Зарядное устройство и способ зарядки Российский патент 2017 года по МПК H02J7/00 H02M3/155 H02J7/34 

Область техники

Изобретение относится к технологии зарядки электронных устройств и, в частности, к зарядному устройству и способу зарядки.

Предпосылки создания изобретения

Функция зарядки универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus, USB) заключается в зарядке оконечного устройства через порт USB персонального компьютера (Personal Computer, PC) или портативного компьютера. В настоящее время многие карманные устройства, такие как МР3-проигрыватели, мобильные телефоны и им подобные снабжаются зарядным устройством USB; шина передачи данных в качестве шины питания вставляется в порт USB персонального компьютера или портативного компьютера, чтобы автоматически заряжать оконечное устройство, что делает жизнь людей намного более удобной. Процесс зарядки включает три этапа зарядки: зарядку постоянным напряжением, зарядку постоянным током и зарядку малым током.

Обычно выходное напряжение от порта USB персонального компьютера или портативного компьютера равняется 5 В, что является относительно точным; однако выходной ток от порта USB мал, и зарядка малым током необходима на конечном этапе процесса зарядки. Зарядка малым током должна компенсировать потерю емкости, вызванную саморазрядом батареи после того, как батарея полностью заряжена. После того, как батарея полностью заряжена, потеря емкости, вызванная саморазрядом, обычно составляет 5% номинальной емкости. Теоретически, потерю емкости, вызванную саморазрядом, можно компенсировать непрерывной зарядкой током С/500. Так как малый ток слишком мал, процесс зарядки малым током очень медленен, что увеличивает время зарядки и уменьшает ее эффективность.

На фиг. 1 показана принципиальная схема зарядки через интерфейс USB в предшествующем уровне техники; в реальных применениях во время процесса зарядки электронных устройств, как правило, ток ограничен 400 мА, полная подводимая мощность - 2 Вт, выходное напряжение от полевого транзистора со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистора) понижается до некоторого диапазона напряжений аккумуляторной батареей электронного устройства, обычно до диапазона напряжений от 3,6 В до 4,3 В, в это время выходная мощность составляет от 1,44 Вт до 1,72 Вт, и ток ниже чем 400 мА, когда напряжение близко к 4,3 В; поэтому во время процесса зарядки малым током МОП-транзистор, используемый для ограничения тока, потребляет мощность; увеличение эффективности зарядки на этапе зарядки малым током является задачей, требующей решения.

Сущность изобретения

Ввиду вышеизложенного, вариантами осуществления изобретения главным образом являются зарядное устройство и способ зарядки, которые могут увеличить эффективность зарядки.

Далее будут показаны технические решения в виде вариантов осуществления изобретения, направленных на достижение упомянутой выше цели.

Одним из вариантов осуществления изобретения является зарядное устройство, содержащее: цепь заряда, цепь накопления энергии и управляемый ключ, причем

цепь заряда сконфигурирована для зарядки заряжаемого объекта;

цепь накопления энергии сконфигурирована для накопления энергии, когда цепь заряда заряжает заряжаемый объект, и зарядки заряжаемого объекта, когда цепь заряда находится в выключенном состоянии; и

управляемый ключ сконфигурирован для поочередного включения и выключения цепи заряда согласно командам управления, принимаемым периодически, для выключения цепи накопления энергии, когда цепь заряда включена, и включения цепи накопления энергии, когда цепь заряда выключена.

Предпочтительно, цепь накопления энергии может содержать катушку индуктивности фильтра накопления энергии, конденсатор фильтра накопления энергии и выпрямительный диод, причем

один вывод конденсатора фильтра накопления энергии соединен с одним выводом катушки индуктивности фильтра накопления энергии, другой вывод конденсатора фильтра накопления энергии соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; другой вывод катушки индуктивности фильтра накопления энергии соединен с положительным выводом заряжающего источника питания через управляемый ключ и соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания через выпрямительный диод; при этом выпрямительный диод запирает направление от положительного вывода к отрицательному выводу заряжающего источника питания.

Предпочтительно, управляемый ключ может быть транзисторным силовым ключом; при этом

соединение другого вывода катушки индуктивности фильтра накопления энергии с положительным выводом заряжающего источника питания через управляемый ключ включает: соединение другого вывода катушки индуктивности фильтра накопления энергии с коллектором транзистора силового ключа, и соединение эмиттера транзистора силового ключа с положительным выводом заряжающего источника питания.

Предпочтительно, накопление энергии цепью накопления энергии может включать следующее:

когда транзисторный силовой ключ включен, катушка индуктивности фильтра накопления энергии препятствует протеканию через нее тока, превышающего заранее заданный порог, и преобразует ток, текущий через нее, в энергию магнитного поля для накопления; конденсатор фильтра накопления энергии преобразует частичный ток, текущий через катушку индуктивности фильтра накопления энергии, в заряды для накопления; и

зарядка заряжаемого объекта цепью накопления энергии включает следующее:

когда транзисторный силовой ключ выключен, катушка индуктивности фильтра накопления энергии преобразует накопленную энергию магнитного поля в ток для продолжения зарядки заряжаемого объекта через выпрямительный диод; конденсатор фильтра накопления энергии преобразует накопленные заряды в ток для продолжения зарядки заряжаемого объекта.

Предпочтительно, цепь накопления энергии может содержать:

ограничивающий ток конденсатор, ограничивающий ток резистор, первый конденсатор накопления энергии, второй конденсатор накопления энергии, третий конденсатор накопления энергии, первый резистор, второй резистор, третий резистор, первый стабилитрон, второй стабилитрон, первый диод, второй диод, транзистор и МОП-транзистор, при этом

один вывод ограничивающего ток конденсатора соединен с одним выводом управляемого ключа; другой вывод ограничивающего ток конденсатора соединен с ограничивающим ток резистором и анодом первого диода, соответственно; другой вывод ограничивающего ток резистора соединен с катодом первого стабилитрона; анод первого стабилитрона соединен с одним выводом первого резистора и одним выводом транзистора, соответственно; один вывод первого резистора соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; катод первого диода соединен с одним выводом первого конденсатора накопления энергии, одним выводом второго резистора, одним выводом третьего резистора и катодом второго диода, соответственно; другой вывод первого конденсатора накопления энергии соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; третий вывод транзистора соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; сток МОП-транзистора соединен с одним выводом третьего резистора; затвор МОП-транзистора соединен с одним выводом второго резистора и катодом второго стабилитрона, соответственно; анод второго стабилитрона соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; исток МОП-транзистора соединен с анодом второго диода, одним выводом второго конденсатора накопления энергии и одним выводом третьего конденсатора накопления энергии, соответственно; другой вывод второго конденсатора накопления энергии и другой вывод третьего конденсатора накопления энергии соединены с отрицательным выводом заряжающего источника питания.

Предпочтительно, накопление энергии цепью накопления энергии может включать следующее:

когда управляемый ключ включен, второй конденсатор накопления энергии и третий конденсатор накопления энергии накапливают заряды, используя цепь, образованную вторым стабилитроном, вторым резистором, третьим резистором и МОП-транзистором; и

зарядка заряжаемого объекта цепью накопления энергии включает следующее:

когда управляемый ключ выключен, второй конденсатор накопления энергии и третий конденсатор накопления энергии заряжают заряжаемый объект, используя цепь, образованную вторым диодом, вторым резистором, третьим резистором и МОП-транзистором.

Одним из вариантов осуществления изобретения является также способ зарядки, применимый к вышеупомянутому зарядному устройству, причем этот способ включает:

поочередное включение и выключение цепи заряда управляемым ключом согласно управляющим командам, принимаемым периодически; выключение цепи накопления энергии управляемым ключом, когда цепь заряда включена; и включение управляемым ключом цепи накопления энергии, когда цепь заряда выключена;

накопление энергии цепью накопления энергии, когда цепь заряда заряжает заряжаемый объект, и зарядку цепью накопления энергии заряжаемого объекта, когда цепь заряда находится в выключенном состоянии.

Цепь накопления энергии предпочтительно может содержать катушку индуктивности фильтра накопления энергии, конденсатор фильтра накопления энергии и выпрямительный диод, при этом

накопление энергии цепью накопления энергии включает следующее: когда транзисторный силовой ключ включен, препятствование катушкой индуктивности фильтра накопления энергии протеканию через нее тока, превышающего заранее заданный порог, и преобразование катушкой индуктивности фильтра накопления энергии тока, текущего через нее, в энергию магнитного поля для накопления; преобразование конденсатором фильтра накопления энергии частичного тока, текущего через катушку индуктивности фильтра накопления энергии, в заряды для накопления;

зарядка цепью накопления энергии заряжаемого объекта включает следующее: когда транзисторный силовой ключ выключен, преобразование катушкой индуктивности фильтра накопления энергии накопленной магнитной энергии в ток для продолжения зарядки заряжаемого объекта через выпрямительный диод; преобразование конденсатором фильтра накопления энергии накопленных зарядов в ток для продолжения зарядки заряжаемого объекта.

Цепь накопления энергии предпочтительно может содержать: ограничивающий ток конденсатор, ограничивающий ток резистор, первый конденсатор накопления энергии, второй конденсатор накопления энергии, третий конденсатор накопления энергии, первый резистор, второй резистор, третий резистор, первый стабилитрон, второй стабилитрон, первый диод, второй диод, транзистор и МОП-транзистор, при этом

накопление энергии цепью накопления энергии включает следующее: когда управляемый ключ включен, накопление вторым конденсатором накопления энергии и третьим конденсатором накопления энергии зарядов с использованием цепи, образованной вторым полупроводниковым стабилитроном, вторым резистором, третьим резистором и МОП-транзистором;

зарядка цепью накопления энергии заряжаемого объекта включает следующее: когда управляемый ключ выключен, зарядку вторым конденсатором накопления энергии и третьим конденсатором накопления энергии заряжаемого объекта с использованием цепи, образованной вторым диодом, вторым резистором, третьим резистором и МОП-транзистором.

В зарядном устройстве и способе зарядки, предлагаемыми вариантами осуществления изобретения, управляемый ключ поочередно включает и выключает цепь заряда согласно управляющим командам, принимаемым периодически, выключает цепь накопления энергии, когда цепь заряда включена, и включает цепь накопления энергии, когда цепь заряда выключена; цепь накопления энергии накапливает энергию, когда цепь заряда заряжает заряжаемый объект, и цепь накопления заряжает объект, когда цепь заряда выключена. Таким образом, на основании принципа накопления энергии и выделения энергии для уменьшения напряжения и посредством модификации цепи вариант осуществления изобретения сокращает время зарядки малым током, увеличивает эффективность зарядки малым током, и тем самым сокращает полное время трех этапов зарядки, включающих зарядку постоянным напряжением, зарядку постоянным током и зарядку малым током, увеличивает эффективность зарядки и улучшает взаимодействие с пользователем. Кроме того, устройство, предлагаемое в одном из вариантов осуществления изобретения, может быть установлено в электронное устройство для зарядки перезаряжаемой батареи в электронном устройстве, причем электронное устройство может быть МР3-плеером, мобильным телефоном и другим карманным устройством, переносным источником питания, зарядным устройством и другими зарядными устройствами.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана принципиальная схема зарядки через интерфейс USB в предшествующем уровне техники.

На фиг. 2 показана структурная схема зарядного устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 3 показана принципиальная схема зарядного устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 4 показана эквивалентная схема принципиальной схемы, показанной на фиг. 3, согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 5 показаны временные диаграммы формы токов и напряжений в принципиальной схеме, показанной на фиг. 3, согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 6 показана другая принципиальная схема зарядного устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

На фиг. 7 показана блок-схема реализации способа зарядки согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Изобретение описывается ниже более подробно совместно с прилагаемыми чертежами и конкретными вариантами осуществления.

На фиг. 2 показана структурная схема зарядного устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения; как показано на фиг. 2, устройство содержит цепь 21 заряда, цепь 22 накопления энергии и управляемый ключ 23, причем

цепь 21 заряда сконфигурирована для зарядки заряжаемого объекта;

цепь 22 накопления энергии сконфигурирована для накопления энергии, когда цепь 21 заряда заряжает заряжаемый объект, и зарядки заряжаемого объекта, когда цепь 21 заряда выключена; и

управляемый ключ 23 сконфигурирован для поочередного включения и выключения цепи 21 заряда согласно управляющим командам, принимаемым периодически, выключения цепи 22 накопления энергии, когда цепь 21 заряда включена, и включения цепи 22 накопления энергии, когда цепь 21 заряда выключена.

В частности, порт USB персонального компьютера или портативного компьютера подает напряжение на устройство.

Управляемый ключ может управляться программируемой микросхемой.

Устройство может устанавливаться в электронное устройство для зарядки перезаряжаемой батареи в электронном устройстве.

На фиг. 3 показана принципиальная схема зарядного устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения; как показано на фиг. 3, цепь накопления энергии на этой схеме содержит катушку индуктивности L фильтра накопления энергии, конденсатор С фильтра накопления энергии и выпрямительный диод D, при этом

один вывод конденсатора С фильтра накопления энергии соединен с одним выводом катушки индуктивности L фильтра накопления энергии, другой вывод конденсатора фильтра накопления энергии соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; другой вывод катушки индуктивности L фильтра накопления энергии соединен с положительным выводом заряжающего источника питания через управляемый ключ, и соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания через выпрямительный диод; выпрямительный диод запирает направление от положительного вывода к отрицательному выводу заряжающего источника питания.

Здесь управляемый ключ может быть транзисторным силовым ключом VT; источником зарядки может быть 5 В напряжение, подаваемое портом USB персонального компьютера или портативного компьютера.

В частности, соединение другого вывода катушки индуктивности L фильтра накопления энергии с положительным выводом заряжающего источника питания через управляемый ключ включает:

соединение другого вывода катушки индуктивности L фильтра накопления энергии с коллектором транзистора силового ключа VT и соединение эмиттера транзистора силового ключа VT с положительным выводом заряжающего источника питания.

Накопление энергии цепью накопления энергии включает:

когда транзисторный силовой ключ VT включен, катушка индуктивности L фильтра накопления энергии препятствует протеканию через нее тока, превышающего заранее заданный порог, и преобразует ток, текущий через нее, в энергию магнитного поля для накопления; конденсатор С фильтра накопления энергии преобразует частичный ток, текущий через катушку индуктивности L фильтра накопления энергии, в заряды для накопления;

зарядка заряжаемого объекта цепью накопления энергии включает:

когда транзисторный силовой ключ VT выключен, катушка индуктивности L фильтра накопления энергии преобразует накопленную энергию магнитного поля в ток, чтобы продолжать заряжать заряжаемый объект через выпрямительный диод; конденсатор С фильтра накопления энергии преобразует накопленные заряды в ток, чтобы продолжать заряжать заряжаемый объект.

Частота транзисторного силового ключа VT предпочтительно равняется 20 МГц.

При этом, когда транзисторный силовой ключ VT проводит, катушка индуктивности L фильтра накопления энергии ограничивает протекание большого тока, чтобы препятствовать прямому приложению напряжения к заряжаемому объекту, когда ключ проводит, а также препятствовать прямому приложению напряжения к нагрузке R, когда ключ проводит.

Заряжаемый объект обычно относится к перезаряжаемой аккумуляторной батарее, эквивалентной нагрузке R на фиг. 3.

При этом, когда транзисторный силовой ключ VT выключен, выпрямительный диод D функционирует как цепь для тока последействия, которая освобождает энергию и обеспечивает путь тока для катушки индуктивности L фильтра накопления энергии.

На фиг. 4 показана эквивалентная схема принципиальной схемы, показанной на фиг. 3, согласно одному из вариантов осуществления изобретения; фиг. 4(а) представляет собой эквивалентную схему в состоянии, когда транзисторный силовой ключ VT проводит; фиг. 4(b) - эквивалентную схему в состоянии, когда транзисторный силовой ключ VT выключен; фиг. 4(с) - общую эквивалентную схему принципиальной схемы, показанной на фиг. 3.

В дальнейшем, принципиальная схема, показанная на фиг. 3, описывается вместе с эквивалентной схемой, показанной на фиг. 4, и временной диаграммой формы напряжений и токов, показанной на фиг. 5. Для удобства описания конденсатор фильтра накопления энергии далее именуется как ''конденсатор'', а катушка индуктивности фильтра накопления энергии далее именуется как ''катушка индуктивности''.

(1) В течение периода управления, когда транзисторный силовой ключ VT выключен, катушка индуктивности L генерирует обратную электродвижущую силу; ток i_L текущий через катушку индуктивности, вытекает от плюса обратной электродвижущей силы, течет через анод выпрямительного диода D после прохождения через нагрузку R, и затем вытекает из катода выпрямительного диода D, и, наконец, возвращается к минусу обратной электродвижущей силы; эквивалентная схема позволяет пульсирующему напряжению постоянного тока подавать на выход среднее значение после сглаживающей фильтрации так, чтобы достигнуть эффекта уменьшения напряжения.

(2) Из фиг. 4(с) можно видеть, что катушка индуктивности L и конденсатор С составляют фильтр нижних частот; принципом построения фильтра нижних частот позволяет прохождение составляющей постоянного тока us(t) и препятствует прохождению гармонической составляющей us(t); выходное напряжение U₀ конденсатора представляет собой составляющую постоянного тока us(t) плюс малые пульсации напряжения uripple(t). Так как рабочая частота цепи высока, uripple(t), вызванные зарядом-разрядом конденсатора, малы в период переключения; по сравнению с напряжением постоянного тока U₀, подаваемого на выход конденсатором, |uripple(t)|<<U₀; поэтому выходное напряжение конденсатора можно рассматривать как постоянное, которое удовлетворяет правилу аппроксимации пульсаций при анализе установившегося состояния цепи переключателя в соответствующем уровне техники.

(3) Неустановившийся процесс регулировки напряжения на конденсаторе заключается в следующем: в течение периода, если заряжающий заряд выше разряжающего заряда конденсатора, напряжение конденсатора увеличивается, это приводит к уменьшению заряжающего заряда и увеличению разряжающего заряда в последующие периоды, таким образом, обеспечивается медленное увеличение напряжения на конденсаторе; этот процесс длится до тех пор, пока не реализуется баланс заряда-разряда, в это время напряжение поддерживается неизменным; иначе, если в течение периода разряжающий заряд выше заряжающего заряда, это приводит к увеличению заряжающего заряда и уменьшению разряжающего заряда в последующие периоды, таким образом, обеспечивается медленное уменьшение напряжения на конденсаторе; этот процесс длится до тех пор, пока не реализуется баланс заряда-разряда, после чего напряжение поддерживается неизменным; то есть выполняется общий закон баланса заряда-разряда у конденсатора, когда цепь находится в установившемся режиме.

(4) Когда эквивалентный переключатель S находится у вывода 1, ток катушки индуктивности увеличивается и катушка индуктивности накапливает энергию; когда переключатель S находится у вывода 2, ток катушки индуктивности уменьшается, и катушка индуктивности отдает энергию. Предположим, что приращение тока больше чем уменьшение тока, тогда в период переключения приращение потокосцепления ΔΨ=L(Δi) больше чем 0 у катушки индуктивности; это приращение будет генерировать среднюю наведенную электродвижущую силу u=ΔΨ/Т, которая больше чем 0; это средняя наведенная электродвижущая сила будет уменьшать скорость увеличения тока катушки индуктивности и в то же время уменьшать скорость уменьшения тока катушки индуктивности, и, наконец, приводить к нулевому среднему приращению тока катушки индуктивности за период; аналогично, если в период переключения приращение потокосцепления ΔΨ=L(Δi) меньше чем 0 у катушки индуктивности, в итоге будет вызвано нулевое среднее приращение тока катушки индуктивности за период. В установившемся состоянии среднее приращение тока катушки индуктивности за период является нулевым, то есть среднее приращение потокосцепления является нулевым, что удовлетворяет принципу вольт-секундного баланса индукции.

(5) Предположим, что от 0 до t₂ является периодом, и от 0 до t₁ является периодом проводимости транзисторного силового ключа VT, от t₁ до t₂ является периодом, когда транзисторный силовой ключ VT выключен, тогда установившееся действие тока катушки индуктивности в режиме непрерывной проводимости (Continuous Conduction Mode, ССМ) является следующим:

(1) Состояние проводимости транзисторного силового ключа VT (0≤t≤t₁=dt)

Когда эквивалентный переключатель S соединен с выводом 1, то есть когда транзисторный силовой ключ VT проводит, следующая формула может быть получена согласно эквивалентной схеме, показанной на фиг. 4(а):

где u_VT представляет напряжение транзисторного силового ключа VT, U_d представляет напряжение, подаваемое внешним источником для зарядки; вообще, внешний источник для зарядки относится к выходному напряжению от порта USB персонального компьютера или портативного компьютера, U_d - обычно 5 В; U_o представляет выходное напряжение от конденсатора.

Так как рабочая частота цепи очень высока, в течение одного периода U_d и U_o в основном остаются неизменными, и могут рассматриваться как имеющие постоянные значения, то есть и (U_d-U_o) может рассматриваться как константа, тогда ток изменяется по линейному закону; диаграмма изменения напряжений u_L и u_VT показана на фиг. 5.

Согласно формуле и получаются следующие формулы:

где i₀ является постоянным, i_C и i_L имеют одинаковый наклон, i_VT представляет ток транзисторного силового ключа VT, i_C представляет ток конденсатора С, i_L представляет ток катушки индуктивности L, i₀ представляет ток нагрузки R, диаграмма изменения токов i_C, i_L и i_VT показана на фиг. 5.

(2) Выключенное состояние транзисторного силового ключа VT (t₁≤t≤t₂)

Когда эквивалентный переключатель S соединен с выводом 2, то есть когда транзисторный силовой ключ VT выключен, выпрямительный диод VD проводит; следующая формула может быть получена согласно эквивалентной схеме, показанной на фиг. 4(b):

Так как U_o рассматривается в основном неизменным, получаются следующие формулы:

где i₀ является постоянным, i_C и i_L имеют одинаковый наклон, диаграмма изменения напряжений u_L и u_VT и изменения токов i_C, i_L и i_VT показана на фиг. 5.

Подводя итоги, i_C может быть увеличен вследствие уменьшения U₀. Программируемая управляющая микросхема управляет U₀, управляя временем включения и временем выключения транзисторного силового ключа, для достижения эффекта уменьшения зарядного напряжения и увеличения зарядного тока, а значит, увеличения эффективности зарядки.

Согласно этому принципу накопления энергии и освобождения энергии, один из вариантов осуществления изобретения предлагает также другую принципиальную схему зарядного устройства, которая показана на фиг. 6, цепь накопления энергии на этой схеме содержит: ограничивающий ток конденсатор С₀, ограничивающий ток резистор R₀, первый конденсатор накопления энергии C₁, второй конденсатор накопления энергии С₂, третий конденсатор накопления энергии С₃, первый резистор R₁, второй резистор R₂, третий резистор R₃, первый полупроводниковый стабилитрон D₁, первый диод D₂, второй полупроводниковый стабилитрон D₃, второй диод D₄, транзистор Т₁ и МОП-транзистор, при этом:

один вывод ограничивающего ток конденсатора С₀ соединен с одним выводом управляемого ключа S₁; другой вывод ограничивающего ток конденсатора С₀ соединен с ограничивающим ток резистором R₀ и анодом первого диода D₂, соответственно; другой вывод ограничивающего ток резистора R₀ соединен с катодом первого стабилитрона анод первого стабилитрона D₁ соединен с одним выводом первого резистора R₁ и одним выводом транзистора T₁, соответственно; один вывод первого резистора R₁ соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; катод первого диода D₂ соединен с одним выводом первого конденсатора накопления энергии C₁, одним выводом второго резистора R₂, одним выводом третьего резистора R₃ и катодом второго диода D₄, соответственно; другой вывод конденсатора накопления энергии C₁ соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; третий вывод транзистора T₁ соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; сток МОП-транзистора соединен с одним выводом третьего резистора R₃; затвор МОП-транзистора соединен с одним выводом второго резистора R₂ и катодом второго стабилитрона D₃, соответственно; анод второго стабилитрона D₃ соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; исток МОП-транзистора соединен с анодом второго диода D₄, одним выводом второго конденсатора накопления энергии С₂ и одним выводом третьего конденсатора накопления энергии С₃, соответственно; другой вывод второго конденсатора накопления энергии С₂ и другой вывод третьего конденсатора накопления энергии С₃ соединены с отрицательным выводом заряжающего источника питания.

В частности, накопление энергии цепью накопления энергии включает:

когда управляемый ключ S₁ включен, второй конденсатор накопления энергии С₂ и третий конденсатор накопления энергии С₃ накапливают заряд, используя цепь, образованную вторым стабилитроном D₃, вторым резистором R₂, третьим резистором R₃ и МОП-транзистором;

зарядка заряжаемого объекта цепью накопления энергии включает:

когда управляемый ключ S₁ выключен, второй конденсатор накопления энергии С₂ и третий конденсатор накопления энергии С₃ заряжают заряжаемый объект, используя цепь, образованную вторым диодом D₄, вторым резистором R₂, третьим резистором R₃ и МОП-транзистором.

Здесь управляемый ключ S₁ может быть транзисторным силовым ключом.

В частности, когда управляемый ключ S₁ проводит, С₀ и R₀ ограничивают главную цепь по току, текущему в плате цепи управления, чтобы предотвратить разрушение чрезмерным током элементов в цепи накопления энергии; когда напряжение конденсатора накопления энергии достигает необходимого значения, транзистор Т₁ проводит; ток, параллельный главной цепи, обеспечивает работу платы цепи управления с помощью энергии в конденсаторе накопления энергии до тех пор, пока электропитание главной цепи не зарядит цепь накопления энергии в следующем периоде; D₃ вместе с R₂, R₃ и МОП-транзистором формирует цепь заряда конденсаторов C₂ и С₃; D₄ - диод, используемый для разряда конденсаторов накопления энергии С₂ и С₃; на фиг. 6, МОП-транзистор представлен символом Q₁; C₁ - полиэфирный металлопленочный конденсатор; С₂ и С₃ - алюминиевые электролитические конденсаторы; емкость конденсатора может быть установлена согласно конкретным условиям.

Когда плата цепи управления работает нормально, C₁ заряжается один раз за каждый период; энергия, накапливаемая в конденсаторе С₁ достаточна, чтобы обеспечивать зарядку нагрузки; однако, когда главная цепь S₁ закрыта, напряжение уменьшается до 0 В, главная цепь не может зарядить конденсатор накопления энергии, и в это время C₁, С₂ и С₃ продолжают заряжать нагрузку.

Посредством режима накопления энергии и выделения энергии вышеупомянутой цепью, напряжение зарядки может быть уменьшено, и ток зарядки может быть увеличен, таким образом эффективность зарядки может быть увеличена.

На фиг. 7 показана блок-схема реализации способа зарядки согласно одному из вариантов осуществления изобретения. Как показано на фиг. 7, способ включает следующие шаги:

Шаг 701: управляемый ключ поочередно включает и выключает цепь заряда согласно управляющим командам, принимаемым периодически, выключает цепь накопления энергии, когда цепь заряда включена, и включает цепь накопления энергии, когда цепь заряда выключена.

Шаг 702: цепь накопления энергии накапливает энергию, когда цепь заряда заряжает заряжаемый объект, и цепь накопления энергии заряжает объект, когда цепь заряда выключена.

Цепь накопления энергии предпочтительно содержит катушку индуктивности фильтра накопления энергии, конденсатор фильтра накопления энергии и выпрямительный диод;

накопление энергии цепью накопления энергии включает: когда транзисторный силовой ключ включен, катушка индуктивности фильтра накопления энергии препятствует протеканию через нее тока, превышающего заранее заданный порог, и преобразует ток, текущий через нее, в энергию магнитного поля для накопления; конденсатор фильтра накопления энергии преобразует частичный ток, текущий через катушку индуктивности фильтра накопления энергии, в заряды для накопления;

зарядка заряжаемого объекта цепью накопления энергии включает: когда транзисторный силовой ключ выключен, катушка индуктивности фильтра накопления энергии преобразует накопленную энергию магнитного поля в ток, чтобы продолжать заряжать заряжаемый объект через выпрямительный диод; конденсатор фильтра накопления энергии преобразует накопленные заряды в ток, чтобы продолжать заряжать заряжаемый объект.

Цепь накопления энергии предпочтительно содержит: ограничивающий ток конденсатор, ограничивающий ток резистор, первый конденсатор накопления энергии, второй конденсатор накопления энергии, третий конденсатор накопления энергии, первый резистор, второй резистор, третий резистор, первый стабилитрон, второй стабилитрон, первый диод, второй диод, транзистор и МОП-транзистор,

накопление энергии цепью накопления энергии включает: когда управляемый ключ включен, второй конденсатор накопления энергии и третий конденсатор накопления энергии накапливают заряды, используя цепь, образованную вторым полупроводниковым стабилитроном, вторым резистором, третьим резистором и МОП-транзистором;

зарядка заряжаемого объекта цепью накопления энергии включает: когда управляемый ключ выключен, второй конденсатор накопления энергии и третий конденсатор накопления энергии заряжают заряжаемый объект, используя цепь, образованную вторым диодом, вторым резистором, третьим резистором и МОП-транзистором.

Описанное выше представляет собой только предпочтительные варианты осуществления изобретения и не предназначено для ограничения объема охраны изобретения. Любое изменение, эквивалентные замены и улучшения, сделанные в пределах сущности и принципа изобретения, считаются включенными в объем охраны изобретения.

Промышленная применимость

В одном из вариантов осуществления изобретения управляемый ключ поочередно включает и выключает цепь заряда согласно управляющим командам, принимаемым периодически, выключает цепь накопления энергии, когда цепь заряда включена, и включает цепь накопления энергии, когда цепь заряда выключена; цепь накопления энергии накапливает энергию, когда цепь заряда заряжает заряжаемый объект, и цепь накопления энергии заставляет объект заряжаться, когда цепь заряда выключена; таким образом, увеличивается эффективность зарядки и улучшается взаимодействие с пользователем.

Использование – в области электротехники. Технический результат – повышение эффективности зарядки. Согласно изобретению зарядное устройство содержит: цепь заряда, цепь накопления энергии и управляемый ключ, причем цепь заряда сконфигурирована для зарядки заряжаемого объекта, цепь накопления энергии сконфигурирована для накопления энергии, когда цепь заряда заряжает заряжаемый объект, и зарядки заряжаемого объекта, когда цепь заряда выключена, и управляемый ключ сконфигурирован так, чтобы поочередно включать и выключать цепь заряда согласно управляющим командам, принимаемым периодически, выключать цепь накопления энергии, когда цепь заряда включена, и включать цепь накопления энергии, когда цепь заряда выключена. Кроме того, описывается способ зарядки упомянутым выше зарядным устройством. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Зарядное устройство, содержащее цепь заряда, цепь накопления энергии и управляемый ключ, причем

цепь заряда сконфигурирована для зарядки заряжаемого объекта;

цепь накопления энергии сконфигурирована для накопления энергии, когда цепь заряда заряжает заряжаемый объект, и зарядки заряжаемого объекта, когда цепь заряда находится в выключенном состоянии; и

управляемый ключ сконфигурирован для поочередного включения и выключения цепи заряда согласно командам управления, принимаемым периодически, для выключения цепи накопления энергии, когда цепь заряда включена, так что цепь заряда заряжает заряжаемый объект, а цепь накопления энергии накапливает энергию, и включения цепи накопления энергии, когда цепь заряда выключена, так что цепь накопления энергии заряжает заряжаемый объект,

при этом цепь накопления энергии содержит: ограничивающий ток конденсатор, ограничивающий ток резистор, первый конденсатор накопления энергии, второй конденсатор накопления энергии, третий конденсатор накопления энергии, первый резистор, второй резистор, третий резистор, первый стабилитрон, второй стабилитрон, первый диод, второй диод, транзистор и МОП-транзистор,

при этом один вывод ограничивающего ток конденсатора соединен с одним выводом управляемого ключа; другой вывод ограничивающего ток конденсатора соединен с ограничивающим ток резистором и анодом первого диода соответственно; другой вывод ограничивающего ток резистора соединен с катодом первого стабилитрона; анод первого стабилитрона соединен с одним выводом первого резистора и одним выводом транзистора соответственно; один вывод первого резистора соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; катод первого диода соединен с одним выводом первого конденсатора накопления энергии, одним выводом второго резистора, одним выводом третьего резистора и катодом второго диода соответственно; другой вывод первого конденсатора накопления энергии соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; третий вывод транзистора соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; сток МОП-транзистора соединен с одним выводом третьего резистора; затвор МОП-транзистора соединен с одним выводом второго резистора и катодом второго стабилитрона соответственно; анод второго стабилитрона соединен с отрицательным выводом заряжающего источника питания; исток МОП-транзистора соединен с анодом второго диода, одним выводом второго конденсатора накопления энергии и одним выводом третьего конденсатора накопления энергии соответственно; другой вывод второго конденсатора накопления энергии и другой вывод третьего конденсатора накопления энергии соединены с отрицательным выводом заряжающего источника питания.

2. Устройство по п. 1, в котором накопление энергии цепью накопления энергии включает следующее:

когда управляемый ключ включен, второй конденсатор накопления энергии и третий конденсатор накопления энергии накапливают заряды, используя цепь, образованную вторым стабилитроном, вторым резистором, третьим резистором и МОП-транзистором; и

зарядка заряжаемого объекта цепью накопления энергии включает следующее:

когда управляемый ключ выключен, второй конденсатор накопления энергии и третий конденсатор накопления энергии заряжают заряжаемый объект, используя цепь, образованную вторым диодом, вторым резистором, третьим резистором и МОП-транзистором.

3. Способ зарядки зарядным устройством по п. 1 или 2, включающий:

поочередное включение и выключение цепи заряда управляемым ключом согласно управляющим командам, принимаемым периодически; выключение цепи накопления энергии управляемым ключом, когда цепь заряда включена, так что цепь заряда заряжает заряжаемый объект, а цепь накопления энергии накапливает энергию, и включение управляемым ключом цепи накопления энергии, когда цепь заряда выключена, так что цепь накопления энергии заряжает заряжаемый объект;

накопление энергии цепью накопления энергии, когда цепь заряда заряжает заряжаемый объект, и зарядку цепью накопления энергии заряжаемого объекта, когда цепь заряда находится в выключенном состоянии;

при этом когда цепь накопления энергии содержит ограничивающий ток конденсатор, ограничивающий ток резистор, первый конденсатор накопления энергии, второй конденсатор накопления энергии, третий конденсатор накопления энергии, первый резистор, второй резистор, третий резистор, первый стабилитрон, второй стабилитрон, первый диод, второй диод, транзистор и МОП-транзистор,

накопление энергии цепью накопления энергии включает следующее: когда управляемый ключ включен, накопление вторым конденсатором накопления энергии и третьим конденсатором накопления энергии зарядов с использованием цепи, образованной вторым полупроводниковым стабилитроном, вторым резистором, третьим резистором и МОП-транзистором;

зарядка цепью накопления энергии заряжаемого объекта включает следующее: когда управляемый ключ выключен, зарядку вторым конденсатором накопления энергии и третьим конденсатором накопления энергии заряжаемого объекта с использованием цепи, образованной вторым диодом, вторым резистором, третьим резистором и МОП-транзистором.