JP5405299B2 - 電力消費装置を制御するための回路配置および方法 - Google Patents

Description

発明の内容

本発明は、例えば、制御回路によって制御される電子スイッチであって電池式小型電子デバイスの電気モータを動作させるためのブリッジ回路に存在する電子スイッチによって、電力消費装置を制御するための回路配置と方法とに関する。

このような回路配置は、例えば、ＤＥ １０ ２００５ ０５９ ５７１に記載されている。ＤＥ １０２ ４６ ５２０ Ａ１もまた、ブリッジ回路を用いて電池式小型電子デバイスの振動電気モータを制御するための回路配置と方法とについて記載している。もし、小型電子デバイスが例えば、リチウムイオン電池で動作する場合、もし、ブリッジ回路の電子スイッチが「低」レベルまたは「高」レベルいずれかを有する制御回路によって制御される場合、電子スイッチを切り替える際に電源電圧は、他の電池と比較して、電流変化が存在するときに、対応して高い逆電圧を誘導する高い寄生インダクタンスをリチウムイオン電池が有するので、大幅に低下するか、あるいは２倍以上に上昇してもよい。

本発明の目的は、高い寄生インダクタンスを有する電圧源による動作のために特に設計された電力消費装置を制御するための回路配置と方法とを提供することである。

この目的は、少なくとも１つの電子スイッチと、時間の経過に伴う電流の変化が比較的小さいように、非導電状態から導電状態に、あるいはその逆に電子スイッチを切り替える１つの制御回路と、を備える回路配置によって本発明にしたがって達成される。この方法で、電源に使用されるリチウムイオン電池の比較的高い寄生インダクタンスは過剰に高い逆電圧を発生する可能性がないので、例えば、制御回路として使用されるマイクロコントローラは電池によって電流を直接供給されてもよく、すなわち、電池電圧を平滑にするためのコンデンサを持つことは必要でない。この回路配置は好適には、駆動装置として振動電気モータまたはリニアモータを有し、またリチウムイオン電池で動作する電気歯ブラシまたは電気かみそりのために意図されており；これは回路技術に関する低い複雑さを特徴としている。

しかしながら、時間の経過に伴う電流の大きな変化は、電源に使用されるリチウムイオン電池の比較的高い寄生インダクタンスのためばかりでなく、当然ながら無論のこと回路配置によって制御される電力消費装置のインダクタンスのために好ましくない高い逆電圧を引き起こす可能性がある。もし、電力消費装置が誘導負荷であれば、本発明の方法は少なくともこの消費装置を流れる電流の非活性化に使用される。

電力消費装置を制御するための本発明の方法では制御回路は、導電状態から非導電状態に、および／またはその逆に電子スイッチ（単数または複数）を少なくとも２つの工程で切り替える。例えば、制御回路の制御端子における、および／または電子スイッチの制御端子におけるレベルは、「開放（オープン）」を介して「低（ロー）」から「高（ハイ）」および／または「高」から「低」に切り替えられる。本発明の方法は好適には、制御回路の制御端子が入力（「高インピーダンス」）として、または出力（「低」または［高］）として切り替えられ得ること（「３値状態（トライステート）」）と、導電状態から非導電状態に、および／またはその逆に電子スイッチを切り替えるために電子スイッチの制御端子が「高インピーダンス」を介して「低」から「高」に、および／または「高インピーダンス」を介して「高」から「低」に切り替えられることとによってＣＭＯＳ技術の制御回路において実現され得る。制御回路は好適には、電子スイッチがこの電子スイッチの状態（「導電状態」または「非導電状態」）を変えた後にのみ第２の工程、すなわち「高インピーダンス」から「高」または「低」に切り替えるステップを実行する。

制御回路がブリッジ回路内の４個の電子スイッチを用いて電力消費装置を制御し、また、この消費装置がブリッジ回路の横方向ブランチ（横枝）に配置される本発明の回路では、制御回路は４個の電子スイッチのための制御端子を有する。本発明によれば、第１の電子スイッチ用の制御端子は第１のコンデンサと第１の抵抗器との直列接続を介して第４の電子スイッチ用の制御端子に接続され、第３の電子スイッチ用の制御端子は第２のコンデンサと第２の抵抗器との直列接続を介して第２の電子スイッチ用の制御端子に接続される。第１、第４の電子スイッチは電力消費装置の一端に接続され、第２、第３の電子スイッチはこの電力消費装置の他端に接続される。

本発明は、唯一の図面に示された電力消費装置を制御するための本発明の回路配置に関する典型的な実施形態に基づいて以下詳細に説明する。この説明では更なる実施形態についても記載する。

図に示された本発明の回路配置は、寄生インダクタンスＬを有する電池Ａを有する。更に４個のトランジスタＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を有するブリッジ回路が設けられており、電気モータまたは他の電力消費装置がこのブリッジ回路の横方向ブランチに配置されている。４個のトランジスタＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、ＭＯＳ−ＦＥＴの各々が公知の方法で保護ダイオードを有するＭＯＳ−ＦＥＴである。これらのトランジスタは、４個の制御端子を有する制御回路ｕＣによって制御されることが可能であり、これらの制御端子の各々は状態「高インピーダンス」（入力）または「低」または「高」（出力）（「３値状態（トライステート）」）を想定してもよい。制御回路ｕＣは、電池Ａから電流を直接供給される。第１のトランジスタＶ１と第３のトランジスタＶ３は、これらのトランジスタのソース端子が電池Ａの負極に接続されたｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴである。第２のトランジスタＶ２と第４のトランジスタＶ４は、これらのトランジスタのソース端子が電池Ａの正極に接続されたｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴである。第１のＭＯＳ−ＦＥＴ Ｖ１と第４のＭＯＳ−ＦＥＴ Ｖ４のドレイン端子はモータＭの一端に接続され、第２のＭＯＳ−ＦＥＴ Ｖ２と第３のＭＯＳ−ＦＥＴ Ｖ３のドレイン端子はモータＭの他端に接続される。４個のトランジスタＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４のゲート端子は各々、ゲート抵抗器Ｒｇを通して制御回路ｕＣの４個の制御端子の１つに接続される。ゲート抵抗器Ｒｇは、トランジスタが制御されるときに制御ユニットに流入する全電流を制限するように機能する。もし、制御回路がより大きな電流用に設計されている場合、これらの抵抗器は省略されてもよい。各トランジスタのソース端子は各々、プルアップ／プルダウン抵抗器Ｒｐとそれぞれのゲート抵抗器Ｒｇとを介してそれぞれのトランジスタのゲート端子に接続される。第１のトランジスタＶ１用の制御端子は、第１の抵抗器Ｒ１と第１のコンデンサＣ１との直列接続を介して第４のトランジスタ用の制御端子に接続される。第３のトランジスタＶ３用の制御端子は、第２の抵抗器Ｒ２と第２のコンデンサＣ２との直列接続を介して第２のトランジスタ用の制御端子に接続される。

図に示された回路配置の機能は以下に記載する。最初に考えられる開始状態で回路配置は、「低い」電位が第４のトランジスタＶ４用と第１のトランジスタＶ１用の制御端子に広がっていて、「高い」電位が第２のトランジスタＶ２用と第３のトランジスタＶ３用の制御端子に広がっている状態に在る。したがって、第４のトランジスタＶ４と第３のトランジスタＶ３はここを通して切り替えられるのに対して、第１のトランジスタＶ１と第２のトランジスタＶ２は遮断されるので、電流は電池Ａから第４のトランジスタＶ４と第３のトランジスタＶ３とを通ってモータＭに流れる。次に、この回路配置は、電流が反対方向に、すなわち電池Ａから第２のトランジスタＶ２と第１のトランジスタＶ１とを通ってモータＭに流れる状態に切り替えられる。この切り替えは、すなわちこの時の電流の非活性化と反対方向の電流の活性化は以下に記載する。

上記の開始状態では第４のトランジスタＶ４と第１のトランジスタＶ１の制御端子には「低い」電位が広がっているので、第１のコンデンサが放電する。このときに流れる電流の切断は、時点Ｔ１において「低」から「高インピーダンス」に第４のトランジスタＶ４用の制御端子を制御回路ｕＣが切り替えることから始まるので、第４のトランジスタＶ４のゲートにおける電圧はＲｐ／Ｒ１比によって決定される電圧にジャンプする。したがって、このときコンデンサＣ１には電圧が印加されて、コンデンサＣ１を充電する。同時に、第４のトランジスタＶ４のＭｉｌｌｅｒキャパシタンス（寄生ゲートドレインキャパシタンス）は放電する。コンデンサＣ１の充電は、第４のトランジスタＶ４のゲートの更なる電圧上昇を、したがって、第４のトランジスタＶ４のＭｉｌｌｅｒキャパシタンスの更なる放電を発生させる。もし、ゲートソース電圧が時点Ｔ２＞Ｔ１においてドレインソース電圧とほぼ同じ値に到達した場合、第４のトランジスタＶ４はこのトランジスタの非活性化状態に切り替わり、Ｍｉｌｌｅｒキャパシタンスは比較的低い値に降下する。そのとき第４のトランジスタＶ４のゲートの電圧は更に上昇するが、この電圧変化の時定数は第４のトランジスタＶ４のＭｉｌｌｅｒキャパシタンスによって決定されることはほとんどなく、その代わりに、主として第１のコンデンサＣ１のキャパシタンスとトータルＲｐ＋Ｒ１とによって決定される。時点Ｔ３＞Ｔ２において制御回路ｕＣは第４のトランジスタＶ４用の制御端子を「高インピーダンス」から「高」に切り替えるので、第４のトランジスタＶ４の非活性化は終了する。第１のコンデンサＣ１と抵抗器Ｒｐ、Ｒｇとの適当なサイズ決めと、Ｔ１および／またはＴ２に関する切り替え時点Ｔ３の適当な選択とによって、結果は第４のトランジスタＶ４のソフトな切断となるので、時間経過に伴う電流の変化は電池電圧がこの切断によって影響されることがほとんどないほど小さい。

第３のトランジスタＶ３の非活性化は、第４のトランジスタＶ４の非活性化と平行した時点で行われてもよい。しかしながら、第３のトランジスタＶ３は好適には、電流がほとんど、あるいはまったく流れていないときにのみ、すなわち第４のトランジスタＶ４の切断からある時間遅れをもって、非活性化される。第３のトランジスタＶ３は、第４のトランジスタＶ４に基づいて上記で説明された方法と同じ方法によって非活性化されてもよい。しかしながら、もし電流が第３のトランジスタＶ３をほとんど、またはまったく流れていなければ、このトランジスタはまた、制御回路ｕＣが言及し得るほどの如何なる寄生電圧も誘導せずに、それぞれの制御端子を「高」から「低」に直接切り替えるという点で「ハードな」方法で非活性化されてもよい。第２のコンデンサＣ２は第３のトランジスタＶ３の非活性化によって充電される。

しかしながら、もし第４のトランジスタＶ４がオフにされた後に、第１のトランジスタＶ１がオンになって、第３のトランジスタＶ３が最初に活性化されたままであれば、すなわちＤＥ １０２ ４６ ５２０ Ａ１に記載されているように、モータＭが第１のトランジスタＶ１と第３のトランジスタＶ３とを通して短絡する場合、これは特に有利である。モータＭのインダクタンスにより第４のトランジスタＶ４が非活性化された後でも、まだモータＭを流れている短絡電流は、消費されて第１のトランジスタＶ１と第２のトランジスタＶ２の保護ダイオードを通して電池に流れ戻ることができない。この方法で回路配置の効率は改善され、これが、電池の寄生インダクタンスが寄生電圧を誘導するのを防止する。実際に電流がモータＭを流れていないときにのみ、第３のトランジスタＶ３はオフにされる。次に第２のトランジスタＶ２は、「高」から「低」にそれぞれの制御端子を直接切り替える制御回路ｕＣによって活性化されてもよいので、電流はモータのインダクタンスにより時間経過に伴う第２のトランジスタＶ２の活性化時の電流変化が十分低くなるように、第１のトランジスタＶ１と第２のトランジスタＶ２とを通って反対方向にモータＭを通って流れることができる。電流が反対方向にモータＭを通って流れることを可能にするために第３のトランジスタＶ３と第４のトランジスタＶ４の非活性化の後にのみ第１のトランジスタＶ１と第２のトランジスタＶ２とが活性化される場合には、好適には第１のトランジスタＶ１が最初に活性化されて、次に、第２のトランジスタＶ２が活性化される；第１のトランジスタＶ１はまた、制御回路ｕＣが言及し得るほどの如何なる寄生電圧も誘導せずにそれぞれの制御端子を「低」から「高」に直接切り替えるという点で「ハードな」方法で活性化されてもよい。第１のトランジスタＶ１の活性化によって第１のコンデンサＣ１は放電する。次に、第２のトランジスタＶ２が活性化されるが、これはまた電力消費装置が誘導負荷を示すときに「ハードな」方法で達成されてもよい。モータＭと第２のトランジスタＶ２と第１のトランジスタＶ１とを通って流れる電流の非活性化は、第４のトランジスタＶ４と第３のトランジスタＶ３とを通って流れる電流の非活性化に基づいて上記のように行われる。

こうして、電子スイッチの非活性化と任意選択的活性化は、次の方法にしたがって行われる：第１の工程で制御回路はこの制御回路の制御端子を切り替え、「低」から「高インピーダンス」に電子スイッチを制御するために入力（「高インピーダンス」）として、または出力（「低」または「高」）として切り替えられること（３値状態（トライステート））が可能であり、また第２の工程においてのみ制御回路は「高い」に切り替える、および／または制御回路は、第１の工程で「高い」から「高いインピーダンス」に切り替え、次に第２の工程のみにより「低い」に切り替える。第１の工程と第２の工程との間の時間間隔は、少なくとも１つの抵抗器と１つのコンデンサとを含む、電子スイッチの配線の適当なサイズ決めによって電子回路のＭｉｌｌｅｒキャパシタンスに合うように調整され、そして好適には一定の値に設定され、それによってこの配線は、上記のブリッジ回路の場合に抵抗器Ｒｐ、Ｒｇ、Ｒ１、Ｒ２と第１のコンデンサＣ１と第２のコンデンサＣ２とによって形成される。

Ｖ１…第１のトランジスタ、Ｖ２…第２のトランジスタ、Ｖ３…第３のトランジスタ、Ｖ４…第４のトランジスタ、Ａ…電池、Ｍ…モータ、Ｒｇ…ゲート抵抗器、Ｒｐ…プルアップ／プルダウン抵抗器、Ｃ１…第１のコンデンサ、Ｃ２…第２のコンデンサ、ｕＣ…制御回路

Claims (12)

1. ブリッジ回路の横方向ブランチに配置された電力消費装置（Ｍ）と共に４個の電子スイッチ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を有するブリッジ回路と、前記４個の電子スイッチ用の制御端子を有する制御回路（ｕＣ）と、を用いて前記電力消費装置を制御するための回路配置であって、
   前記制御回路（ｕＣ）の前記制御端子が入力として、または出力として切り替えられ得て、
   前記電子スイッチ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を導電状態から非導電状態に、および／またはその逆に切り替えるための前記制御回路が２つの工程を順次に実行する、すなわち前記制御回路（ｕＣ）の前記それぞれの制御端子が最初に「低」から「高インピーダンス」に、次に「高」に切り替える、および／または最初に「高」から「高インピーダンス」に、次に「低」に切り替える
   ことを特徴とする回路配置。
2. 前記電子スイッチ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）がトランジスタを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の回路配置。
3. 前記制御回路（ｕＣ）がマイクロコントローラを備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の回路配置。
4. 前記第１の電子スイッチ（Ｖ１）用の前記制御端子が第１のコンデンサ（Ｃ１）と第１の抵抗器（Ｒ１）との直列接続を介して前記第４の電子スイッチ（Ｖ４）用の前記制御端子に接続され、そして前記第３の電子スイッチ（Ｖ３）用の前記制御端子が第２のコンデンサ（Ｃ２）と第２の抵抗器（Ｒ２）との直列接続を介して前記第２の電子スイッチ（Ｖ２）用の前記制御端子に接続される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回路配置。
5. 前記制御回路（ｕＣ）の各制御端子がゲート抵抗器（Ｒｇ）を通して前記それぞれの電子スイッチの前記制御端子に接続される
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路配置。
6. 前記制御回路（ｕＣ）の各制御端子がプルアップおよび／またはプルダウン抵抗器（Ｒｐ）を通して前記それぞれの電子スイッチのソース端子に接続される
   ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の回路配置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の回路配置を有する小型電子デバイス。
8. 入力として、または出力として切り替えられてもよい電子スイッチを制御するための制御端子を有する制御回路を用いて前記電子スイッチを切り替えるための方法であって、
   前記電子スイッチ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を導電状態から非導電状態に、および／またはその逆に切り替えるための前記制御回路が２つの工程を順次に実行する、すなわち前記制御回路（ｕＣ）の前記それぞれの制御端子が最初に「低」から「高インピーダンス」に、次に「高」に切り替える、および／または最初に「高」から「高インピーダンス」に、次に「低」に切り替える
   ことを特徴とする方法。
9. 前記制御回路が、前記電子スイッチ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）がこの電子スイッチの状態を変えた後にのみ第２の工程、すなわち高インピーダンスから「高」または「低」に切り替えるステップを実行する
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の工程と前記第２の工程との間の時間間隔が、少なくとも１つの抵抗器（Ｒ１；Ｒ２；Ｒ３）とコンデンサ（Ｃ１；Ｃ２）とを有する前記電子スイッチ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）の配線の、適当なサイズ決めを介して、前記電子スイッチ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）のＭｉｌｌｅｒキャパシタンスに合うように調整される
    ことを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
11. ブリッジ回路を形成する数個の電子スイッチ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）が切り替えられる
    ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法によって切り替えられる少なくとも１つの電子回路（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を有する小型電子デバイス。

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