專利名稱：有源平衡模塊電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電容器的有源平衡電路及其制造方法。 更具體而言，本發(fā)明涉及一種用于串聯(lián)疊加設(shè)置的電容器的基于 模塊的有源平衡電路。
背景技術(shù)：
電容器一般設(shè)計(jì)具有最大操作額定電壓，其中在這個(gè)最大操 作額定電壓以上的操作通常導(dǎo)致產(chǎn)生過多的泄漏電流，隨后產(chǎn)生 氣體，并最終導(dǎo)致電容器的故障。等值和等額定的電容器被串聯(lián) 疊加來構(gòu)建用于更高電壓應(yīng)用場合的電容。在充電期間以及在對(duì) 電容器充電之后，只要每個(gè)電容器的電容值保持相同，則總電壓 在疊加的每個(gè)電容器上平均分配。 一旦充電即將完成，并且達(dá)到 了疊加的平衡條件，則只要每個(gè)電容器的泄漏電流相等，電壓就 繼續(xù)在每個(gè)電容器上平均分配?？傊?，在這種串聯(lián)疊加的電容器 上具有不等電壓有兩個(gè)原因l)不等的電容值；2)不等的平衡泄漏 電流。
傳統(tǒng)上已經(jīng)采取了各種方法來試圖控制由于不等的電容值或 者不等的平衡泄漏電流導(dǎo)致的電壓的不平衡。在其中一個(gè)方法中， 使用 一種被稱為無源平衡的技術(shù)。無源平衡包括使用無源元件來 平衡疊加的電容器之間的電壓。通常，這包括將等值電阻器與電 容器并聯(lián)連接。盡管無源平衡開始可以工作，但是無源平衡的缺 點(diǎn)是，它不能調(diào)節(jié)由于電容值或隨時(shí)間產(chǎn)生的泄漏電流的改變而導(dǎo)致的電壓不平衡。
在另一種方法中，使用一種被稱為有源平衡的技術(shù)。有源平衡包括使用有源元件來平衡電容器之間的電壓。盡管該技術(shù)可以用來隨著時(shí)間調(diào)節(jié)電壓的不平衡，但是這些有源裝置的傳統(tǒng)的實(shí)施方式是復(fù)雜的并且是昂貴的。
因此，需要提供一種改進(jìn)的裝置和相應(yīng)的方法，該方法更容易并且可以更低成本地實(shí)現(xiàn)，還能夠控制串聯(lián)疊加的電容器之間的電壓的不平衡，從而延長電容器的平均壽命并且改進(jìn)電性能。
發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)前述的目的，本發(fā)明提供一種有源平衡模塊及其制造方法，該有源模塊控制串聯(lián)疊加的電容器之間的電壓/泄漏電流的不平衡，這些模塊結(jié)構(gòu)簡單并且制造成本低，而且是通用的。它們可以單獨(dú)4吏用也可以組合在 一 起來形成用于多個(gè)串聯(lián)疊加的電容器的多模塊有源平衡電路。
一方面，本發(fā)明提供一種模塊，該模塊具有用于控制一對(duì)串聯(lián)連接的電容器之間的電壓不平衡的無電感器的電路。該模塊包
括被設(shè)定成連接到第一電容器的陽極板的第一端子；設(shè)定成連接到第 一 電容器的陰極板并連接到第二電容器的陽極板的第二端子；設(shè)定成連接到第二電容器的陰極板的第三端子；以及集成到第一、第二和第三端子之間的無電感器電路內(nèi)的有源元件。該有源元件適于充分平衡成對(duì)的電容器之間的電壓不平衡。該有源元件還具有連接到第一和第三端子的電源連接。
在一個(gè)實(shí)施例中，有源元件是一個(gè)運(yùn)算放大器。該運(yùn)算放大器具有輸入、輸出以及反饋回路，其中輸入連接到兩個(gè)分電壓電阻器上。此外，輸出可以通過可選的限流電阻器連接到第二端子上。通常，反饋回路包括反饋電阻器。
在另一個(gè)實(shí)施例中，有源元件是一種開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器。通常，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器與快速電容器結(jié)合。
然而在另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)端子還被進(jìn)一步設(shè)定成連接到第二模塊，該第二模塊具有用于控制串聯(lián)連接的第二對(duì)電容器之間的電壓不平衡的無電感器電路。通常，第一和第二模塊的無電感器電路基本上相同。而且，第一和第二模塊的電路可以重疊在到第二模塊的連接之上。在一些情況中，第一和第二模塊的電路在一個(gè)端子上重疊。在其他情況中，第一和第二模塊的電路在兩對(duì)電容器共用的公共電容器上重疊。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種電容器裝置組件，該組件包括多個(gè)串聯(lián)電連接的電容器；以及具有用于控制串聯(lián)連接的一對(duì)
電容器之間的電壓不平衡的無電感器電路的模塊。該模塊包括被
設(shè)定成連接到第一電容器的陽極板的第一端子；設(shè)定成連接到第一電容器的陰極板并連接到第二電容器的陽極板的第二端子；設(shè)定成連接到第二電容器的陰極板的第三端子；以及集成在第一、第二和第三端子之間的無電感器電路內(nèi)的有源元件。該有源元件適于充分平衡成對(duì)的電容器之間的電壓不平衡。該有源元件還具有連接到第一和第三端子的電源連接。
在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)電容器安裝在具有用于相互連接多個(gè)電容器、模塊以及外部連接的電連接的母板上。另外，該模塊可以安裝在子板上，該子板安裝在母板上。
在另一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)電容器被連接到柔性電路結(jié)構(gòu)中的外部引線。該模塊被橫跨外部引線地安裝，并也具有柔性電路結(jié)構(gòu)。
在某些情況中，基底位于模塊、多個(gè)電容器以及母板上方。而且，基底、母板、模塊以及多個(gè)電容器的一部分可以封裝在模制材料中。
在另一方面，本發(fā)明提供一種用于控制串聯(lián)連接的一對(duì)電容器之間的電壓不平衡的方法。該方法包括(l)形成i殳定成連接到第一電容器的陽極板的第一端子；(2)形成設(shè)定成連接到第一電容器的陰極板并連接到第二電容器的陽極板的第二端子；(3)形成設(shè)定成連接到第二電容器的陰極板的第三端子；以及(4)將有源元件集成到第一、第二和第三端子之間的無電感器電路內(nèi)，從而使得有源元件充分平衡成對(duì)的電容器之間的電壓不平衡，該有源元件具有連接到第一和第三端子的電源連接。
下面將參考附圖來描述本發(fā)明的這些和其他特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1A示出根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的包括多個(gè)耦合到一個(gè)有源平衡模塊的電容器的有源平衡系統(tǒng)。
圖1B示出根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的包括多個(gè)耦合到一個(gè)
有源平衡模塊的電容器的有源平衡系統(tǒng)。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的包括多個(gè)耦合到多個(gè)有源平衡模塊的電容器的有源平衡系統(tǒng)。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的包括多個(gè)耦合到多個(gè)有
源平衡模塊的電容器的有源平衡系統(tǒng)。
圖4A示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的電容器裝置組件的側(cè)視圖。
圖4B示出圖4A中的電容器裝置組件的俯^L圖。
圖5 A示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的電容器裝置組件的側(cè)視圖，
圖5B示出圖5A中的電容器裝置組件的仰視圖。
圖6A示出本發(fā)明的第三實(shí)施例的電容器裝置組件的側(cè)視圖。
圖6B示出圖6A中的電容器裝置組件的俯視圖。圖6C示出封裝在模制材料中的圖6A中的電容器裝置組件的側(cè)#見圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。在附圖中示出了優(yōu)選實(shí)施例的例子。雖然本發(fā)明將結(jié)合這些優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于這些優(yōu)選實(shí)施例。相反，而是將覆蓋由附屬權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可能包括的替代方案、變型和等效方案。在下面的描述中，將描述大量的具體細(xì)節(jié)，以便于徹底的理解的本發(fā)明。本發(fā)明可以在沒有其中一些或所有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在其他例子中，為了避免對(duì)本發(fā)明產(chǎn)生不必要的混淆而沒有詳細(xì)描述公知的操作過程。
本發(fā)明提供有源平衡模塊及其制造方法，該模塊包含有源平衡電路來控制串聯(lián)疊加的電容器之間的電壓不平衡。這些模塊簡單制造成本較低，并且是通用的。它們可以單獨(dú)使用或者也可以結(jié)合起來形成用于多個(gè)串聯(lián)疊加的電容器的多模塊有源平衡電路。該模塊還可以以并排拓樸結(jié)構(gòu)或者重疊拓樸結(jié)構(gòu)排列。
引言
如之前所述，在串聯(lián)連接的電容器間的不等電壓通常有兩個(gè)原因l)不等電容值；2)不等的平衡泄漏電流。不等的電容值可以由制造偏差或者隨著時(shí)間使用電容器產(chǎn)生老化而導(dǎo)致。不等的電容值可以導(dǎo)致較低電容值的電容器在它們的最大操作電壓以外操作，這將反過來促使產(chǎn)生過多的泄漏電流。
但是，即使當(dāng)電容值很好的匹配，在充分充電的狀態(tài)中的平衡期間，泄漏電流的不匹配也仍然會(huì)在疊加的電容器上產(chǎn)生過電壓。泄漏電流大于其相鄰的平均值的電容器可以對(duì)它的相鄰電容器充電到超出它們的最大操作電壓，從而導(dǎo)致受影響的電容器最終失效。這是因?yàn)?，在平衡狀態(tài)中，泄漏電流趨于平衡自身。因此，低泄漏電容器將將通過提高它們的電壓以積累電荷。隨后，受影響的電容器的泄漏電流增加，并最終與具有差異的電容器的泄漏電流平衡。
盡管多種電容器都會(huì)顯示出電壓不平衡，但是容易受到更多的影響的電容器是電解技術(shù)電容器。這是因?yàn)殡娊饧夹g(shù)電容器通常與它們的大泄漏電流相關(guān)。而且，電解技術(shù)電容器通常具有較大的電容值，它們普遍被稱為超級(jí)電容器或者超電容器。
有源平衡模塊
為了控制串聯(lián)疊加的電容器之間的電壓不平衡，本發(fā)明提供一種有源平衡模塊。有源平衡模塊的目的是為了當(dāng)電容器堆 被完全充滿電時(shí)，保持串聯(lián)疊加的電容器中的每個(gè)電容器的電壓相等，這會(huì)發(fā)生在均衡的狀態(tài)，在該狀態(tài)中，在串聯(lián)疊加的電容器上相對(duì)沒有從連接的電源或者負(fù)載的充電或放電。根據(jù)下面將要討論的，有源平衡模塊可以應(yīng)用于具有兩個(gè)或以上的電容器的任意串聯(lián)疊加的電容器堆。
首先，圖1A和圖1B根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例分別示出了有源平衡系統(tǒng)100和120,該有源平衡系統(tǒng)包括多個(gè)井禺合到有源平衡才莫塊104的電容器102(例如，102a， 102b)。在三個(gè)端子106(例如，106a, 106b, 106c)處完成多個(gè)電容器102和有源平衡模塊104之間的耦合。端子106a連接到電容器102a的陽極板。端子106b連接到電容器102a的陰極板并連接到電容器102b的陽極板。端子106c連接到電容器102b的陰極板。如圖所示，電容器102a和102b以串聯(lián)設(shè)置的方式連接/疊加，其中通過連4妄105a和105b施加電壓。連接105a和105b可以連接到電源和/或負(fù)栽以用于供電。通常，有源平衡模塊104包括有源元件。在一個(gè)實(shí)施例中， 如圖1A所示，有源元件是運(yùn)算放大器裝置112。運(yùn)算放大器裝置 112包括一個(gè)作為電壓跟隨器的運(yùn)算放大器113。也就是，使用電
壓反饋的運(yùn)算放大器電路，其中電路具有高輸入阻抗、低輸出阻 抗并且電壓增益為1。同樣的，如果運(yùn)算放大器113的輸出144連 接到倒相(-)輸入116,則輸出電壓將找到任何必要的電平來平衡 倒相輸入的電壓與提供給非倒相(+ )輸入118的電壓。如杲反饋連 接是直接的，如同一條直的導(dǎo)線，則輸出電壓將充分"跟隨"非 倒相輸入的電壓。
為了充分平衡電容器的電壓，運(yùn)算放大器113的輸入連接到 一對(duì)分壓電阻器108a和108b，其中每個(gè)電阻器都與相應(yīng)的電容器 (例如，102a, 102b)并聯(lián)。分壓電阻器108a和108b的電阻值相等。 通過最佳算法選擇電阻值，其中該最佳算法試圖防止最差情況下 的泄漏值所引起的疊加的電容器的任何過電壓，并且同時(shí)試圖最 小化分壓電阻器可能引入的額外的泄漏電流。
運(yùn)算放大器113與分壓電阻器108a和108b在成對(duì)的電容器 102a和102b的中間節(jié)點(diǎn)U9上運(yùn)行。電流來源于該節(jié)點(diǎn)或者從該 節(jié)點(diǎn)吸收，從而強(qiáng)制每個(gè)電容器的電壓分配按照由分壓電阻器 108a和108b所限定的分配來分壓'由于運(yùn)算放大器的電源連接 V+和V-分別參考這些點(diǎn)，因此通過從電容器102a的頂部(陽極) 板或者電容器102b的底部(陰極)板牽曳適當(dāng)?shù)碾姾啥a(chǎn)生電流或 者吸收電流。
可選的是，限流電阻器108c可以被連接到如圖1A所示的運(yùn) 算放大器的輸出。但是，有源元件可以已經(jīng)包括電流限制短路保 護(hù)。例如，運(yùn)算放大器U3可以集成電流限制短路保護(hù)。另一種 可選的電阻器是反饋電阻器108d。反饋電阻器108d可以用來平衡
li輸入側(cè)的輸入補(bǔ)償電流。通常，反饋電阻器108d的值為分壓電阻 器108a和108b的并聯(lián)值。
盡管根據(jù)定義的電壓跟隨器的電壓增益為l，但是它的目的與 放大電壓毫無關(guān)系，而與放大信號(hào)的電容來將電流發(fā)送到負(fù)栽(例 如，102a, 102b)有關(guān)。同樣的，在峰值功率需求的放電/再充電期 間，有源平衡模塊104的運(yùn)算放大器產(chǎn)生并吸收大量的電流到電 容器或者從電容器產(chǎn)生并吸收大量的電流。另外，在完全充電的 穩(wěn)定和平衡狀態(tài)期間，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于不匹配的泄漏電流的電荷 平衡。因此，導(dǎo)致電壓不平衡的兩個(gè)原因、電容的變化以及不匹 配的泄漏電流都可以得到有效的控制。
在圖1B中示出有源平衡模塊104的有源元件的另一個(gè)實(shí)施 例。如圖所示，有源元件是快速電容器裝置122。通常，快速電容 器裝置122利用控制器123來控制開關(guān)124a和124b的同步轉(zhuǎn)換， 因此，連接到快速電容器102c的連接可以在多個(gè)電容器102(例如， 102a和102b)之間擺動(dòng)。特別是，開關(guān)124a和124b必須以先斷后 通的方式操作并且相互同步。也就是，它們都必須在它們接通電 路之前首先斷開。當(dāng)滯后的一個(gè)開關(guān)還沒有斷開它的連接時(shí)，一 個(gè)開關(guān)不能超前另 一個(gè)開關(guān)并且接通電路。在快速電容器102和 多個(gè)電容器之間的連接將允許電荷在其間產(chǎn)生/吸收。隨著時(shí)間的 流逝，可以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)電容器之間的電壓的平衡。
注意到有源平衡模塊104中沒有使用相對(duì)昂貴的感應(yīng)元件(例 如，電感器)是很重要的。而且，有源平衡模塊104中的有源元件 (例如，112， 122)的供電可以通過當(dāng)前在系統(tǒng)中和/或參考一對(duì)電 容器(例如，通過將運(yùn)算放大器113/控制器123的V+連接到電容 器102a的陽極板；通過將運(yùn)算放大器113/控制器123的V-連接到 電容器102b的陰極板)的靜態(tài)電流實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，每個(gè)有源平衡
12模塊104都可以是獨(dú)立的或者如圖2接下來所示的與另一個(gè)有源 平衡模塊結(jié)合工作。
有源平衡模塊可以單獨(dú)使用或者它們也可以組合在一起來形 成用于串聯(lián)疊加的多個(gè)電容器的多模塊有源平衡電路。例如，圖2 示出了一種有源平衡系統(tǒng)200，該系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施 例的多個(gè)耦合到多重有源平衡模塊204(例如，204a-e)的電容器 202(例如，Cl-C6)。這些電容器可以通過連接205a和205b連接到 電源和/或負(fù)載。有源平衡模塊204可以是任意基于模塊的用于串 聯(lián)疊加的電容器的有源平衡電路(例如，104)。對(duì)于一對(duì)給定的電 容器，有源平衡模塊204通常被限定為連接到頂部電容器的頂部 板、中間節(jié)點(diǎn)和底部電容器的底部板的三端裝置。多有源平衡模 塊204可以以圖2所示的并排拓樸結(jié)構(gòu)和/或重疊拓樸結(jié)構(gòu)排列。
可以在多模塊之間實(shí)現(xiàn)同步。但是，運(yùn)算放大器裝置和快速 電容器裝置一般使同步可選。這是因?yàn)槊總€(gè)運(yùn)算放大器裝置都在 不同的中間節(jié)點(diǎn)上操作，然而每個(gè)快速電容器裝置都允許快速電
容器順續(xù)并聯(lián)連接到用于電壓平衡的任意個(gè)電容器。
通常，對(duì)于一對(duì)電容器需要一個(gè)有源平衡模塊204。但是，在 重疊拓樸結(jié)構(gòu)中，對(duì)于三個(gè)電容器需要兩個(gè)有源平衡模塊204,四 個(gè)電容器需要三個(gè)有源平衡模塊204,依此類推。在一個(gè)實(shí)施例中， 重疊拓樸結(jié)構(gòu)的每一個(gè)電容器都位于由兩個(gè)有源平衡模塊204操 作的最頂部的電容器和最底部的電容器之間。
重疊拓樸結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)制整個(gè)電容器堆均勻的分配電 壓。而且，可以在疊加的電容器之間實(shí)現(xiàn)傳遞關(guān)系。例如，考慮 兩個(gè)模塊重疊并且三個(gè)電容器A、 B和C串聯(lián)疊加的情況。其中 一個(gè)模塊可以強(qiáng)制A的電壓等于B的電壓。另 一個(gè)模塊可以強(qiáng)制 B的電壓等于C的電壓。結(jié)果是，A的電壓將等于C的電壓。實(shí)例
為了進(jìn)一步理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，下面的實(shí)例才艮據(jù)本發(fā)明的一 個(gè)實(shí)施例提供涉及具有有源平衡模塊的有源平衡系統(tǒng)的詳細(xì)描 述。應(yīng)當(dāng)理解，下面的描述僅僅是個(gè)代表，本發(fā)明并不限于這個(gè) 例子中所闡述的細(xì)節(jié)。
圖3示出了包括耦合到多有源平衡模塊304(例如，304a、304b) 的多個(gè)電容器302(例如，302a、 302b和302d)的有源平衡系統(tǒng)300。 圖3示出了由系統(tǒng)120和系統(tǒng)200引入的概念。如圖所示，有源 平衡模塊304a和304b實(shí)現(xiàn)了快速電容器裝置。對(duì)于有源平衡模 塊304a，快速電容器裝置包括與快速電容器302c連接的開關(guān)電壓 轉(zhuǎn)換器326a。另一方面，用于有源平衡模塊304b的快速電容器裝 置包括與快速電容器302e連接的開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器326b。
理論上講，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器326a主要將成對(duì)的電容器302a 和302b充電到相等的電壓。在實(shí)現(xiàn)這個(gè)的過程中，快速電容器302c 轉(zhuǎn)移電容器302a和302b之間的電荷，直到它們的電壓相等。開 關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器326b和它的相應(yīng)的快速電容器302e在成對(duì)的電容 器302b和302d上執(zhí)行相同的功能。隨后，每個(gè)電容器兩端的電 壓將平衡在VV3。
為了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器ICl(即，326a)和IC2(即，326b) 是可購自Maxim Integrated Products, Sunnyvale, CA.的MAX660。 快速電容器C1(即，302c)和C2(即，302e)是具有25VDC的工作電 壓額定值的IO微法的鉭電容器。V+是通過限流和測量電流電阻器 Rl施加的7.8VDC。電容器C3、 C4和C5是額定在2.5VDC的22 法拉的B串聯(lián)電容器。電阻器R2為220歐姆，并且被連接到疊加 的電容器之一的兩端，來模擬一個(gè)嚴(yán)重泄漏電容器。
在實(shí)驗(yàn)中，測量VCl + , VC1-, VC2+和VC2-來確保開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器IC1和IC2正常的運(yùn)行。還測量VC3、 VC4、 VC5和IR(R1 中的電流)。然后，隨著時(shí)間監(jiān)測電壓以確定這種設(shè)計(jì)在多大程度 上達(dá)到電壓平衡。
測量測試電容器C3 、 C4和C5在1安培的恒定電流下的實(shí)際 電容值。在0.5伏和2.0伏之間的充電/放電期間逝去的時(shí)間被用 來計(jì)算電容值。在以下的表格中列出電容值。
法拉C3C4C5
充電17.617.618.5
放電18.218.018.6
平均值17.917.818.6
當(dāng)從引腳8到引腳3的電壓為2到2.5伏時(shí)，IC1和IC2可靠 地啟動(dòng)其內(nèi)部振蕩器。除非引腳6如圖所示連接，否則振蕩器有 時(shí)不啟動(dòng)。
第一個(gè)實(shí)驗(yàn)包括對(duì)疊加的電容器充電、觀測平衡、在C3兩端 連接R2，觀測將達(dá)到平衡的不平衡、除去R2，并且最終觀測平衡 的恢復(fù)。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)包括在C4兩端設(shè)置R2,觀測不平衡，除去 R2,并且觀測恢復(fù)過程。
以下表格顯示了結(jié)果。其中時(shí)間表示從產(chǎn)生每次改變到數(shù)值 被測量之間經(jīng)過的大致時(shí)間間隔。
時(shí)間10分鐘1小時(shí)1小時(shí)1小時(shí)18小時(shí)1小時(shí)5分鐘
VC32.63V2.61V2.53V2.61V2,61V2.61V2.60V
VC42.59V2.61V2.601V2.60V2.60V2.57V2.61V
VC52.54V2.59V2.638V2.60V2.60V2.60V2.60V
總V7.76V7.81V7.77V7.81V7.81V7.78V7.81V
IR1--4.67mA.45mA.13mA4.08mA.12mA對(duì)結(jié)果的檢驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)使平衡保持在大約0.02伏內(nèi)。R2表 示嚴(yán)重泄漏的路徑，泄漏超過10毫安。由此產(chǎn)生的最嚴(yán)重的不平 衡僅僅比"泄漏元件"兩端的電壓低0.07伏。在第二種情況中， 電壓僅僅低0.03伏。但是，在兩種情況中全部的泄漏低于5毫安。 明顯的是，快速電容器操作將泄漏電荷送回到"泄漏元件，，的相 反的極板。通過這種方式，快速電容器技術(shù)比分路元件或用于有 源平衡的產(chǎn)生/吸收電壓跟隨器更有效。
有源平衡模塊的封裝
基于有源平衡模塊的模塊性，可以實(shí)現(xiàn)多種電容器裝置組件。 這些組件說明了本發(fā)明的有源平衡模塊的多功能性。例如，圖4A 示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電容器裝置組件400的側(cè)視圖。 另一方面，圖4B示出電容器裝置組件400的俯視圖。
如圖所示，電容器裝置組件400包括一對(duì)沿著母板408頂部 上的子板404安裝的電容器402。電容器402可以以能夠適合于特 定應(yīng)用場合的任意傳統(tǒng)的方式封裝。例如，電容器402可以是在 保護(hù)塑料罐內(nèi)的纏繞(繞線)型電容器。在子板404上包括有有源平 衡電路406。子板404和母板408均在連接到母板410的底部的有 源平衡電路406、電容器402以及外部引線410(例如，105a, 105b, 205a， 205b)之間提供連接。外部引線410通常由例如銅的導(dǎo)電材
料制成，并且可以被電鍍從而耐用。
通常，每個(gè)子板404都將僅僅包含一個(gè)有源平衡電路406。子
板和有源平衡模塊的位置通常會(huì)接近于有源平衡模塊施加有源平 衡的相應(yīng)的成對(duì)電容器402(例如，在它們之間)?？梢岳萌我庥?源平衡電路406來形成電容器裝置組件400。 一般來說，有源平衡 電路406包含可能與有源平衡模塊104、204或者304類似的電路。 同樣的，子板404可以作為根據(jù)本發(fā)明的一種有源平衡模塊。電容器裝置組件400可以擴(kuò)展到串聯(lián)疊加的任意數(shù)量的電容 器402。為此，母板408和外部引線410可以擴(kuò)展為容納任意數(shù)量 的電容器402。例如，對(duì)于三個(gè)電容器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，具有重疊有源 平衡電路406的兩個(gè)相應(yīng)的子板404可以位于它們之間。也就是， 子板404將每個(gè)電容器402與鄰近的電容器隔開。通常，每個(gè)子 板404(有源平衡模塊)的結(jié)構(gòu)和功能都是相同的。由于有源平衡模 塊的模塊性，因此，可以容易的將任意數(shù)量的額外的串聯(lián)連接電 容器加到子板(有源平衡模塊)上。
其他可選的電容器裝置組件可以用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。例如，圖 5A示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電容器裝置組件500的側(cè)視 圖，圖5B示出電容器裝置組件500的相應(yīng)仰視圖。
電容器裝置組件500實(shí)現(xiàn)柔性電路結(jié)構(gòu)并包括電容器502。當(dāng) 需要獲得薄的/低輪廓的電容器裝置組件時(shí)，通常使用電容器502。
電容器502通常是折疊型電容器，其中電容器片折疊在柔性保護(hù) 殼內(nèi)。但是，多個(gè)電容器可以集成在電容器502中。例如，電容 器502可以包括多個(gè)串聯(lián)疊加的電容器。
電容器502連接到外部引線510。在這個(gè)實(shí)施例中，電容器 502和外部引線510的形狀基本上是平的、矩形的，并且是柔性的。 外部引線510提供電連接給電容器裝置組件500,并且可以利用任 意的導(dǎo)電材料形成。
形成有與外部引線510交叉安裝并且與其連接的、具有有源 平衡電路506的有源平衡模塊5(M。通常，有源平衡電路504包含 可能與有源平衡模塊104、 204或304類似的電路?？梢允褂萌我?的材料來構(gòu)造有源平衡模塊504。優(yōu)選的是，所使用的材料和設(shè)計(jì) 的應(yīng)用場合一致。例如，可以使用容易適用于外部引線510的柔 性材料。通常，有源平衡模塊504會(huì)在有源平衡電路506和電容器502之間提供連接。
最后，圖6A示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的電容器裝置組件 600的側(cè)4見圖，圖6B示出電容器裝置組件600的俯#見圖。
如圖所示，電容器602與有源平衡模塊606 —起安裝在基底 604(例如，母板)的頂部表面上。基底604通常由非導(dǎo)電材料組成， 例如由陶瓷、塑料或者本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的其它適合的材 料組成?；?04包括用于連接到位于它的相反的表面上的襯墊 的一對(duì)通孔610?；?04包括用于根據(jù)本發(fā)明將電容器602、有 源平衡神莫塊606以及通孔610連接在一起的電軌跡線(未示出)。同 樣的，電容器裝置組件600可以容易的安裝到任何電子設(shè)備中(例 如，移動(dòng)電話)。
可選的是，電容器裝置組件600還可以進(jìn)一步被封裝以得到 更好的保護(hù)。例如，圖6C示出封裝在模制材料中的電容器裝置組 件600的側(cè)視圖。任何傳統(tǒng)的模制材料(例如，塑料)均可以使用。 在進(jìn)行封裝來形成蓋子614之前，可以增加基底612以覆蓋電容 器裝置組件600。如果這樣，那么基底612會(huì)延伸并覆蓋到模塊 606、電容器602和/或基底604的任意部分的上方。同樣地，如果 這樣，那么模制材料可以封裝模塊606、電容器602和/或基底604 的任意部分。如同基底604 —樣，基底612通常也由非導(dǎo)電材料 組成，例如由陶瓷、塑料或者本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的其它適 合的材料組成。設(shè)置基底612的目的是給封裝的電容器裝置組件 600提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
組件400、 500和600適用于備用電源的應(yīng)用，而且利用本發(fā)
明的有源平衡模塊作為元件構(gòu)造容易并且便宜。用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明 的許多元件也是可以現(xiàn)貨供應(yīng)的低成本的元件。
本發(fā)明呈現(xiàn)了超越傳統(tǒng)方法的許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是在超級(jí)電容器領(lǐng)域。由于超級(jí)電容器通常的最大操作電壓在2.3伏到2.7伏的 范圍，因此低靜態(tài)電流有源元件(例如，運(yùn)算放大器裝置112)可以 用來使有源平衡系統(tǒng)中的泄漏電流消耗最小。有源平衡模塊也可 以根據(jù)應(yīng)用而升級(jí)。例如，根據(jù)系統(tǒng)的預(yù)期電流選擇有源元件。 而且，三端模塊的簡單性和較少的元件數(shù)量使得與多個(gè)串聯(lián)設(shè)置 的電容器組裝集成更容易并且有較少的連接。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，有源元件(例如，運(yùn)算放大器裝置 112、快速電容器裝置122)將不太可能甚至永遠(yuǎn)不會(huì)觀察到V+和 V-基本上超過它們的相應(yīng)電容器的合成額定電壓，在一些情況中 為5伏(相應(yīng)的電容器對(duì)的每個(gè)電容器為2.5伏)。這取決于參考的 有源元件的電源連接如何(例如，在兩個(gè)電容器106a和106c之間)。 同樣的，有源元件的額定值可以根據(jù)它們的相應(yīng)電容器的合成額 定電壓而單獨(dú)選擇。因此，對(duì)于大規(guī)模的疊加，其中在最頂部電 容器和最底部電容器之間的電壓變大，而低成本和低電壓的有源 元件可以繼續(xù)在它們之間實(shí)現(xiàn)。
另外，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠在均衡狀態(tài)(例如，在備用 狀態(tài))充分平衡泄漏電流。這點(diǎn)很重要，因?yàn)殡娙萜鞯亩鄶?shù)時(shí)間處 于備用狀態(tài)等待提供一個(gè)負(fù)載。同樣的，在這期間的任何電流的 不匹配將導(dǎo)致出現(xiàn)過電壓的情況。因此，在均衡狀態(tài)期間泄漏電 流持久的不匹配會(huì)明顯的減少電容器的壽命。
盡管通過一些具體細(xì)節(jié)描述了前述的發(fā)明以便于清楚的理 解，但是很顯然在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行某些改變和變型 也是可以的。應(yīng)當(dāng)注意的是，有許多可選的方式來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的 過程和裝置。因此，現(xiàn)有的實(shí)施例應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而不是限 制性的，并且本發(fā)明并不限于這里給出的細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種具有用于控制串聯(lián)連接的一對(duì)電容器之間的電壓不平衡的無電感器電路的模塊，其包括設(shè)定成連接到第一電容器的陽極板的第一端子；設(shè)定成連接到第一電容器的陰極板并連接到第二電容器的陽極板的第二端子；設(shè)定成連接到第二電容器的陰極板的第三端子；有源元件，其集成在第一、第二和第三端子之間的無電感器電路內(nèi)，并適于充分平衡成對(duì)的電容器之間的電壓不平衡，該有源元件具有連接到第一和第三端子的電源連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于有源元件是運(yùn)算放大 器，該運(yùn)算放大器具有輸入、輸出以及反饋回路，該輸入連接到 兩個(gè)分壓電阻器。
3. 如權(quán)利要求2所述的模塊，其特征在于輸出連接到第二端子。
4. 如權(quán)利要求3所述的模塊，其特征在于輸出通過限流電阻器 連接到第二端子。
5. 如權(quán)利要求2所述的模塊，其特征在于反饋回路包括反饋電 阻器。
6. 如權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于有源元件是開關(guān)電壓 轉(zhuǎn)換器。
7. 如權(quán)利要求6所述的模塊，其特征在于開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器與快 速電容器結(jié)合。
8. 如權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于至少一個(gè)端子還設(shè)定 成連接到第二模塊，該第二模塊具有用于控制第二對(duì)串聯(lián)連接的電容器之間的電壓不平衡的無電感器電路。
9. 如權(quán)利要求8所述的模塊，其特征在于第一和第二模塊的無 電感器電路實(shí)質(zhì)上相同。
10. 如權(quán)利要求8所述的模塊，其特征在于第一和第二模塊的 電路重疊在到第二模塊的連接之上。
11. 如權(quán)利要求10所述的模塊，其特征在于第一和第二模塊的 電路在一個(gè)端子上重疊。
12. 如權(quán)利要求10所述的模塊，其特征在于第一和第二模塊的 電路在兩對(duì)電容器共用的公共電容器上重疊。
13. —種電容器裝置組件，包括 多個(gè)串聯(lián)電連接的電容器；以及具有用于控制串聯(lián)連接中的一對(duì)電容器之間的電壓不平衡的無電感器電路的模塊，該模塊包括設(shè)定成連接到第 一 電容器的陽極板的第 一 端子； 設(shè)定成連接到第 一電容器的陰極板并連接到第二電容器的陽極板的第二端子；設(shè)定成連接到第二電容器的陰極板的第三端子；以及 有源元件，其集成在第一、第二和第三端子之間的無電感器電路內(nèi)，并適于充分平衡成對(duì)的電容器之間的電壓不平衡，該有源元件具有連接到第 一和第三端子的電源連接。
14. 如權(quán)利要求13所述的電容器裝置組件，其特征在于多個(gè)電 容器安裝在母板上，該母板具有用于相互連接多個(gè)電容器、模塊 以及外部連接的電連接。
15. 如權(quán)利要求14所述的電容器裝置組件，其特征在于所述模 塊安裝在子板上，子板安裝在母板上。
16. 如權(quán)利要求13所述的電容器裝置組件，其特征在于多個(gè)電容器連接到柔性電路結(jié)構(gòu)中的外部引線。
17. 如權(quán)利要求16所述的電容器裝置組件，其特征在于所述模 塊安裝在外部引線兩端，該模塊還具有柔性電路結(jié)構(gòu)。
18. 如權(quán)利要求14所述的電容器裝置組件，其特征在于基底位 于模塊、多個(gè)電容器以及母板上方。
19. 如權(quán)利要求18所述的電容器裝置組件，其特征在于所述基 底、母板、模塊和多個(gè)電容器的一部分封裝在模制材料中。
20. —種用于控制串聯(lián)連接的一對(duì)電容器之間的電壓不平衡的 方法，其包括形成設(shè)定成連接到第一電容器的陽極板的第一端子； 形成設(shè)定成連接到第一電容器的陰極板并連接到第二電容器 的陽極板的第二端子；形成設(shè)定成連接到第二電容器的陰極板的第三端子；以及 在第一、第二和第三端子之間的無電感器電路內(nèi)集成有源元 件，使得該有源元件充分平衡成對(duì)的電容器之間的電壓不平衡， 該有源元件具有連接到第 一和第三端子的電源連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及有源平衡模塊電路。具體地，提供一種有源平衡模塊及其制造方法，該有源平衡模塊能夠控制串聯(lián)疊加的電容器之間的電壓不平衡。這些模塊結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉并且是通用的。它們可以單獨(dú)使用也可以組合使用來形成用于串聯(lián)疊加的多個(gè)電容器的多模塊有源平衡電路。該模塊還可以以并排拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者重疊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排列。
文檔編號(hào)H02M1/10GK101656427SQ20091017006
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2005年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月17日
發(fā)明者亨迪·P·卡馬特, 吉姆·斯特蘭, 尼爾·舒爾茨, 弗蘭克·A·多利加克 申請(qǐng)人:庫帕技術(shù)公司