提高電容器的工作壽命的方法、電容器控制電路結構及其應用的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種提高電容器模塊在使用所述電容器模塊的電子電路中的工作壽命的方法，包括以下步驟：提供具有相同配置的兩個或多個電容器模塊；交替地控制所述電容器模塊中的相應一個電容器模塊在所述電子電路工作第一預定時間。本發明還涉及到一種電容器控制電路結構，其用于電子電路中由原電容器模塊原先占用的位置，所述電容器控制電路結構相對于所述原電容器模塊具有延長的工作壽命。本發明還涉及到所述電容器控制電路結構在電子電路中的應用。
【專利說明】提高電容器的工作壽命的方法、電容器控制電路結構及其應用
【技術領域】
[0001]本發明大體上涉及電容器的領域。更具體地說，本發明涉及一種調節電容器的工作以延長所述電容器在使用所述電容器的電子電路中的工作壽命的方法，以及一種具有延長的工作壽命的電容器控制電路結構。
【背景技術】
[0002]電容器為電子電路中必不可少的電子元件。電容器廣泛應用于使電力平穩的電源濾波電路、信號耦合電路、諧振電路等等。電解電容器是其中一種電容器，近年來得到廣泛應用。不過，電解電容器具有較短的工作壽命，導致許多電子電路的使用壽命直接與其使用的電解電容器的壽命相關。例如，LED燈(發光二極管)為具有約5至10萬小時壽命的長壽固態光源，而電解電容器則具有約3至6千小時的壽命。換句話說，LED的工作壽命受LED的濾波和驅動電路所用的電解電容器嚴重影響。
[0003]電解電容器在結構上使用電解液，即一種離子導電液體。電解電容器內部的濕電解化學物會隨著其老化而蒸發，因此最終會失效。一般來說，電解電容器的負載壽命反映在一定載荷條件下電解電容器的基本電氣性能的變化量，顯示電容器在電路工作期間的老化作用。由于較高的溫度會加速電解化學物的蒸發，負載壽命的相應溫度通常表示由制造商推薦的電解電容器的最高額定工作溫度。電解電容器所用的電解質會蒸發，所以電解電容器的負載壽命會在設定溫度下以小時來計算。
[0004]在電子和/或電氣工程領域中眾所周知的是，電解電容器會隨著其老化及其ESR(等效串聯電阻)的相應增大而逐漸失效。由于ESR決定電容器在平穩電壓的濾波電路的功率損耗量，所以ESR應保持為盡可能地小。電解電容器的功率損耗會隨著流經的脈動電流的平方而變化，并與ESR成比例。低ESR為高效率電源的關鍵因素。隨著電解電容器在電子電路正常使用過程中老化，其ESR將會增加。因此，電解電容器再不能于電子電路中發揮其預定的功能。
[0005]圖1所示為現有技術的典型AC-DC降壓整流電路，其使用電解電容器在整流后使DC電壓平穩。該電路包括隔離變壓器Tl，將家居AC電壓(例如220伏特)降低為較低的電壓；全波橋式整流電路，包括4個二極管:D1、D2、D3和D4，將降低的AC電壓轉換成DC電壓；以及電解電容器Ecap I，使所述DC電壓平穩。
[0006]圖2a所示為圖1所示的AC-DC降壓整流電路中經過電解電容器Ecapl的正常DC輸出電壓波形。圖2b所示為模擬的輸出電壓波形，其中電解電容器Ecapl的ESR變成無限大，就好像該電容器為斷路。正如圖2b所示，當ESR增大到無限大，表示電解電容器Ecapl的老化已到最壞的情況，這時該電容器可能無法提供其預定的使輸出電壓平穩的功能。由于AC-DC整流電路通常用于驅動另一電子電路，電解電容器因老化而引起的故障可在總體上對該電子電路的功能和性能產生負面影響。
[0007]已有人花費了大量的時間和努力，試圖盡可能地使電解電容器的壽命最大化。例如，US2005/0270723A1、CN101900269A、CN102222568A、和 CN102136370A 都提出 了 電容器的
壽命的改進措施。然而，這些改進措施均涉及電容器本身結構的改變。
[0008]因此，本領域需要一種新的方法，通過調節電路應用中電容器的工作而富成本效益地提高電容器的工作壽命。

【發明內容】

[0009]研究本發明是為了實現上文提出的需要，因此本發明的主要目的是提供了ー種新方法，試圖實現延長電容器在電子電路的工作壽命的任務。本發明的特征在于配置兩個或多個相同的電容器模塊，并使電容器模塊在電子電路中輪流工作，以致于在電子電路的任何工作時刻，只容許ー個電容器模塊工作并且每ー個電容器模塊在電子電路內大體上工作相等的時間，從而使電子電路所用的電容器模塊的工作壽命最大化。
[0010]下文所用的術語“電容器模塊”是指用于電子應用的單個電容器；或用于電子應用的模塊，其包括一定數量的串聯和/或并聯在一起的電容器。
[0011]對于兩個或多個電容器模塊而言，如果其中ー個電容器模塊比其它電容器模塊的失效時間早很多，而失效的模塊不再起作用，那么電子應用中的每ー電容器模塊的壽命就不可以盡可能地最大化。如果每ー個模塊被配置成具有大致相同的工作時間，這就會非常理想。
[0012]本發明的這些和其它目的以及優點可通過ー種提高電容器模塊(例如電解電容器模塊)在使用所述電容器模塊的電子電路中的工作壽命的方法來達成，所述方法包括以下步驟:
[0013]提供具有相同配置的兩個或多個電容器模塊；
[0014]交替地控制所述兩個或多個電容器模塊中的相應ー個電容器模塊在所述電子電路工作第一預定時間。
[0015]在本發明的一個實施例中，該方法進ー步包括以下步驟:在關斷所述電子電路之前識別出正在使用中的電容器模塊，并確定所述電容器模塊的所述第一預定時間還剩余多少時間才完結，以致于在接通所述電子電路作重新運作時，所述的在關斷前正在使用的電容器模塊恢復工作并完成上述剰余時間。
[0016]優選地，可由配置內部或外部存儲裝置的微控制器進行所述控制步驟，所述存儲裝置儲存與所述電容器模塊的工作記錄和更新相關的數據。
[0017]在本發明的另ー實施例中，所述控制步驟包括在毎次接通所述電子電路時，總是啟動所述兩個或多個電容器模塊中的第一電容器模塊工作所述第一預定時間的一半時間。在所述第一電容器模塊工作所述第一預定時間的一半時間之后，由所述兩個或多個電容器模塊中的第二電容器模塊開始，交替地控制每ー個電容器模塊在所述電子電路的工作時間為所述第一預定時間。
[0018]優選地，所述方法包括以下步驟:在所述相應ー個電容器模塊停止工作前，使所述相應ー個電容器模塊和準備工作的ー個電容器模塊在所述電子電路同時地工作第二預定時間。
[0019]本發明的第二方面是提供一種電容器控制電路結構，其用于電子電路中由電容器模塊(下文中稱為“原電容器模塊”)原先占用的位置。所述電容器控制電路結構包括:[0020]具有相同配置的兩個或多個電容器模塊；
[0021]至少一個開關裝置，所述開關裝置與所述兩個或多個電容器模塊中的相應一個電容器模塊作工作連接；以及
[0022]電容器模塊控制器，所述電容器模塊控制器用于交替地控制所述至少一個開關裝置與所述相應一個電容器模塊作工作連接持續第一預定時間，以使所述相應一個電容器模塊被啟動在所述電子電路工作所述第一預定時間。
[0023]優選地，可在所述電容器模塊控制器之前設置調壓器，以確保所述控制器正常地工作。
[0024]在本發明的一個較佳實施例中，所述電容器模塊控制器做成微控制器，所述微控制器被編程為交替地控制每一個電容器模塊在所述電子電路工作所述第一預定時間。所述微控制器可設計成，或者所述微控制器可設置與其耦合的外部存儲器，來儲存與所述電容器模塊的工作記錄和更新相關的數據，以便在關斷所述電子電路之前識別出正在使用的電容器模塊并確定所述電容器模塊的所述第一預定時間還剩余多少時間才完結，從而在接通所述電子電路作重新運作時，所述微控制器能夠恢復在關斷前正在使用的電容器模塊的工作并完成上述剩余時間。
[0025]在本發明的另一較佳實施例中，所述電容器模塊控制器做成程序計數器或微控制器(MCU)，其在每次接通所述電子電路時總是啟動所述兩個或多個電容器模塊中的第一電容器模塊工作所述第一預定時間的一半時間；在所述第一預定時間的一半時間之后，由所述兩個或多個電容器模塊中的第二電容器模塊開始，所述計數器或MCU交替地控制每一個電容器模塊在所述電子電路工作所述第一預定時間。
[0026]有利地，所述電容器模塊控制器可配置成使所述相應一個電容器模塊和準備工作的一個電容器模塊能夠在所述相應一個電容器模塊停止工作之前，在所述電子電路同時地工作第二預定時間。
[0027]在本發明的一個特定實施例中，所述開關裝置配置成晶體管，用于所述相應一個電容器模塊，以致每一個電容器模塊都有各自的與所述電容器模塊控制器作工作連接的開關器。因此，所述控制器能夠控制所述晶體管與所述相應一個電容器模塊的工作連接，使所述相應一個電容器模塊能夠工作。
[0028]本發明的第三方面涉及本發明的電容器控制電路結構在用于LED燈的驅動電路中的應用。
[0029]與現有技術通過改變電容器的結構和/或材料來延長電解電容器的工作壽命不同，本發明的特征在于提供具有相同配置的兩個或多個電容器模塊，它們在電子電路中輪流工作，因此在電子電路的任何工作時刻，只有一個電容器模塊工作并且每一個電容器模塊在電子電路中大體上工作相等的時間。通過這種方法，電子電路中的電容器模塊的工作壽命就可獲得延長。
[0030]因為每一個電容器模塊工作相等的時間，所以本發明的電容器控制電路結構相對于原電容器模塊具有延長的工作壽命。具體而言，取決于電容器控制電路結構包含的電容器模塊的數量，本發明的電容器控制電路結構相對于原電容器模塊展示出兩倍、三倍或甚至更長的工作壽命。假設用于電子電路的原電解電容器模塊的工作壽命于攝氏105度下為2000小時，如果在電子電路中將此電解電容器模塊替換為本發明的包括兩個與原電解電容器模塊具有相同配置的電解電容器模塊的電容器控制電路結構，則至少在理論上，本發明的電容器控制電路結構可將其取代的電容器模塊在電子電路的工作壽命延長到總共為4000小時。
[0031]以下將參照附圖和本發明的構思和結構的敘述來進ー步說明本發明的目的、特征、優勢和技術效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1所示為現有技術的典型AC-DC降壓整流電路，其使用電解電容器在整流后使DC電壓平穩。
[0033]圖2a所示為圖1所示的AC-DC降壓整流電路中經過電解電容器Ecapl的正常DC輸出電壓波形。
[0034]圖2b所示為模擬的輸出電壓波形，其中電解電容器Ecapl的ESR變成無限大，就好像該電容器為斷路。
[0035]圖3所示為根據本發明的第一實施例來構建的電容器控制電路結構，其用于圖1所示的AC-DC降壓整流電路。
[0036]圖4所示為圖3的電容器控制電路結構的控制算法的流程圖。
[0037]圖5所示為現有技術的用于LED燈的典型AC-DC轉換電路，其使用包含兩個串聯電解電容器的電容器模塊。
[0038]圖6所示為根據本發明的第二實施例來構建的電容器控制電路結構，其用于圖5所示的轉換電路。
[0039]圖7所示為圖6的電容器控制電路結構的控制算法的流程圖。
[0040]圖8所示為圖6的電容器控制電路結構的預期工作壽命的示意圖。
[0041]圖9所示為根據本發明的第三實施例來構建的電容器控制電路結構，其用于圖5所示的轉換電路。
[0042]圖10所示為圖9的電容器控制電路結構的控制算法的流程圖。
[0043]圖11所示為圖9的電容器控制電路結構的操作順序的示意圖，其中第一電容器摸塊Ecapl在關閉電源之前工作。
[0044]圖12所示為圖9的電容器控制電路結構的操作順序的示意圖，其中第二電容器摸塊Ecap2在關閉電源之前工作。
【具體實施方式】
[0045]通過以下結合附圖對電容器控制電路結構的說明，本發明的方法的發明點就會變得明顯。雖然本發明業已在較佳的實施例中作出說明和敘述，但電容器控制電路結構可用許多不同的配置、尺寸、形式和材料來制造。
[0046]現參照附圖，圖1所示為現有技術的典型AC-DC降壓整流電路，其使用的原電容器模塊包括單個電解電容器，在整流后使DC電壓平穩。圖3為根據本發明的第一實施例構建的電容器控制電路結構10，其用于圖1所示的降壓整流電路以替代原電解電容器模塊。在此實施例中，電容器控制電路結構10包括第一和第二電解電容器模塊EcapI和Ecap2、作為電容器模塊控制器的通用微控制器(MCU) 12、外部EEPROM存儲裝置14、驅動MCU 12的調壓器16、第一晶體管TRl和第二晶體管TR2。第一晶體管TRl的兩個端子分別與第一電容器模塊Ecapl和電路的公共接地連接，第三端子與MCU 12的第一腳I連接。第二晶體管TR2的兩個端子分別與第二電容器模塊Ecap2和電路的公共接地連接，第三端子與MCU 12的第二腳2連接。第一和第二電解電容器模塊Ecapl和Ecap2具有與圖1所示的原電解電容器模塊相同的配置和相同的功能。MCU 12與電子電路成電子稱合。由于MCU 12的工作電壓可能會不同于AC-DC降壓整流電路的輸出電壓，電容器控制電路結構10包含的調壓器16可為MCU 12提供合適的工作電壓。
[0047]如圖所示，電容器模塊Ecapl和Ecap2并非簡單地并聯連接。因為如果它們并聯和/或串聯連接，兩個電解電容器模塊將同時地一起發揮平穩電壓的作用并一起老化。因此，簡單地將兩個電解電容器模塊并聯和/或串聯連接，電容器模塊的工作壽命將不會有任何改善。
[0048]在電容器控制電路結構10中包含MCU 12以及晶體管TRl和TR2，就是為了使兩個電容器模塊Ecapl和Ecap2交替地被啟動，在降壓整流電路中工作相等的時間。因此，該電容器控制電路結構中的兩個電容器模塊在電路中的工作壽命會加倍。
[0049]圖4所示為電容器控制電路結構10的控制算法的流程圖。當施加電力時，MCU 12通過向其腳I施加邏輯I而接通晶體管TR1，令到只有晶體管TRl與電容器模塊Ecapl連接，與降壓整流電路形成閉合環路，以便使DC電壓平穩。MCU 12同時啟動內部倒數計時器倒計時間，例如60分鐘。在60分鐘的倒計時間結束時，MCU 12通過向其腳2施加邏輯I而接通晶體管TR2，令到只有晶體管TR2與電容器模塊Ecap2連接，與降壓整流電路形成閉合環路，以便使DC電壓平穩。MCU 12可配置成使兩個電容器模塊Ecapl和Ecap2皆與電路連接很短的時間，例如10秒，以盡量減少在切換不同的電容器模塊期間導致的任何電氣開關噪聲。在10秒結束后，MCU 12通過向其腳I施加邏輯O而關斷晶體管TR1。換句話說，電容器模塊Ecapl在電路工作60分鐘后被斷開，而電容器模塊Ecap2則單獨連接降壓整流電路，提供使整流電壓平穩的功能。然后，MCU 12重置其內部的60分鐘倒數計時器，并重新啟動另一次60分鐘的倒計時。在第二次60分鐘的倒計時結束時，MCU 12會通過切換連接到晶體管TRl而重新連接電容器模塊Ecapl，再停用電容器模塊Ecap2。只要有電力施加于電路，上述步驟會一次又一次地重復。
[0050]為了跟蹤目前哪個電容器模塊在電路中連接和工作以及該電容器模塊剩余的倒計時間，MCU 12或諸如EEprom的外部存儲裝置可配置成在電子電路的正常運行期間不時地(例如每10秒)儲存與所述電容器模塊的工作記錄和更新相關的數據。在本實施例中，如果電源被關閉，無論是有意還是無意，外部EEprom存儲裝置14會保存與關閉前哪個電容器模塊正在工作以及還剩下多少倒計時間等相關的數據，以致于在電力恢復后，MCU 12可基于EEprom存儲裝置14所儲存的數據而重新連接在關閉前正在工作的那個電容器模塊，并使所述電容器模塊在整流電路完成其剩余的工作時間。通過由電容器控制電路結構10提供的這種邏輯控制，兩個電解電容器模塊Ecapl和Ecap2的每一個可交替地和連續地工作平穩電壓，并且在電子電路內工作相等的時間。因此，如果圖1所示的原電解電容器模塊的工作壽命于攝氏105度下為2000小時，則電容器控制電路結構10通過使用兩個電解電容器模塊Ecapl和Ecap2而提供的工作壽命將有效地加倍至4000小時。
[0051]參照圖5，圖中示出現有技術的用于照明用途的LED燈的典型AC-DC開關式轉換電路。在該電路中，家居AC電壓，例如220伏特，被包括4個ニ極管Dl、D2、D3和D4的全波橋式整流電路直接整流成DC電壓。包括兩個串聯的電解電容器Ecapl和Ecap2的電容器模塊被用于平穩所述DC電壓，所述DC電壓然后用于驅動開關式DC-DC轉換電路，從而驅動LED陣列以產生足夠的光作照明用途。應該注意，該轉換電路中采用的用于使整流后的DC電壓平穩的電容器模塊的成本遠遠小于總的電子成本。例如，電容器模塊的成本小于LED燈的總成本的1%。但是該轉換電路中的電容器模塊可對LED燈的電氣性能和光輸出具有重大影響。
[0052]正如圖5所示，AC-DC開關式轉換電路包括整流電路和開關式DC-DC轉換電路。整流電路用于將家居AC電壓調節成DC電壓，其繼而為驅動LED陣列的開關式DC-DC轉換電路供電。開關式DC-DC轉換電路在本領域是眾所周知的，不是本發明的要點，因此本文不作詳細描述。
[0053]表I所不為圖5所不的LED燈電路的正常電氣性能和光輸出；表2所不為同一 LED燈電路的退減電氣性能和光輸出，其中整流電路中的兩個電解電容器的ESR變成無限大，這是電解電容器老化出現的最壞情況。
[0054]表I
【權利要求】
1.一種提高電容器模塊在使用所述電容器模塊的電子電路中的工作壽命的方法，其包括以下步驟: 提供具有相同配置的兩個或多個電容器模塊； 交替地控制所述兩個或多個電容器模塊中的相應一個電容器模塊在所述電子電路工作第一預定時間。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于進一步包括以下步驟:在關斷所述電子電路之前識別出正在使用中的電容器模塊，并確定所述電容器模塊的所述第一預定時間還剩余多少時間才完結，以致于在接通所述電子電路作重新運作時，所述的在關斷前正在使用中的電容器模塊恢復工作并完成上述剩余時間。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于:由配置內部或外部存儲裝置的微控制器進行所述控制步驟，所述存儲裝置儲存與所述電容器模塊的工作記錄和更新相關的數據。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述控制步驟包括在每次接通所述電子電路時，總是啟動所述電容器模塊中第一電容器模塊工作所述第一預定時間的一半時間。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于:在所述第一電容器模塊工作所述第一預定時間的一半時間之后，由所述兩個或多個電容器模塊中的第二電容器模塊開始，交替地控制每一個電容器模塊在所述電子電路工作所述第一預定時間。
6.根據權利要求1至5的任一項所述的方法，其特征在于包括以下步驟:在所述相應一個電容器模塊停止工作之前，使所述相應一個電容器模塊和準備工作的一個電容器模塊在所述電子電路同時地工作第二預定時間。
7.根據權利要求1至5的任一項所述的方法，其特征在于:所述電容器模塊為電解電容器模塊。
8.根據權利要求1至5的任一項所述的方法，其特征在于:所述電容器模塊中每一個均配置成在所述電子電路工作相等的時間。
9.一種用于電子電路的電容器控制電路結構，包括: 具有相同配置的兩個或多個電容器模塊； 至少一個開關裝置，所述開關裝置與所述兩個或多個電容器模塊中的相應一個電容器模塊作工作連接；以及 電容器模塊控制器，所述電容器模塊控制器用于交替地控制所述至少一個開關裝置與所述相應一個電容器模塊作工作連接持續第一預定時間，以使所述相應一個電容器模塊被啟動在所述電子電路工作所述第一預定時間。
10.根據權利要求9所述的電容器控制電路結構，其特征在于進一步包括:在所述電容器模塊控制器之前設置調壓器，以確保所述控制器正常地工作。
11.根據權利要求9所述的電容器控制電路結構，其特征在于:所述電容器模塊控制器做成微控制器，所述微控制器被編程為交替地控制每一個電容器模塊在所述電子電路工作所述第一預定時間。
12.根據權利要求11所述的電容器控制電路結構，其特征在于:所述微控制器設計成儲存與所述電容器模塊的工作記錄和更新相關的數據，以便在關斷所述電子電路之前識別出正在使用中的電容器模塊并確定所述電容器模塊的所述第一預定時間還剩余多少時間才完結，從而在接通所述電子電路作重新運作時，所述微控制器能夠恢復在關斷前正在使用的電容器模塊的工作并完成上述剰余時間。
13.根據權利要求11所述的電容器控制電路結構，其特征在于:設置與所述微控制器耦合的外部存儲器，以儲存與所述電容器模塊的工作記錄和更新相關的數據，以便在關斷所述電子電路之前識別出正在使用中的電容器模塊并確定所述電容器模塊的所述第一預定時間還剩余多少時間才完結，從而在接通所述電子電路作重新運作時，所述微控制器能夠恢復在關斷前正在使用的電容器模塊的工作并完成上述剰余時間。
14.根據權利要求9所述的電容器控制電路結構，其特征在于:所述電容器模塊控制器做成程序計數器或微控制器(MCU)，在毎次接通所述電子電路時總是啟動所述兩個或多個電容器模塊中的第一電容器模塊工作所述第一預定時間的一半時間；在所述第ー預定時間的一半時間之后，由所述兩個或多個電容器模塊中的第二電容器模塊開始，所述計數器或MCU交替地控制交替地控制每ー個電容器模塊在所述電子電路工作所述第一預定時間。
15.根據權利要求9至14的任ー項所述的電容器控制電路結構，其特征在于:所述電容器模塊控制器配置成使所述相應ー個電容器模塊和準備工作的ー個電容器模塊在所述相應ー個電容器模塊停止工作之前，在所述電子電路同時地工作第二預定時間。
16.根據權利要求9至14的任ー項所述的電容器控制電路結構，其特征在于:所述開關裝置配置成晶體管，用于所述相應ー個電容器模塊，以致每ー個電容器模塊都有各自的與所述電容器模塊控制器作工作連接的開關器，所述電容器模塊控制器能夠控制所述晶體管的連接，使所述相應ー個電容器模塊能夠工作。
17.根據權利要求9至14的任ー項所述的電容器控制電路結構，其特征在于:所述電容器模塊為電解電容器模塊。
18.根據權利要求 9至17的任一項所述的電容器控制電路結構在用于LED燈的驅動電路中的應用。
【文檔編號】H05B37/02GK103428955SQ201210308103
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年8月27日 優先權日:2012年5月17日
【發明者】劉炳祥 申請人:劉炳祥