ПЕРЕЗАРЯЖАЕМОЕ УСТРОЙСТВО С ПРЕДОТВРАЩЕНИЕМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
RECHARGEABLE DEVICE WITH SHORT CIRCUIT PREVENTION

Настоящее изобретение относится к защите от короткого замыкания для перезаряжаемых электрических устройств, имеющих открытые контакты зарядки. Изобретение, в частности, относится к удерживаемым рукой электрически управляемым курительным устройствам, в которых желательно, чтобы любое средство защиты от короткого замыкания имело небольшой размер и потребляло минимальный остаточный ток во время обычной работы устройства.
Защита от короткого замыкания хорошо известна для перезаряжаемых электрических устройств с открытыми электрическими контактами. В случае устройств, использующих, например, литий-ионные батареи, защита от короткого замыкания необходима для предотвращения перегрева батарей.
Наиболее простой и наиболее распространенный вид защиты от короткого замыкания представляет собой включение одного или нескольких выпрямительных диодов между контактами зарядки. Тем не менее, данные диоды имеют падение напряжения в режиме прямого тока от 300 до 800 мВ и, следовательно, приводят к значительной потере энергии во время зарядки. В типовом удерживаемом рукой устройстве защитные диоды могут потреблять 10% напряжения зарядки.
В документе US2006/0120069 раскрыта схема защиты от короткого замыкания, использующая MOSFET, имеющий предопределенное падение напряжения. Тем не менее, схема, раскрытая в документе US2006/0120069, не подходит для всех химических составов батареи вследствие времени, необходимого для срабатывания схемы предотвращения короткого замыкания. В частности, литий-железо-фосфатные батареи имеют относительно малое внутреннее сопротивление, что означает, что очень сильные токи могут проходить даже за очень короткий период, необходимый для срабатывания схемы предотвращения короткого замыкания, раскрытой в документе US2006/0120069.
Необходимо средство защиты от короткого замыкания для перезаряжаемых устройств, которое является маломощным, небольшим и недорогим, и подходит для любых химических составов батареи.
В одном аспекте предоставляется перезаряжаемое удерживаемое рукой электрически управляемое курительное устройство, содержащее: перезаряжаемый источник питания; первый контакт зарядки, соединенный с перезаряжаемым источником питания переключателем, управляемым напряжением; и второй контакт зарядки, соединенный с перезаряжаемым источником питания, при этом переключатель, управляемый напряжением, выполнен с возможностью предотвращения протекания тока между первым электрическим контактом и перезаряжаемым источником питания через переключатель, если разность потенциалов между первым контактом зарядки и перезаряжаемым источником питания меньше первого порогового напряжения.
Данная компоновка обеспечивает средство защиты от короткого замыкания таким образом, что оно является как небольшим, так и потребляет относительно малое количество энергии по сравнению с выпрямительным диодом.
Переключатель, управляемый напряжением, может содержать полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET). MOSFET может представлять собой P-канальный MOSFET. Кроме того, вследствие того, что стандартным состоянием для переключателя является выключенное состояние, предотвращающее протекание тока через переключатель, и необходима пороговая разность потенциалов для включения переключателя, отсутствует проблема потенциального нарушения протекания тока через переключатель в период между возникновением короткого замыкания и срабатыванием переключателя.
MOSFET имеет вывод истока, вывод стока и вывод затвора, и устройство может быть выполнено с возможностью усиления разности потенциалов между выводом истока и выводом стока и ее подачи на вывод затвора. Преимущественно, устройство выполнено с возможностью усиления разности потенциалов между выводом истока и выводом стока с коэффициентом усиления, достаточным для работы MOSFET в режиме насыщения, когда нормальный ток зарядки подается на вывод истока для зарядки перезаряжаемого источника питания. Это гарантирует минимальные потери энергии благодаря сопротивлению MOSFET во время зарядки.
Устройство может содержать операционный усилитель с одним входом, соединенным с выводом истока, еще одним входом, соединенным с выводом стока, и выходом, соединенным с выводом затвора. Неинвертирующий вход операционного усилителя может быть соединен с выводом истока и инвертирующий вход операционного усилителя соединен с выводом стока.
Сигнал обратной связи замкнутого контура может подаваться на инвертирующий вход операционного усилителя для предоставления необходимого коэффициента усиления напряжения.
Устройство может дополнительно содержать резистор смещения, включенный между инвертирующим входом операционного усилителя и электрическим заземлением. Резистор смещения может гарантировать, что MOSFET закрыт, если напряжение зарядки не подается на электрические контакты.
Устройство может дополнительно содержать резистор, включенный между выходом операционного усилителя и выводом истока. Данный резистор гарантирует, что напряжение затвора MOSFET является близким к напряжению истока и, следовательно, MOSFET остается закрытым, даже если операционный усилитель отключен.
Второй контакт зарядки может быть соединен с электрическим заземлением.
Устройство может дополнительно содержать множество контактов передачи данных.
Перезаряжаемый источник питания может представлять собой литий-ионную батарею и, в частности, литий-железо-фосфатную батарею.
Устройство представляет собой электрически управляемое курительное устройство. В случае данного типа устройства, особенно важно, чтобы электронные компоненты были компактными и маломощными.
В еще одном аспекте предоставляется способ защиты перезаряжаемого удерживаемого рукой электрически управляемого курительного устройства, имеющего перезаряжаемый источник питания и множество открытых контактов, в случае возникновения короткого замыкания между первым контактом зарядки и остальными контактами, содержащий предоставление переключателя, управляемого напряжением, между первым контактом зарядки и перезаряжаемым источником питания; и управление переключателем, управляемым напряжением, для предотвращения протекания тока между первым электрическим контактом и перезаряжаемым источником питания через переключатель, если разность потенциалов между первым контактом зарядки и перезаряжаемым источником питания меньше первого порогового напряжения.
Вариант осуществления в соответствии с изобретением будет подробно описан далее исключительно в качестве примера со ссылкой на сопроводительные графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показана схематическая иллюстрация электрически управляемого курительного устройства и связанного с ним зарядного блока;
на фиг. 2 показана схематическая иллюстрация компоновки электрических контактов на электрически управляемом курительном устройстве, показанном на фиг. 1; и
на фиг. 3 показана принципиальная схема схемы защиты от короткого замыкания для устройства типа, проиллюстрированного на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 показана система, включающая зарядное устройство 100 и перезаряжаемое устройство 102, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Зарядное устройство 100 в данном примере представляет собой зарядный блок для электрически нагреваемой курительной системы. Перезаряжаемое устройство 102 в данном примере представляет собой электрически нагреваемое устройство, генерирующее аэрозоль, выполненное с возможностью вмещения курительного изделия 104, содержащего субстрат, образующий аэрозоль. Перезаряжаемое устройство содержит нагреватель для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, во время работы. Пользователь осуществляет затяжку через мундштучную часть курительного изделия 104 для втягивания аэрозоля в рот пользователя. Перезаряжаемое устройство 102 выполнено с возможностью размещения внутри полости 112 в зарядном устройстве 100 с целью перезарядки источника питания в перезаряжаемом устройстве.
Зарядное устройство 100 содержит первую батарею 106, управляющую электронику 108 и электрические контакты 110, выполненные с возможностью подачи электропитания на вторую батарею в перезаряжаемом устройстве и подачи электрических данных на электронику 128 в перезаряжаемом устройстве от первой батареи 106, если перезаряжаемое устройство соединено с электрическими контактами 110. Электрические контакты 110 предоставлены смежно с дном полости 112. Полость выполнена с возможностью вмещения перезаряжаемого устройства 102. Компоненты зарядного устройства 100 расположены в корпусе 116.
Перезаряжаемое устройство 102 содержит вторую батарею 126, вторичную управляющую электронику 128 и электрические контакты 130. Как описано выше, перезаряжаемое устройство 102 выполнено с возможностью приема подаваемого питания и данных от зарядного устройства, когда электрические контакты 130 контактируют с электрическими контактами 110 зарядного устройства 100. Перезаряжаемое устройство 102 дополнительно содержит полость 132, выполненную с возможностью вмещения курительного изделия 104. На дне полости 132 предоставлен нагреватель 134, например, нагреватель в форме лезвия. При использовании пользователь активирует перезаряжаемое устройство 102 и питание подается от батареи 126 через управляющую электронику 128 на нагреватель 134. Нагреватель нагревается до стандартной рабочей температуры, достаточной для генерирования аэрозоля из субстрата, образующего аэрозоль, изделия 104, генерирующего аэрозоль. Компоненты перезаряжаемого устройства 102 расположены в корпусе 136. Перезаряжаемое устройство данного типа описано более подробно, например, в документе EP2110033.
В данном примере перезаряжаемое устройство 102 представляет собой электрически нагреваемое курительное устройство. Таким образом, перезаряжаемое устройство 102 является небольшим (имеет размер традиционной сигареты). Перезаряжаемое устройство 102 имеет многоугольное поперечное сечение. Наружный диаметр перезаряжаемого устройства может составлять от приблизительно 12,7 мм до приблизительно 13,65 мм при измерении от плоской внешней поверхности до противоположной плоской внешней поверхности; от приблизительно 13,4 мм до приблизительно 14,2 мм при измерении от кромки до противоположной кромки (т.е. от линии пересечения двух внешних поверхностей с одной стороны перезаряжаемого устройства до соответствующей линии пересечения с другой стороны); и от приблизительно 14,2 мм до приблизительно 15 мм при измерении от верхней поверхности кнопки до противоположной нижней плоской внешней поверхности. Длина перезаряжаемого устройства составляет приблизительно 80 мм.
Курительное устройство должно подавать высокую мощность в течение периода времени, равного лишь нескольким минутам, как правило, приблизительно 7 минутам, в процессе одного сеанса курения. Затем может потребоваться возврат второй батареи в зарядное устройство 100 для перезарядки. Первая батарея 106 в зарядном устройстве выполнена с возможностью хранения заряда, достаточного для многократной перезарядки второй батареи 126 до тех пор, пока не потребуется ее собственная перезарядка. Таким образом для пользователя обеспечена портативная система, которая обеспечивает возможность выполнения множества сеансов курения до тех пор, пока не потребуется перезарядка через электрическую розетку.
Для того, чтобы вторая батарея 126 удовлетворяла противоречивым требованиям в отношении малого размера, достаточной емкости и безопасной, но быстрой зарядки и разрядки, а также приемлемого срока службы, может использоваться литий-железо-фосфатная (LiFePO4) батарея, как в данном примере. Вторая батарея 126 в данном примере имеет цилиндрическую форму с диаметром 10 мм и длиной 37 мм. В альтернативном варианте, в качестве второй батареи может использоваться литий-титанатная батарея.
2
Первая батарея 106 в зарядном устройстве 100 представляет собой литий-кобальт-оксидную (LiCoO) батарею призматического типа. Литий-кобальт-оксидная батарея обеспечивает более высокое напряжение батареи, чем литий-железо-фосфатная батарея, что обеспечивает возможность зарядки литий-железо-фосфатной батареи от одной литий-кобальт-оксидной батареи.
Субстрат, образующий аэрозоль, предпочтительно содержит табакосодержащий материал, содержащий летучие ароматические соединения табака, которые высвобождаются из субстрата при нагреве. В качестве альтернативы, субстрат, образующий аэрозоль, может содержать нетабачный материал. Предпочтительно, субстрат, образующий аэрозоль, дополнительно содержит вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль.
Субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый субстрат. Твердый субстрат может содержать, например, одно или несколько из следующего: порошок, гранулы, шарики, кусочки, тонкие трубочки, полоски или листы, содержащие одно или несколько из следующего: травяные листья, табачные листья, фрагменты табачных жилок, восстановленный табак, гомогенизированный табак, экструдированный табак и взорванный табак. В качестве альтернативы, субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой жидкий субстрат и курительное изделие может содержать средства для удержания жидкого субстрата.
На фиг. 2 показана схематическая иллюстрация компоновки электрических контактов на электрически управляемом курительном устройстве и зарядном устройстве, показанных на фиг. 1. На фиг. 2 показано, что перезаряжаемое устройство 102 имеет пять симметрично расположенных электрических контактов 131, 133, 135, 137, 139. Два контакта предоставлены для питания, два контакта предоставлены для данных и один контакт резервный. Из двух контактов, предоставленных для питания, первый контакт 131 выполнен с возможностью приема напряжения зарядки и второй контакт 133 выполнен в качестве электрического заземления. Зарядное устройство имеет соответствующие компоновки контактов 111, 113, 115, 117, 119 для зацепления с контактами на перезаряжаемом устройстве.
В случае компоновки, которая, например, показана на фиг. 2, существует вероятность короткого замыкания между первым контактом 131 и вторым контактом 133 или одним из контактов 135 или 137 передачи данных. Для предотвращения перегрева батареи в случае короткого замыкания предоставляется компоновка для защиты от короткого замыкания.
На фиг. 3 проиллюстрирована компоновка для защиты от короткого замыкания в соответствии с одним вариантом осуществления. Первый контакт 131 показан с правой стороны на фиг. 3. Соединение со второй батареей 126 показано выводом 200. P-канальный MOSFET 210 включен между первым контактом 131 и второй батареей 126. Исток MOSFET 211 соединен с первым контактом 131 и сток 213 соединен со второй батареей. MOSFET 210 «включен» и будет обеспечивать протекание тока от истока к стоку, если напряжение на истоке (от зарядного устройства) превышает напряжение на стоке (второй батарее 126). Если напряжение на стоке становится равным или превышающим напряжение на истоке, тогда ток не будет протекать. В данном варианте осуществления MOSFET представляет собой DMP1022UFDE-7 MOSFET, выпускаемый компанией Diodes Inc., который имеет сопротивление в режиме насыщения 21,5 мОм и имеет размер корпуса 2 мм × 2 мм.
В данном примере система выполнена с возможностью быстрой зарядки второй батареи 126 со скоростью от 8 до 10 Кл. Для быстрой зарядки с данной скоростью используется фаза зарядки при постоянном токе с последующей фазой зарядки при постоянном напряжении. Для гарантирования того, что во время зарядки, когда MOSFET включен, он имеет малое сопротивление и, следовательно, приводит к низким потерям энергии, схема, показанная на фиг. 3, работает посредством усиления напряжения от истока к стоку и его подачи на затвор 215 с коэффициентом усиления, выбранным таким образом, что падение, вызванное MOSFET во время фазы постоянного тока, является достаточным для работы MOSFET в режиме насыщения. В данном примере постоянный ток во время фазы постоянного тока составляет приблизительно 1 А. При меньших токах менее приблизительно 0,6 А во время фазы постоянного напряжения MOS-FET, например, будет работать в линейной области. Схема управления, описанная далее и показанная на фиг. 3, затем регулирует падение напряжения от истока к стоку, но всегда с низкими потерями.
Зарядка со скоростью от 8 до 10 Кл намного быстрее типовой скорости зарядки и конечно же можно выбрать компоненты для обеспечения более высокого коэффициента усиления, так что MOSFET работает в режиме насыщения при намного меньшем токе зарядки, если предполагается, что он является типовым режимом работы для устройства.
Для усиления напряжения от истока к стоку используется операционный усилитель 212. В данном варианте осуществления операционный усилитель 212 представляет собой OPA369, выпускаемый компанией Texas Instruments.
Коэффициент усиления, необходимый для операционного усилителя, определяется следующим образом:
Максимальное необходимое напряжение затвора для извлечения пользы из малого сопротивления MOSFET в режиме насыщения, и
Падение напряжения между истоком и стоком.
В данном варианте осуществления рабочее напряжение затвора составляет VGS=-3,0 В. Сопротивление MOSFET с данным напряжением затвора (RDSON) имеет типовое значение 14 мОм. Для номинального тока зарядки 1,0 А, который приводит к падению напряжения в 14 мВ на MOSFET 210. Необходимый коэффициент усиления операционного усилителя 212 следовательно составляет приблизительно:
Коэффициент усиления инвертирующего усилителя задается отношением сопротивления между резистором 214 и резистором 216.
В случае короткого замыкания заряд от перезаряжаемой батареи будет протекать через резистор 214. Следовательно, резистор 214 выбирается таким образом, чтобы гарантировать, что в случае короткого замыкания протекает малый ток, в идеале менее 1 мА. Максимальное напряжение U батареи составляет 3,65 Вольта. Значение 10 кОм выбирается для резистора 214, который обеспечивает следующий ток:
Данное значение ниже ограничения в 1 мА и, следовательно, соответствует данному требованию.
Сопротивление резистора 216 затем определяет коэффициент усиления. В данном варианте осуществления значение 47 Ом выбирается для предоставления следующего коэффициента усиления:
Данное значение 212,7 является близким к значению 214,3, вычисленному выше. Следовательно, если перезаряжаемое устройство должным образом соединено с зарядным устройством, MOSFET 210 включен и имеет малое сопротивление. Если возникает короткое замыкание и напряжение на контакте 311 зарядки идет на заземление, MOSFET 210 выключается и через него не протекает ток.
Небольшое смещение, вносимое резистором 218, гарантирует, что MOSFET 210 должным образом закрыт, когда напряжение истока и напряжение стока равны, что случается, когда напряжение зарядки не подается на контактную площадку и когда напряжение батареи подается на вход через резистор 214 для обеспечения считывания напряжения батареи на зарядной площадке. Наличие резистора 218 гарантирует, что имеется небольшое падение напряжения на резисторе 216 в данных условиях. Это в свою очередь гарантирует, что напряжение на отрицательном входе операционного усилителя меньше напряжения на положительном входе операционного усилителя на величину, которая превышает любое внутреннее смещение внутри операционного усилителя. Значение сопротивления 1 МОм выбирается для резистора 218. Это гарантирует, что резистор 218 смещения приводит к тому, что очень малый дополнительный ток холостого хода потребляется схемой, и гарантирует лишь небольшое дополнительное падение напряжения на резисторе 216 во время обычной работы.
Резистор 220 затвора препятствует тому, чтобы операционный усилитель воспринимал емкостную нагрузку из-за емкости затвора MOSFET 210. Большие емкостные нагрузки могут привести к пикам тока, которые превышают выходной ток короткого замыкания операционного усилителя. Выбранное значение 1 кОм для резистора 220 затвора удерживает пик тока ниже определенного выходного тока короткого замыкания операционного усилителя во всех случаях.
Резистор 222 представляет собой нагрузочный резистор, который гарантирует, что напряжение затвора удерживается близким к напряжению истока и, следовательно, MOSFET закрыт, даже если выход операционного усилителя отключен. Это может происходить, если напряжение батареи падает ниже минимального напряжения источника питания для операционного усилителя на 1,8 В. Резистор 222 имеет значение сопротивления в 10 кОм в данном примере.
Как было объяснено, если перезаряжаемое устройство должным образом соединено с зарядным устройством во время фазы зарядки при постоянном токе, напряжение затвора MOSFET 210 является достаточным для работы MOSFET в режиме насыщения с очень малым сопротивлением и, следовательно, очень низкими потерями энергии.
Если перезаряжаемое устройство отключено от зарядного устройства и отсутствует соединение на контактах зарядки, MOSFET выключается и ток не может протекать через него. Если возникает короткое замыкание между контактами зарядки, MOSFET остается выключенным и ток не протекает через MOSFET. В случае возникновения короткого замыкания лишь слабый ток менее 1 мА может протекать через резистор 214.
Вышеописанный приведенный в качестве примера вариант осуществления является иллюстративным, а не ограничивающим. На основании рассмотренного выше приведенного в качестве примера варианта осуществления другие варианты осуществления, соответствующие вышеуказанному приведенному в качестве примера варианту осуществления, теперь будут понятны специалисту в данной области техники.