通過MCU檢測電壓檢測器VDO輸出端Cm輸出的檢測信號，當供電在正常電壓范圍內，MCU輸出正常脈沖升壓開關控制信號至升壓控制端CN2，控制晶體管Q2以正常的開關頻率工作，保證升壓電路可以在低電流短時間內完成充電過程；當供電在欠壓狀態下，MCU提高輸出脈沖的占空比，控制晶體管Q2以調整的開關頻率工作，通過自動調整輸出脈沖的占空比，保證升壓電路能在寬電壓范圍內仍以低電流狀態工作。電磁鐵的各工作時間段T1-T4都是由不同的電壓段構成的，主要是通過對升壓電壓的狀態檢測、供電電源電壓的狀態檢測，及利用了電磁鐵特性(瞬間高電壓啟動和低電壓保持的特性)，再由MCU程序實時靈活控制，因此，能實現電磁鐵在寬電壓范圍、極低功耗的高效率方式下穩定地驅動工作。圖3中T3-T4段的虛線脈沖表明了電源輸入電壓在正常電壓范圍內，控制芯片MCU 電路5實時輸出脈寬調制控制信號給功率晶體管Ql的控制端CN4，以此驅動電磁鐵，從而控制輸入到電磁鐵的電流能量，實現了在正常供電狀態下低功耗工作的功能；而T3-T4段的實線表明了電源輸入電壓在欠壓狀態下，控制芯片MCU電路5直接輸出高電平控制信號，而不是脈寬調制控制信號，因為只有這樣才能保證電磁鐵正常驅動，充分利用了復位電壓Vs 到欠壓電壓W的低電壓區，因此，能實現電磁鐵在寬電壓范圍下穩定地驅動工作。本實用新型在產業上的可利用性在于按照本實用新型，可以使電磁鐵以超低功耗工作，并能低電壓供電工作，在電池供電的情況下以寬電壓范圍工作，最大化地提高電磁鐵驅動的效率。
權利要求1.一種超低功耗高效率電磁鐵控制電路，其特征在于包括電磁鐵(6)、電源輸入處理電路(1)、升壓貯能及反饋控制電路( 和控制芯片MCU電路(5)，外接供電電源依次經電源輸入處理電路(1)、升壓貯能及反饋控制電路( 輸至電磁鐵(6)，所述控制芯片MCU電路( 輸出升壓開關控制信號至升壓貯能及反饋控制電路O)的升壓控制端，輸入升壓貯能及反饋控制電路O)的反饋輸出端輸出的反饋信號；升壓貯能及反饋控制電路對輸入低電壓進行快速升壓和能量貯存，并將結果反饋給控制芯片MCU電路，控制芯片MCU電路根據反饋結果自動控制升壓貯能及反饋控制電路的升壓貯能工作的開始和結束，使電磁鐵吸合瞬間高電壓產生大電流，吸合后低壓維持電流小。
2.根據權利要求1所述的電磁鐵控制電路，其特征在于還包括監測外接供電電源供電狀況的欠壓檢測電路G)，其輸入端連接電源輸入處理電路(1)，其輸出端輸出檢測信號至控制芯片MCU電路(5)。
3.根據權利要求1或2所述的電磁鐵控制電路，其特征在于還包括連接電磁鐵(6)的功率晶體管驅動電路(3)，其控制端輸入控制芯片MCU電路( 輸出的脈寬調制控制信號或恒定電平控制信號，該控制芯片MCU電路(5)通過所述功率晶體管驅動電路控制電磁鐵的吸合或釋放。
4.根據權利要求1所述的電磁鐵控制電路，其特征在于所述電源輸入處理電路(1) 包括依次串聯連接的整流濾波電路和穩壓電路。
5.根據權利要求4所述的電磁鐵控制電路，其特征在于所述整流濾波電路包括整流二極管Dl和連接其輸出端的濾波電容C1、C2，所述穩壓電路包括低壓差穩壓管LDO和連接其輸出端的濾波電容C3、C4。
6.根據權利要求2所述的電磁鐵控制電路，其特征在于所述電源輸入處理電路(1) 包括依次串聯連接的整流濾波電路和穩壓電路，所述欠壓檢測電路(4)的輸入端連接整流濾波電路的輸出端。
7.根據權利要求6所述的電磁鐵控制電路，其特征在于所述整流濾波電路包括整流二極管Dl和連接其輸出端的濾波電容C1、C2，所述穩壓電路包括低壓差穩壓管LDO和連接其輸出端的濾波電容C3、C4，所述欠壓檢測電路(4)包括電壓檢測器VD0。
8.根據權利要求2所述的電磁鐵控制電路，其特征在于所述欠壓檢測電路(4)包括電壓檢測器VDO。
9.根據權利要求1所述的電磁鐵控制電路，其特征在于所述升壓貯能及反饋控制電路(2)包括線繞電感Li、NPN開關晶體管Q2、Q3、電阻Rl、R2、整流管D2、高壓貯能電容C5 和電壓檢測管Z1，所述線繞電感Ll的一端連接電源輸入處理電路(1)的輸出端，另一端連接NPN開關晶體管Q2的集電極，所述升壓控制端經電阻Rl連接NPN開關晶體管Q2的基極， 該NPN開關晶體管Q2的發射極接地，整流管D2的正極連接NPN開關晶體管Q2的集電極， 負極連接高壓貯能電容C5的一端，該高壓貯能電容C5的另一端接地，所述整流管D2的負極和高壓貯能電容C5的連接點輸出電壓VDD3至電磁鐵(6)，該輸出電壓VDD3依次經電阻 R2、電壓檢測管Zl輸入NPN開關晶體管Q3的基極，該NPN開關晶體管Q3的集電極連接反饋輸出端，發射極接地；當升壓控制端輸入脈沖升壓開關控制信號時，輸出電壓VDD3上升，一旦上升到電壓檢測管Zl的擊穿值，反饋輸出端輸出低電平反饋信號；當升壓控制端輸入低電平升壓開關控制信號時，輸出電壓VDD3維持低電壓。
10.根據權利要求3所述的電磁鐵控制電路，其特征在于所述功率晶體管驅動電路 (3)包括NPN功率晶體管Ql和電阻R3，所述控制端經電阻R3連接NPN功率晶體管Ql的基極，該晶體管Ql的集電極連接電磁鐵(6)，發射極接地；當控制端輸入恒定高電平控制信號，電磁鐵(6)吸合，當輸入脈寬調制控制信號，電磁鐵(6)維持吸合，當輸入恒定低電平控制信號，電磁鐵(6)釋放。
專利摘要本實用新型提出一種超低功耗高效率電磁鐵控制電路，包括電磁鐵、電源輸入處理電路、升壓貯能及反饋控制電路和控制芯片MCU電路，外接供電電源V1依次經電源輸入處理電路、升壓貯能及反饋控制電路輸至電磁鐵，所述控制芯片MCU電路輸出升壓開關控制信號至升壓貯能及反饋控制電路的升壓控制端，輸入升壓貯能及反饋控制電路反饋輸出端輸出的反饋信號。還包括欠壓檢測電路，其輸入端連接電源輸入處理電路，其輸出端輸出檢測信號至控制芯片MCU電路。還包括連接電磁鐵的功率晶體管驅動電路，其控制端輸入控制芯片MCU電路輸出的控制信號。本實用新型能低電壓啟動電磁鐵吸合，能電池寬電壓范圍下啟動電磁鐵吸合，且功耗超低。
文檔編號H01F7/18GK202102826SQ201120104600
公開日2012年1月4日 申請日期2011年4月11日 優先權日2011年4月11日
發明者任劍波 申請人:李錦恭