專利名稱：由光生伏打電源供電的電裝置,特別是鐘表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有電源裝置的自激(autonomous)低功率消耗電裝置，其電源裝置包括由光電轉(zhuǎn)換工作的電源、電蓄電池和連接在該電源和蓄電池之間的升壓器。
更確切地說，本發(fā)明涉及電子電源，可以是低功耗裝置的使用光生伏打電池的電源，低功率消耗裝置例如鐘表，特別是表或鬧鐘，袖珍計算器，小型收音機，IR或無線電遙控，無繩電話，GPS接收器等等，及一般帶有包括由光生伏打電源保持充電的電力蓄電池的自激電源的任何裝置。
通常用于給這些低功率消耗裝置供電的光生伏打電源或電池，其每個元件一般提供的電壓為0.3V-0.5V，不管它們是半導(dǎo)體型或光化學(xué)型。此外，電子電路所要求的供給電壓不能小于1V，因此，通常情況下，把幾個這樣的電池串聯(lián)連接，以保證該電路所需的電源。
由于審美的原因及空間要求和價格的原因等等(這在鐘表技術(shù)中是很重要的準(zhǔn)則)，已廣泛尋求由單個光生伏打電池足以給這樣的裝置供電的設(shè)計方案。
人們都知道，理論上由單個光生伏打電池提供的低電壓與用于操作上述類型裝置的一般集成電路所要求的電壓是不相容的。
為補償此不相容性，本申請的申請人已經(jīng)提出(見1991年2月17日的專利申請NO PCT/CH97/00052)了帶有一種電路的上述裝置，蓄電池可以由該電路從單個光生伏打電池經(jīng)過升壓器充電，而該升壓器可以是例如斬波放大器。
此蓄電池可以是市場上常見的任何類型的，例如化學(xué)蓄電池，特別是鋰離子蓄電池，和電化學(xué)電容器，特別指那些通常稱為“超大電容器”(SuperCapacitors或Swpercap)。
上述文獻中描述的電路，能夠保持蓄電池的電量以給電子電路提供足夠的電壓，同時又能用只提供0.3V-0.5V電壓的單個太陽能電池工作。
對于用包括光生伏打電池、蓄電池和升壓器的設(shè)備供電的裝置來說，在其被長時間放在全部黑暗環(huán)境下時會出現(xiàn)一個特殊的問題。如果此裝置保持在黑暗中工作，例如可以是時鐘的情況下，蓄電池的電量只消耗不補充，則該裝置將在給定時間停止工作，而蓄電池僅有的剩余電量太低不能提供所需的電壓。
然而，如果繼續(xù)保持在黑暗中一段時間，蓄電池的剩余電量就會由于自身放電而損耗了，蓄電池的電壓則為零。
如果使用者隨后把該裝置拿出暗區(qū)，則該電池又能供電，但只能提供其自身最大0.5V的電壓。由于主要用于操作該裝置及特別是用于控制升壓器的元件不能在這樣的供給電壓工作，則該裝置不再能啟動，如果不想扔掉，對于蓄電池來說，就必須至少放進工作室并用外部充電裝置對其充電。
為克服上述缺陷，前面引證的專利申請?zhí)岢隽朔乐乖撗b置的能量消耗電路，以使蓄電池總是保持其最小值為其電量的10％-20％之間。用這種方式，如果把該裝置拿出暗區(qū)，則它就會用保存在蓄電池中的能量很容易地啟動，而蓄電池在正常工作過程中又能經(jīng)過光生伏打電池再次充電。
但是，假設(shè)此裝置保持放在黑暗中很長時間，蓄電池電量的10％-20％也將由于自身放電完全損失了。只要有片刻時間蓄電池電壓低于此裝置所限定的工作電壓值，則在上面引證的專利文獻中描述的解決方案就不能解決關(guān)于此裝置啟動的所有可能問題了。
本發(fā)明的一個目的是提供上述類型的電裝置，該裝置在所有情況下都可以啟動，盡管所使用的光生伏打電源提供的電壓低于允許該裝置完成其功能所需的最小工作電壓。
因此本發(fā)明涉及帶有電源裝置的自激低功率消耗電裝置，其電源裝置包括由光電轉(zhuǎn)換工作的電源、電蓄電池及連接在該電源和蓄電池之間用于給該蓄電池充電的升壓器，所述電源提供的電壓不足以操作該裝置的至少某些主要部件使它完成其功能，所述升壓器由具有預(yù)定頻率的脈沖信號控制，該脈沖信號由連接其上的第一發(fā)生器提供，其特征在于，所述第一脈沖信號發(fā)生器包括所配置的振蕩器，以便能在等于或小于由所述光生伏打電源提供的電壓工作。
由于具有這些特征，即使蓄電池完全放電，該裝置也能啟動，這是因為，一旦該裝置被放入光線足夠強以使光生伏打電源產(chǎn)生其供給電壓的環(huán)境中，用于控制升壓器的振蕩器就會工作。
下面參照附圖
，通過僅是示例性的以下描述，可以更清楚本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點，其中唯一附圖表示自激低功率消耗電裝置實施例，更確切地說，是鐘表例如表或鬧鐘。
根據(jù)唯一附圖所示實施例，本發(fā)明用作鐘表PH。應(yīng)該注意到這僅是本發(fā)明申請的一個實施例，而本發(fā)明所意欲保護的低功率消耗裝置可以是通過光生伏打電池給蓄電池充電的方式自動工作的任何其它裝置。
鐘表PH以通常方式包括圖中一般用方形點劃線表示的時間保持電路1。以通常方式，該電路包括最好頻率為32768Hz的石英振蕩器2，在這里用兩分頻級3a和3b表示的分頻器3，用于給振蕩器2分頻，直到獲得例如1Hz的脈沖信號為止。此脈沖信號用作驅(qū)動一組指針6的步進電動機的控制電路4。
鐘表PH通過蓄電池7供電，蓄電池7是由例如鋰離子蓄電池或大型電容器構(gòu)成的，特別指鐘表制造者稱為“超大電容器”(Supercapacitors或supercap)。的元件。該蓄電池7兩端的電壓用Vaccu表示。
蓄電池7構(gòu)成一般用標(biāo)記8表示的電源裝置的一部分。該電源裝置8還包括由例如單個元件構(gòu)成的光生伏打電池9，而該單個元件所提供的電壓Vcp在0.3V和0.5V之間，最好是0.4V。任何類型的光生伏打電池例如半導(dǎo)體型或光化學(xué)型都可以用。
包括串聯(lián)的電感器10和肖特基二極管11的升壓器安裝在光生伏打電池9和蓄電池7之間。以有利方式，步進電動機5的線圈可以用作電感器10。
電感器10和肖特基二極管11之間的節(jié)點12與第一開關(guān)晶體管TR1的源-漏路徑相連，該第一開關(guān)晶體管TR1使該結(jié)點以作用到此晶體管TR1的柵極的控制脈沖信號的頻率交替變換到蓄電池7的電壓和地。這樣工作的結(jié)果是，由于存在電感器10，導(dǎo)致節(jié)點12的電壓遠高于電池9的供給電壓VCP，這足以給蓄電池7充電。
晶體管TR1的柵極經(jīng)反相器13與電阻R1和信號成形晶體管TR2的源-漏路徑間的節(jié)點相連，而電阻R1和晶體管TR2又串聯(lián)連接在蓄電池7的正極和地之間。晶體管TR2的柵極與時間保持電路1的分頻器級3a的輸出相連，此分頻器級3a在此所述例子中提供頻率為8192Hz的信號。
這樣，當(dāng)蓄電池7被充電并提供足量的電壓供給時間保持電路1的主要元件時，特別是振蕩器2和分頻器級3a，開關(guān)晶體管TR1以分頻器級3a輸出信號的頻率交替導(dǎo)電和不導(dǎo)電。如果同時把鐘表PH暴露于有光環(huán)境中，則晶體管TR1的這種交替導(dǎo)電狀態(tài)能引起由光生伏打電池提供的電壓VCP的倍增，以使蓄電池7的電量被補充而保持不變。
根據(jù)本發(fā)明，充電裝置8還包括第二開關(guān)晶體管TR3，其源-漏路徑平行于晶體管TR1的源-漏路徑安裝。該晶體管TR3的柵極經(jīng)反相器14與電阻R2和第二信號成形晶體管TR4間的節(jié)點相連，而電阻R2和晶體管TR4又串聯(lián)連接在電池9(VCP)的正極和地之間。
信號成形晶體管TR4的柵極與輔助振蕩器15的輸出相連，振蕩器15在其輸出端18提供頻率最好接近或等于出現(xiàn)在分頻器級3a輸出的控制信號頻率的信號。振蕩器15的設(shè)計應(yīng)使其能用很低的供給電壓工作，即等于或小于由光生伏打電池9提供的電壓值。這樣的振蕩器可以通過適當(dāng)?shù)姆绞皆O(shè)計，但是其設(shè)計最好是在歐洲共同待審專利申請No.97100261.3中所述那樣。應(yīng)該注意到，為達到本說明書的目的，振蕩器15可以是由三個反相器16a，16b，16c安裝成環(huán)構(gòu)成的，并包括工作在低反向電場內(nèi)的MOS晶體管，適于偏置在襯底上構(gòu)成該MOS晶體管的塔拔斯(tubs)。
應(yīng)該注意到，在檢查前面所述裝置時，光生伏打電池9的供給電壓的增加可以通過改變晶體管TR1或TR3的導(dǎo)電狀態(tài)來實現(xiàn)，因為它們都能使節(jié)點12交替變換到地和電壓Vaccu與二極管11的電壓的總和。
根據(jù)本發(fā)明一個特別重要的方案，所提供的用于允許選擇激活開關(guān)晶體管TR1和TR3的裝置起表示功率消耗裝置激活(actiuity)信號的功能，在此情況下，該功率消耗裝置是鐘表PH的時間保持電路1。在所述實施例中，此激活信號是在分頻器級3a的輸出端獲得的并表示石英振蕩器2在工作。但是，應(yīng)明白，此激活信號能夠在時間保持電路中的任何位置獲得，例如，在控制電路4的輸出端，或者在已適于允許控制開關(guān)晶體管TR1和TR3之后。
在所述例子中，如果它們的供給電壓足夠使構(gòu)成它們的元件工作，則振蕩器2和分頻器級3a僅表示激活。一般情況下，此電壓等于或大于1V，但不必認為此電壓限定本發(fā)明。
為適應(yīng)此激活信號，分頻器級3a的輸出端與升壓器17的輸入端相連，此升壓器17是由以其設(shè)計人Dickson命名的已知電路構(gòu)成。
升壓器17的輸出端經(jīng)電阻R3接地，并與第一選擇晶體管TR5和第二選擇晶體管TR6的柵極相連，而晶體管TR6與TR5的導(dǎo)電類型相反。在所述例子中，晶體管TR5是N型的，TR6是P型的。
晶體管TR5的漏-源路徑連接于地和節(jié)點18之間，該節(jié)點18與振蕩器15的輸出端及晶體管TR4的柵極相連。
晶體管TR6的漏-源路連接于晶體管TR2的柵極和蓄電池7的正極之間。
下面說明如此設(shè)計的鐘表的工作情況。
假設(shè)該鐘表已放在黑暗中一段時間，而使蓄電池7完全放電，電壓Vaccu接近或甚至于等于零。還假設(shè)，在這種情況下，使用者希望再次使用此鐘表而將其拿出暗區(qū)。由于沒有給時間保持電路1供電，因此它不能提供激活信號，這是因為振蕩器2和分頻器級3a不能工作。升壓器17在其輸出端不提供任何電壓以至于晶體管TR6導(dǎo)電，并阻止控制晶體管TR1，并且晶體管TR5不導(dǎo)電。
已闡明電池9以0.3V和0.5V之間的電壓值提供能量，在該電壓，振蕩器15能工作，而且允許其如此工作是由于晶體管TR5的截止。因此，晶體管TR4和TR3以振蕩器15的頻率被接通。
更確切地說，當(dāng)晶體管TR3導(dǎo)電時，電感器10存儲能量，該能量是在晶體管TR3截止時由電壓峰值突然傳送的。該電壓峰值使蓄電池7在高于電池9的供給電壓下充電。晶體管TR4和反相器14一起作為振蕩器15和晶體管TR3之間的緩沖器，晶體管TR3比較大且具有足量的輸入電容。這樣，該蓄電池就能被充電。
一旦蓄電池7充電足夠給振蕩器2和分頻器級3a提供適當(dāng)?shù)墓┙o電壓，則在該分頻級的輸出端就會出現(xiàn)激活信號。時間保持電路被啟動，升壓器17提供輸出電壓。
后者使晶體管TR5導(dǎo)電，振蕩器15短路，而后停止工作。相反，TR6不導(dǎo)電并經(jīng)晶體管TR2和反相器13傳送晶體管TR1的控制。這樣，晶體管TR1就代替晶體管TR3，而蓄電池7可以在時間保持電路正常工作的時間內(nèi)繼續(xù)充電。因此應(yīng)明白，晶體管TR5和TR6是作為替換控制裝置工作的。
一旦振蕩器2把激活信號傳送給分頻器級3a，希望升壓器17能實現(xiàn)晶體管TR5和TR6的迅速轉(zhuǎn)換。
注意到，一旦振蕩器2檢測到足量電壓穿過其饋送端并導(dǎo)致出現(xiàn)激活信號，振蕩器2就開始工作。這就意味著，兩振蕩器15和2之間發(fā)生的轉(zhuǎn)換與可能存在于不同鐘表電路之間的設(shè)計差別無關(guān)。為使振蕩器2工作的Vaccu最小電壓值可以由每個電路分別根據(jù)其自身元件的數(shù)值決定。
根據(jù)另外一個沒有表示在附圖中的實施例，振蕩器2和分頻器級3a僅用于控制時間保持電路1，而振蕩器15用于永久地控制升壓器。在這個變更的實施例中，晶體管TR1，TR2，TR5和TR6及反相器13，電阻R1和R3，升壓器17都可省去。
權(quán)利要求
1.具有電源裝置(8)的自激低功率消耗電裝置，其電源裝置包括由光電轉(zhuǎn)換工作的電源(9)、電蓄電池(7)、及連接在該電源(9)和該蓄電池(7)之間用于給所述蓄電池充電的升壓器(10，11，TR1，TR3)，所述電源供給足量電壓，用于操作該裝置的至少某些主要部件，以使其完成其功能，所述升壓器由具有預(yù)定頻率的脈沖信號控制，該信號由連接其上的第一發(fā)生器提供，其特征在于，所述第一脈沖信號發(fā)生器包括所配置的振蕩器(15)，以便在等于或小于由所述光生伏打電源(9)提供電壓(VCP)的電壓值工作。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于，所述振蕩器(15)是環(huán)形振蕩器(9)。
3.如前面任一權(quán)利要求的裝置，其特征在于，所述升壓器包括連接在所述光生伏打電池(9)和串聯(lián)連接的二極管(11)和所述蓄電池(7)之間的電感器(10)，所述振蕩器(15)的輸出端(18)與第一開關(guān)裝置(TR3、TR4)相連，該開關(guān)裝置能使所述二極管(11)和所述電感器(10)之間的節(jié)點(12)交替變換到等于該蓄電池(7)電壓(Vaccu)和二極管(11)電壓的總和的電壓電平和地。
4.如權(quán)利要求3的裝置，其特征在于，所述第一開關(guān)裝置包括開關(guān)晶體管(TR3)，其源-漏路徑連接于地和所述節(jié)點(12)之間，其柵極經(jīng)成形晶體管(TR4)與所述振蕩器(15)的輸出端相連，以獲得由振蕩器(15)提供的信號。
5.如權(quán)利要求4的裝置，其特征在于，在所述開關(guān)晶體管(TR3)和所述成形晶體管(TR4)之間連接一反相器(14)。
6.如權(quán)利要求3-5中任一權(quán)利要求的裝置，其特征在于，所述裝置的所述主要部件中的一個是由第二脈沖信號發(fā)生器裝置(2，3a)構(gòu)成，而且所述裝置還包括第二開關(guān)裝置(TR1，TR2)，它能使所述串聯(lián)連接(7，11)和所述電感器(10)之間的節(jié)點(12)交替變換到所述電壓電平和地電壓電平；表示該裝置執(zhí)行的所述功能的激活信號發(fā)生裝置；及替換控制裝置(TR5，TR6)，在所述發(fā)生裝置產(chǎn)生所述激活信號時，用于連接到所述升壓器(10)上，所述第二脈沖信號發(fā)生裝置(2，3a)代替所述振蕩器(15)。
7.如權(quán)利要求6的裝置，其特征在于，所述第二脈沖信號發(fā)生器裝置(2，3a)構(gòu)成所述激活信號發(fā)生裝置。
8.如權(quán)利要求3和5的裝置，其特征在于，所述替換控制裝置包括能短路所述振蕩器(15)的輸出的第一控制晶體管(TR5)和在出現(xiàn)激活信號時能導(dǎo)通所述第二開關(guān)裝置的第二晶體管(TR6)。
9.如權(quán)利要求8的裝置，其特征在于，所述第二開關(guān)裝置包括晶體管(TR1)，其源-漏路徑連接于地和所述節(jié)點(12)之間，其柵極經(jīng)第二晶體管(TR2)連接以接收激活信號，用于成形該信號。
10.如權(quán)利要求9的裝置，其特征在于，在所述第二開關(guān)裝置的的所述開關(guān)晶體管(TR1)和所述第二成形晶體管(TR2)之間連接一反相器(13)。
11.如權(quán)利要求8到10中任一權(quán)利要求的裝置，其特征在于，所述第一和第二控制晶體管(TR5，TR6)經(jīng)升壓器(17)與所述激活信號發(fā)生裝置相連。
12.如權(quán)利要求6-11中任一權(quán)利要求的裝置，其特征在于，它包括時間保持電路(1)，所述第二脈沖信號發(fā)生裝置由所述時間保持電路的石英振蕩器(2)構(gòu)成，也可以由其分頻器(3)的一部分(3a)構(gòu)成。
全文摘要
此自激低功率消耗電裝置具有包括單個光生伏電池、電蓄電池(7)和連接在電源(9)和蓄電池之間用于給蓄電池充電的升壓器(10,11,TR
文檔編號G04C10/00GK1197944SQ9810415
公開日1998年11月4日 申請日期1998年1月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月9日
發(fā)明者P·A·法里納, J·P·瓦滕霍菲 申請人:阿蘇拉布股份有限公司