充電電源部件的制作方法

專利名稱：充電電源部件的制作方法
技術領域：
本發明是有關用于電池供電的電氣/電子裝置的充電電源部件，帶有一個電流是隔開的變壓器，該變壓器在其初級回路可由一個電網供電，其次級回路有一個為該裝置的蓄電池提供充電電壓的變流器/整流器，此時充電電源部件和該裝置可經過一個電氣插入式接口連接。
這種類型的充電電源部件，以多種方案而聞名并在最大的范圍得到應用，尤其是用于移動電話、膝上型計算機和手提式計算機、小型家用裝置等。
將裝置的充電電池經過電氣插入式接口與充電電源部件連接，充電電源部件提供符合充電狀態的能量。大量已知的電路也能根據電池類型情況負責安排一種“智能充電”，此時在例如手機那樣的裝置中能包括一部分充電電子器件，例如電壓-或溫度傳感器。充電電源部件-裝置的分離能夠是暢行的分離，要理解為不受限制。
已知的充電電源部件在空載-工作時，就是說在沒連接裝置時，雖然消耗的只是很少的功率，如果想一下每個插在電源上的充電器空載時有數量級典型為0.2至2瓦(在移動電話時)的損耗功率，幾百萬這種充電器的總功率就絕不可忽視了。本來能在某個地方合理使用的能量，就這樣白白浪費掉了。
總的問題是眾所周知的，也嘗試了設法去補救。由于圖方便或忘卻，幾乎不使用最簡單的可能辦法，即在不需要時從電網上拔掉充電電源部件。成為眾所周知的解決辦法，是在充電功率停止時降低充電器開關電源的節拍頻率，或以預先規定的時間間隔起動充電電源部件，以便檢驗是否要供給功率。即使在這些情況，盡管為電子器件的高額花費，空載損耗始終不可忽視。
作為要求很小空載損耗的第一個結論，是在充電電源部件避免50Hz-電源變壓器，因為其磁損耗不能減少，且采用帶有一個變換器的開關電源，該變換器使得與電網通常的電隔開成為可能。
按照現有技術，一個作為開關電源實施的充電電源部件LNT示于

圖1中。將例如230V的交流電源電壓用一個整流器D1整流，這里用的是一個二極管，通常是一個二極管電橋，以便在中間回路電容C1上產生一個中間回路電壓。將該中間回路電壓借助于一個由激勵電路AST控制的開關S，例如借助于一個開關晶體管置于變換器TRA的初級繞組Wp上，此時以已知的方式應用一個具有可變占空比的矩形脈沖。
激勵電路AST在工作期間經過輔助繞組Wh和輔助整流器D3由一個直流電壓供電，該直流電壓加在電容C2上，有例如9至12V。因為該電壓在起動開關電源時才存在，為了起動需要一個輔助電壓，它是由例如320V的高中間回路電壓經過高歐姆串聯電阻R1和齊納二極管D2導出。因為在串聯電阻R1上有一個數量級為300V的電壓，即使只有一個mA-范圍的電流流過，在此也出現不可忽視的持續損耗。
通過繞組Wp的初級電流同樣以已知的方式在一個低歐姆電阻R2上去測量，并將這個信息輸送給激勵電路AST。在次級側，將次級繞組Ws的電壓用二極管整流器GLR整流，并在電容C3或插入式接口SSS的觸點上供使用。要用這個電壓給一個電氣/電子裝置HAN的蓄電池AKV充電，例如給手機的電池充電。雖然這里是為了簡單緣故示出，電源部件LNT的輸出電壓通常不直接加在要充電的蓄電池上，而是例如經過一個開關晶體管。
電源部件LNT輸出端上的電壓和/或電流能以眾所周知的方式調節。在此，例如由調節電路URE獲得一個與輸出電壓有關的信號，并經過一個光耦合器OKO電流隔開地提供到初級側的激勵電路AST上。
由JP 090076 A得知一種用于電池運行裝置的電池部件，它經過一個直流電壓的/直流電壓變換器為裝置提供一個與電池電壓無關的直流電壓。一個電池電壓檢測器，在電池部件的一個自身的輸出端，顯示電池的剩余電壓或剩余電荷。有關電池的充電該文獻沒有作出結論。
本發明的任務在于創造一種充電電源部件，在這種充電電源部件中空載損耗大大減少或完全消除。
該任務用開始時提到的一種充電電源部件來解決，其中按照本發明在建立到插入式接口的連接時，由蓄電池剩余電壓可導出一個接通信號，該信號為了激活充電電源部件經過一個隔離接口從次級回路可轉接到初級回路。
本發明利用在要充電的蓄電池中實際上總是還有剩余電壓的情況。盡管這個電壓大大低于額定電壓和不夠用于裝置的運行，但是為了產生用于激活充電電源部件的一個接通信號，這個電壓是足夠大的。
因為在分離開插入式接口后開關電源不是必然自己進入到備用工作狀態，如果在分離開插入式接口時可產生一個斷開脈沖，這可能是適當的。
在一個簡單可行的方案中，預先規定隔離接口由一個繼電器的繞組和一個繼電器觸點形成。
另一個適宜的同時費用低廉的可行方案規定，隔離接口由一個光耦合器電路段形成。在這種情況下，光耦合器電路段的發光元件是光電二極管有優點。
在一個適宜的方案中規定，光耦合器電路段的光控元件是一個光電雙向晶閘管開關，它在初級回路中形成一個交流-電源開關。
在另一個同樣優選的實施方案中規定，光耦合器電路段的光敏元件是一個光電晶體管，它在初級側作為一個在電源整流器與一個中間回路之問的一個開關部件。
其次，在另一個符合實際的實施方案中規定，光耦合器電路段的一個光敏開關位于中間回路與作為開關電源設計的充電電源部件的一個初級激勵電路之間。
一個就隔離接口而言另外設計的、然而同樣有利的方案規定，隔離接口是由脈沖變壓器形成，它是為將在建立插入式接口連接時產生的接通脈沖，傳送到作為開關電源設計的初級回路充電電源部件的初級激勵電路設置的。如果作為開關電源設計的充電電源部件的初級激勵電路有一個電子開關，接通脈沖可輸送給該電子開關，并且在分離開插入式接口時所產生的斷開脈沖同樣經過脈沖變壓器可傳送到該開關上，該開關從它的接通-狀態轉到它的斷開-狀態，在此這種情況可能是值得推薦的。
又是一個另外的適宜的方案，其特征在于設置一個有變壓器的輔助開關變換器，它在建立插入式接口連接時被放到蓄電池的剩余電壓上并為作為開關電源設計的充電電源部件的初級激勵電路提供一個起動-供電電壓。
本發明連同其它的優點，在下面用示范性實施形式以圖示直觀詳細闡述。示出的有圖2 按照本發明的一個原理-方塊圖，圖3 在應用一個光耦合器電路段情況下，第一種實施形式的原理圖，圖4 應用一個繼電器的實施形式的原理圖，圖5 為了產生一個接通信號使用一個輔助開關變換器的方案的原理圖，圖6 經過一個脈沖變壓器將一個接通信號帶向初級側的方案的原理圖，圖7 應用一個光耦合器電路段的第二種實施形式的原理圖，圖8 應用一個光耦合器電路段的第三種實施形式的原理圖和圖9 在應用一個電源變壓器和一個光耦合器電路段情況下，一個簡單實施形式的電路圖。
圖2示出的是充電電源部件LNT，它例如像按照圖1作為開關電網設計的那樣，具有一個連接在電網上的初級側PRS與次級側SES分離開的變壓器TRA。經過插入式接口SSS，例如手機上通常的多極插頭連接器，電源部件LNT的輸出電壓輸送給一個裝置HAN的蓄電池AKU。本發明規定在建立到插入式接口SSS上的連接時，例如將充電插頭插到手機上時，由蓄電池AKU的剩余電壓導出或產生一個接通信號se，并經過隔離接口ISS從次級回路SES作為初級接通信號se′轉送到初級回路PRS，以便激活充電電源部件LNT。
如下面用實施例按照圖3至9要闡述的那樣，接通信號se可以是一個一次性的脈沖或一個持續信號，電氣分開的接口可以例如作為光耦合器、繼電器或變壓器來設計。
按照圖3的實施方案，以按照圖1(現有技術)的充電電源部件為出發點，然而有下面的改變。在插入式接口SSS上設置有一個附加的觸點，經過該觸點蓄電池AKU的剩余電壓，在現在的情況下是電容C4上的電壓，在建立到插入式接口SSS上的連接時加到發光二極管LED上，該電容經過電阻R3從蓄電池AKU充電到其當前的電壓。經過光隔離接口ISS接通光電晶體管PTT，該光電晶體管位于激勵電路(AST)的電源輸入端與電容C2之間-參閱圖1。電阻R1是高歐姆的，致使不可能有激勵電路AST的持續運行狀態，然而在電容C2中儲存的能量足夠用于起動開關變換器。然后，經過輔助繞組Wh和二極管D3進行激勵電路AST的供電。于是二極管LED也保持在激活狀態，并且晶體管PTT是接通的。在接口SSS分離開時，又進入備用狀態。
另一種解決方法在按照圖4的電路時有說明，與圖3相比在該圖4發光二極管LED用繼電器的繞組REL代替，且晶體管PTT用這個繼電器REL，r的工作觸點r代替。在建立在接口SSS上的連接時，繼電器繞組REL接到蓄電池AKU的(剩余)電壓上，繼電器接通，且觸點閉合。
正如圖3那樣，激勵電路AST得到一個電壓脈沖，該脈沖足夠用于起動開關變換器。然后，繼電器REL，r保持激活，直至接口SSS的連接又脫開為止。
按照圖5的解決辦法闡述的是另一種方法。在此，圖3和4中的電阻R1和齊納二極管D2被取消，這樣初級側在備用狀態完全沒有電流流過。為了有可能起動開關變換器，設置一個輔助開關變換器HSW，該開關變換器在建立插入式接口SSS上的連接時使其輸入端連到蓄電池AKU的電壓上，這能直接-如這里-或間接進行。輔助開關變換器HSW，例如一個阻塞變換器，必須包括一個帶有電氣隔開繞組的變壓器UET，否則其結構是任意的，此時設計只是為了瞬時工作完成的。從符合現有技術的開關元件，在此只畫出一個整流器D5和一個電容器C5，其中由于充電電源部件LNT的電容器C2的緣故也能將后者取消。
輔助變換器HSW至少在起動期間提供有工作電壓給激勵電路(AST)，此時作為可選擇的方案也能取消充電電源部件LNT的輔助電壓供給Wh，D3，在設計輔助變換器HSW時就要給予考慮。
按照圖6的方案，有關充電電源部件LNT的設計，與圖3和4的結構非常相似。這里設置有一個電子開關FLF，例如一個觸發器(Flip-Flop)，這例如可以包括在激勵電路AST中，但不是必須的。此外，設置一個脈沖發生器IMG，它的任務是在建立接口SSS上的連接時產生一個脈沖，并且電流隔離地引導到開關FLF上，該開關負責充電電源部件LNT的起動，此時它例如將電容器C2上的電壓置于電路AST的電子器件上。在接口SSS脫開時產生另一個脈沖，它又將開關FLF觸發復原并又進入備用狀態。
脈沖發生器IMG的實現例如能以圖6中繪出的類型進行，此時脈沖變壓器IUE初級繞組的一個末端，可經過接口SSS的一個觸點接在蓄電池AKU的電壓上，對此另一個繞組末端經過一個FET-晶體管TRS接在外殼上。這個晶體管TRS的柵電路，經過電阻R4和電容器C6的串聯電路，同樣與提到過的接口觸點連接，并在另一方面經過電阻RS接在外殼上。這個電路使充電電源部件LN I每次插入或脫開裝置HAN時，有可能產生一個脈沖并-電隔離地-從脈沖變壓器IUE的次級繞組發送到開關FLF。
按照圖7的電路方案，非常像那個按照圖3的結構。它的區別在于，激勵電路AST的工作電壓輸入端總是與電容器C2的正極連接并且不-像按照圖3那樣-經過一個光電晶體管。與之相反，在中間回路ZWK的整流器D1與交流電網之間接一個光電雙向晶閘管開關TRI作為電網開關，它形成隔離接口ISS的第二個元件，即在此是光耦合器電路段LED-TRI的第二個元件。在運行期間，二極管LED輸出一個持續光信號，該信號保持開關TRI閉合，直至接口SSS再脫開。在該解決辦法中，在備用狀態也從電網得不到電流。
本發明的另一個然而是相似的方案示于圖8中。這里，光耦合器電路段的第二個元件是一個光電晶體管PHT，用于觸發開關晶體管STS。這個晶體管STS作為開關位于電網整流器D1與中間回路電容器C1之間。光電晶體管PHT用其集電極經過電阻R6連接在中間回路電容器C1的正極上，用其發射極連接在開關晶體管STS的柵電路上。開關晶體管經過電阻R7和-與此并聯地-齊納二極管D6連在外殼上。在此也確保在備用狀態決不接收功率。
用圖8-代表所有的實施形式-來闡述起動按鈕STA可能的應用，它是用虛線畫出，平行于光電晶體管PHT并能將其跨接，前提是出自某種原因蓄電池AKU的剩余電壓小到不足以產生足夠大的接通信號se。在這種情況，裝置和充電電源部件的用戶能通過短時間按起動按鈕STA進入充電工作。
圖9的實施方案示出，充電電源部件LNT不是必然地作為開關電源來執行。這里示出的是一個電源變壓器NTR，其初級繞組可經過一個光電雙向晶閘管開關接到交流電網，對此從中間抽頭的次級繞組通過用二極管GD1，GD2整流為裝置HAN的蓄電池AKU獲得充電電壓。如按照圖7那樣，又能在將充電電源部件LNT插到裝置HAN時，經過插入式接口SSS的一個觸點使發光二極管LED運行，二極管的串聯電阻Rv在這里位于充電電源部件LNT中。這樣，雙向晶閘管開關TRI成為導通的，且充電電源部件LNT一直提供電壓，直至插入式接口SSS的連接脫開。圖9的實施方案清楚地表明，通過本發明也可采用電源頻率變壓器，因為與充電電源部件脫開的裝置損耗為零。
權利要求
1.用于電池供電的電氣/電子裝置(HAN)的充電電源部件(LNT)，帶有一個電流是隔開的變壓器(TRA)，該變壓器在其初級回路可由一個電網供電，其次級回路有一個為該裝置的蓄電池(AKU)提供充電電壓的變流器/整流器(GLR)，此時充電電源部件和該裝置可經過一個電氣插入式接口(SSS)連接，其特征在于在建立到插入式接口(SSS)的連接時由蓄電池(AKU)剩余電壓可導出一個接通信號(se)，該信號為了激活充電電源部件(LNT)經過一個隔離接口(ISS)從次級回路(SES)可轉接到初級回路(PRS)。
2.如權利要求1的充電電源部件，其特征在于在分離開插入式接口(SSS)時可產生一個斷開脈沖。
3.如權利要求1或2的充電電源部件，其特征在于隔離接口(ISS)由一個繼電器(REL，r)的繞組(REL)和一個繼電器觸點(r)形成(圖4)。
4.如權利要求1或2的充電電源部件，其特征在于隔離接口(ISS)由一個光耦合器電路段(LED；PTT，PHT，TRI)形成(圖3，7，8，9)。
5.如權利要求4的充電電源部件，其特征在于光耦合器電路段的發光元件是一個發光二極管(LED)。
6.如權利要求4或5的充電電源部件，其特征在于光耦合器電路段的光控元件是一個光電雙向晶閘管開關(TRI)，它在初級回路中形成一個交流-電源開關(圖7，9)。
7.如權利要求4或5的充電電源部件，其特征在于光耦合器電路段的光敏元件是一個光電晶體管(PHT)，它在初級側作為開關也可作為一個電源整流器(D1)與一個中間回路(ZKW)之間的開關部件(圖8)。
8.如權利要求4或5的充電電源部件，其特征在于光耦合器電路段的一個光敏開關(PTT)位于中間回路(ZKW)與作為開關電源設計的充電電源部件的一個初級激勵電路(AST)之間(圖2)。
9.如權利要求1的充電電源部件，其特征在于隔離接口(ISS)是由脈沖變壓器(IUE)形成，它是為將在建立插入式接口連接時產生的接通脈沖，傳送到作為開關電源設計的初級回路充電電源部件的初級激勵電路(AST)設置的(圖6)。
10.如權利要求1、2和9的充電電源部件，其特征在于作為開關電源設計的充電電源部件的初級激勵電路(AST)有一個電子開關(FLF)，接通脈沖可輸送給該電子開關，并且在分離開插入式接口(SSS)時所產生的斷開脈沖同樣經過脈沖變壓器(IUE)可傳送到該開關上，該開關從它的接通-狀態轉到它的斷開-狀態(圖6)。
11.如權利要求1的充電電源部件，其特征在于設置一個有變壓器(UET)的輔助開關變換器(HSW)，它在建立插入式接口連接時被放到蓄電池(AKU)的剩余電壓上并為作為開關電源設計的充電電源部件的初級激勵電路(AST)提供一個起動-供電電壓(圖5)。
全文摘要
用于電池供電的電氣/電子裝置(HAN)的充電電源部件(LNT)，帶有一個電流是隔開的變壓器(TRA)，該變壓器在其初級回路可由一個電網供電，其次級回路有一個為該裝置的蓄電池(AKU)提供充電電壓的變流器/整流器(GLR)，此時充電電源部件和該裝置可經過一個電氣插入式接口(SSS)連接，在建立到插入式接口(SSS)的連接時，由蓄電池(AKU)剩余電壓可導出一個接通信號(se)，該信號為了激活充電電源部件(LNT)經過一個隔離接口(ISS)從次級回路(SES)可轉接到初級回路(PRS)。
文檔編號H02J9/00GK1653671SQ03810895
公開日2005年8月10日 申請日期2003年4月28日 優先權日2002年5月14日
發明者H·施維格爾特 申請人:奧地利西門子公司