用于功率管理的設備的制作方法

本說明書涉及用于功率管理的系統、方法、設備、裝置、制品和指令。

背景技術：

現有技術中，功率管理存在很多缺陷。

技術實現要素：

根據示例實施例，一種用于功率管理的設備包括：功率輸入節點，該功率輸入節點被配置成以第一功率水平接收來自主電源的電荷；功率轉換器，該功率轉換器具有啟用狀態和禁用狀態，并且經耦合以接收來自功率輸入節點的電荷；能量緩沖器，該能量緩沖器經耦合以接收并存儲來自功率轉換器的電荷，并且被配置成以第二功率水平釋放電荷；功率輸出節點，該功率輸出節點經耦合以接收來自能量緩沖器的電荷，并且被配置成以第二功率水平將電荷供應到負載；第二功率水平大于第一功率水平；并且功率轉換器基于電荷是否被供應到負載而在啟用狀態和禁用狀態之間切換。

在另一示例實施例中，當電荷被供應到負載時，功率轉換器處于禁用狀態。

在另一示例實施例中，功率轉換器被配置成響應于信號而在啟用狀態和禁用狀態之間切換，其中信號來自以下各項中的至少一者：負載、能量緩沖器、功率控制器或功率轉換器自身。

在另一示例實施例中，功率轉換器包括傳感器，該傳感器耦合到功率輸出節點并且被配置成確定負載是否在汲取電流；并且功率轉換器被配置成響應于來自傳感器的負載在汲取電流的信號而進入禁用狀態。

在另一示例實施例中，功率轉換器被配置成產生噪聲信號，當功率轉換器處于啟用狀態時，該噪聲信號對負載具有破壞性。

在另一示例實施例中，功率轉換器被配置成輸出功率轉換器狀態信號，該功率轉換器狀態信號指示功率轉換器是在啟用狀態還是在禁用狀態；功率轉換器被配置成輸入功率轉換器控制信號，該功率轉換器控制信號被配置成命令功率轉換器進入啟用狀態或禁用狀態中的任一狀態；另外包括功率控制器，該功率控制器被配置成接收功率轉換器狀態信號并且產生功率轉換器控制信號；功率控制器被配置成接收指示負載是處于啟用狀態還是處于禁用狀態的負載狀態信號；并且功率控制器被配置成產生負載控制信號，該負載控制信號被配置成命令負載進入啟用狀態或禁用狀態中的任一狀態。

在另一示例實施例中，功率控制器被配置成在負載狀態信號指示負載處于啟用狀態的情況下設置功率轉換器控制信號以置功率轉換器于禁用狀態。

在另一示例實施例中，功率控制器被配置成在功率轉換器狀態信號指示功率轉換器處于啟用狀態的情況下設置負載控制信號以置負載于禁用狀態。

在另一示例實施例中，主電源為以下各項中的至少一者：電池、環境能量捕獲裝置、太陽能電池、電力網供電的超低功率供應器，或可從大型能量供應器遞送有限的輸出功率的任何來源。

在另一示例實施例中，能量緩沖器為以下各項中的至少一者：能量存儲元件或超級電容器。

在另一示例實施例中，功率轉換器和能量緩沖器二者直接連接到功率輸出節點。

在另一示例實施例中，功率轉換器為dc到dc功率轉換器。

在另一示例實施例中，功率輸入節點被配置成接收來自主電源的最大電流；能量緩沖器被配置成具有最大輸出電流；并且能量緩沖器的最大輸出電流大于主電源的最大電流。

在另一示例實施例中，功率輸出節點被配置成將操作電流供應到負載；功率轉換器被配置成供應最大輸出電流；并且到負載的操作電流大于功率轉換器的最大輸出電流。

在另一示例實施例中，能量緩沖器被配置成供應最大輸出電流；并且到負載的操作電流小于能量緩沖器的最大輸出電流。

根據另一示例實施例，一種制品包括至少一個包含用于功率管理的可執行機器指令的非暫時性有形機器可讀存儲媒體，該制品包括：功率輸入節點，該功率輸入節點被配置成以第一功率水平接收來自主電源的電荷；功率轉換器，該功率轉換器具有啟用狀態和禁用狀態，并且經耦合以接收來自功率輸入節點的電荷；能量緩沖器，該能量緩沖器經耦合以接收并存儲來自功率轉換器的電荷，并且配置成以第二功率水平釋放電荷；功率輸出節點，該功率輸出節點經耦合以接收來自能量緩沖器的電荷，并且被配置成以第二功率水平將電荷供應到負載；第二功率水平大于第一功率水平；并且指令包括：基于電荷是否被供應到負載而在啟用狀態和禁用狀態之間切換。

在另一示例實施例中，另外包括用于以下操作的指令：如果接收到指示負載處于啟用狀態的負載狀態信號，那么置功率轉換器于禁用狀態。

在另一示例實施例中，另外包括用于以下操作的指令：如果功率轉換器處于啟用狀態，那么產生禁用負載信號。

本說明書并不意圖表示當前或將來權利要求集的范圍內的每一示例實施例或每一實施方案。以下附圖和具體實施方式還舉例說明了各種示例實施例。

結合附圖考慮以下具體實施方式，可以更加完全地理解各種示例實施例，在附圖中：

附圖說明

圖1a為功率管理設備的第一例子。

圖1b為用于第一例子設備的輸出電流的例子組。

圖2a和圖2b為根據本發明的功率管理設備的第二例子和第三例子。

圖3a為根據本發明的功率管理設備的第四例子。

圖3b為用于第四例子設備的輸出電流的例子組。

圖4為用于啟用根據本發明的功率管理設備的指令的例子組。

圖5為用于托管啟用根據本發明的功率管理設備的指令的例子系統。

盡管本公開經受各種修改和可替換形式影響，但其細節已在附圖在舉例示出并將被詳述。然而，應理解，超出所描述的特定實施例的其它實施例也是可能的。也涵蓋落在所附權利要求書的精神和范圍內的所有修改、等效物和可替換實施例。

具體實施方式

從功率管理的視角來看，用于小型便攜式系統的小電池(可充電和不可充電的)呈現兩個重要缺點：有限的儲能容量和有限的輸出電流能力，這一般轉換為隨電流增加的大的非線性輸出阻抗。這對于甚至具有低于0.1充電率的最大放電電流的小型不可充電電池尤其正確，其中1充電率為使電池在一小時內放電的電流。對于由于高度循環工作操作而需要高電流峰值的應用，通過許多電池顯示的輸出電流的局限性可能變成嚴重的問題。充電率中的c是指“容量”。應注意，一些電池數據書籍是指僅1c容量，而非1充電率。

圖1a為功率管理設備100的第一例子。圖1b為用于第一例子設備的輸出電流118的例子組。第一例子設備100包括：主電源102、功率轉換器104、能量緩沖器106、開關108、在操作期間汲取第一負載電流112(例如10ma)的第一負載110(例如低頻(lf)芯片)，以及在操作期間汲取第二負載電流116的第二負載114(例如超寬頻段(uwb)芯片)(例如在一個示例實施例中，在負載114接通的時間期間的接收(rx)時隙期間，負載114可具有高達145ma的電流峰值，即使在該16ms期間的平均負載114電流可以僅為68ma，從而產生1090uc的總電荷)。

能量緩沖器106(例如大型去耦電容器、超級電容器等)幫助電池102將高電流峰值供應到負載110、114。例如在圖1a中，允許第一設備100運行所期望的總運行時間所需的能量存儲在電池102中，而對于短時間的所需功率(例如小塊能量)存儲在能量緩沖器106中，這為任何所需峰值電流提供低得多的阻抗路徑。

能量緩沖器106借助受控開關108充電到主電源102(例如電池)的電壓。主電源102可以例如為不可充電的鋰單元電池，在此情況下電池電壓將低于3.2v(標稱電壓3v)。在一個例子中，開關108基于電池102與電容器106之間的所測量電壓差而啟動，從而在電容器106的電壓變得過低時觸發電容器106再充電。

如果第二負載114需要與電池102不同的電壓，那么功率轉換器104(例如取決于所需的負載114電壓的dc-dc功率轉換器、降壓/升壓轉換器等)將電壓供應到第二負載114。lf芯片110經由低電壓差調整器(ldo)111被從電池102供電，從而產生低于電池102電壓的lf芯片110供應電壓。uwb芯片114經由dc-dc降壓升壓功率轉換器104(當其起作用時)被供電，參見圖1b。因此功率轉換器104的電壓輸出的大部分將需要高于通過電池102提供的電壓。

如圖1b所示，uwb芯片114與lf芯片110相比在短得多的時間內消耗多得多的電流。例如，在uwb芯片114的16ms接通期間，145ma的短rx脈沖串被汲取，在此情況下在16ms期間產生68ma的總平均電流。由于此高電流無法直接從不可再充電電池102遞送(例如常用的cr2032單元的典型容量為200-250mah，具有約15ma的最大放電電流)，因而需要能量緩沖器106(例如超級電容器)遞送uwb芯片114的峰值功率。

經由開關從主電源102再充填電容器106會導致50％的能量損失。因此，由于dc-dc功率轉換器104在較高電流的主電源102到負載114的路徑中，因而從電池102到負載的供應鏈的能量效率為電容器106的再充電過程的效率與dc-dc功率轉換器104的功率效率的乘積。

在開關dc-dc功率轉換器104的情況下，由于dc-dc功率轉換器104和任何對噪聲敏感的負載110、114的同步操作，對噪聲敏感的系統(例如rf收發器)中的關注點是電磁兼容性(emc)和電磁干擾(emi)。在特定開關頻率下操作時，電壓脈動在dc-dc功率轉換器104的輸出處存在，由此導致基本開關頻率分量(即，開關頻率)及其諧波的噪聲頻譜。盡管可例如通過選擇具有非常低的等效串聯電阻和電感的非常大的輸出電容器來降低該噪聲，但此脈動通常仍然存在。

在一些情況下開關頻率可以被選擇成使得其倍數超出rf收發器(例如uwb芯片114)起作用的頻段的范圍，但這并不是始終可能的并且限制在dc-dc功率轉換器104中應用的控制方法，這繼而阻止dc-dc功率轉換器104的最優操作。如果在dc-dc功率轉換器104的輸出處使用ldo來濾除噪聲，那么其帶寬將需要包括開關頻率及其主要倍數，這在許多情況下也是不切實際的。

關于圖1a中所示的功率管理架構的另一關注點是，當負載114起作用(即在峰值負載114功率處)時，dc-dc升壓功率轉換器104需要設定尺寸以將功率提供到負載114(uwb芯片)。在許多電池操作的應用中，盡管施加繁重的循環工作以減小平均功耗，但峰值電流(當系統起作用時)會保持非常高。這提高功耗的峰均比并且需要來自dc-dc功率轉換器104的高輸出功率能力。

圖2a和圖2b為根據本發明的功率管理設備的第二例子200和第三例子201。在圖2a中，第二例子設備200包括：主電源202、功率輸入節點204、功率轉換器206、能量緩沖器208、功率輸出節點210、負載212、功率控制器214以及信號和控制線216。

功率輸入節點204被配置成以第一功率水平接收來自主電源202的電荷。在各種示例實施例中，主電源202為以下各項中的至少一者：電池、環境能量捕獲裝置、太陽能電池或可以從大型(或環狀的，例如倘若低功率源連接到電力網)能量供應器遞送有限的輸出功率的任何來源。

功率轉換器206具有啟用狀態和禁用狀態，并且經耦合以接收來自功率輸入節點204的電荷。在一個示例實施例中，功率轉換器206為dc到dc功率轉換器。在一些示例實施例中，功率轉換器206可以產生噪聲信號(例如emi)，當功率轉換器206處于啟用狀態時，該噪聲信號對負載212具有破壞性。如下文將另外論述的，此類干擾可以通過置功率轉換器206于禁用狀態基本上消除。

能量緩沖器208經耦合以接收并存儲來自功率轉換器206的電荷，并且被配置成以第二功率水平釋放電荷。在各種示例實施例中，能量緩沖器208為以下各項中的至少一者：能量存儲元件、超級電容器、二次電池等。

在一個示例實施例中，功率轉換器206和能量緩沖器208二者直接連接到功率輸出節點210。

功率輸出節點210經耦合以接收來自能量緩沖器208的電荷，并且被配置成以第二功率水平將電荷供應到負載212。在一個示例實施例中，第二功率水平大于從主電源202輸出的第一功率水平。

功率轉換器206基于電荷是否被供應到負載212而在啟用狀態和禁用狀態之間切換。在各種示例實施例中，功率轉換器206被配置成響應于信號而在啟用狀態和禁用狀態之間切換，該信號來自以下各項中的至少一者：負載212、能量緩沖器208、功率控制器214或功率轉換器206自身。例如，當電荷被供應到負載212時，功率轉換器206可以被設置為禁用狀態。

在一個示例實施例中，功率轉換器206包括傳感器(未示出)，該傳感器耦合到功率輸出節點210并且被配置成確定負載212是否在汲取電流，并且如果是的話，那么功率轉換器206被配置成響應于來自傳感器的負載212在汲取電流的信號而進入禁用狀態。

雖然功率輸出節點210被配置成將操作電流供應到負載212，但是主電源202和功率轉換器206可以僅被配置成供應比負載210的操作電流更小的最大輸出電流。為解決這一不足，能量緩沖器208被配置成供應比到負載212的操作電流更大的最大輸出電流。

在另一個實施例中，當能量緩沖器208的電壓降到低于基于負載212的功率需求的閾值時，功率控制器214暫停負載212的操作并且啟用功率轉換器206(例如dc/dc)以對能量緩沖器208再充電。在一個例子中，功率控制器214基于允許負載212的突發操作所需的能量來設置閾值。

在圖2a中，去往和來自各種裝置202、206、208和212的例子電流被示出為以下：主電源電流218、負載突發電流220、功率轉換器電流222和能量存儲元件突發電流224。應注意在這些例子電流中，功率轉換器206未被連續地啟用。在一個示例實施例中，當能量緩沖器208將突發電流遞送到負載212時，功率轉換器206被禁用，這導致不連續的功率轉換器電流222和主電源電流218，如圖2a中所示。隨后在圖3b中，輸出電流的類似例子組被更詳細地示出，其中功率轉換器206還被交替地啟用和禁用。

功率控制器214被配置成使用信號和控制線216與主電源202、功率輸入節點204、功率轉換器206、能量緩沖器208、功率輸出節點210和負載212接合。

在各種示例實施例中，信號和控制線216啟用功率控制器214以監控電壓、電流、能量緩沖器208的電荷水平以及狀態信號(例如啟用、禁用、起作用、備用等)和/或將控制信號(例如啟用、禁用、設置裝置模式、中斷裝置操作等)傳輸到主電源202、功率轉換器206、能量緩沖器208和負載212。應注意，信號線216監控主電源202(例如當電池達到其完全耗竭狀態時，緩慢地關閉系統)和功率輸入節點204(例如將電流汲取限制到主電源可供應的最大值)二者。

例如，功率轉換器206可以被配置成將指示功率轉換器206是處于啟用狀態還是處于禁用狀態的功率轉換器狀態信號輸出到功率控制器214。功率轉換器206還可以被配置成從功率控制器214輸入功率轉換器控制信號，該功率轉換器控制信號命令功率轉換器206進入啟用狀態或禁用狀態中的任一狀態。

功率控制器214還可以被配置成接收指示負載212是處于啟用狀態還是處于禁用狀態的負載狀態信號，并且生成負載控制信號，該負載控制信號被配置成命令負載212進入啟用狀態或禁用狀態中的任一狀態。

通過此類監控和控制，如果負載狀態信號指示負載212處于啟用狀態，那么功率控制器214然后可以置功率轉換器206于禁用狀態。可替換的是，如果功率轉換器206狀態信號指示功率轉換器206處于啟用狀態，那么功率控制器214可以置負載212于禁用狀態。使用此類不連續操作，主電源202和功率轉換器206二者可以針對平均功耗而不是峰值功率消耗被設計并設定大小。

圖2b為根據本發明的功率管理設備的第三例子201。在圖2b中，功率控制器214被反相器226替換。在此示例實施例中，功率轉換器206通過來自負載212的信號被直接啟用和禁用。

第二例子設備200和第三例子設備201以至少四種方式優于第一例子設備100。

第一，在主電源202和負載212之間的電力路徑中的能量損失減小。這允許對于應用的相同操作設定檔使用具有較低能量存儲的電池。由于能量緩沖器208(例如超級電容器)借助比第一例子設備100的設計(其包括開關108)所準許的更高效的功率轉換器206充電，功率損耗被另外減小。此外，能量緩沖器208充電到與負載212的供電電壓相匹配的電壓，這對圖1中超級電容器充電到主電源202電壓的情況并非如此。因此，電壓轉換步驟被保存，進而另外減小能量的損失。

第二，功率轉換器206與其潛在對噪聲敏感的負載212之間的電磁兼容性(emc)由于功率轉換器206的啟用/禁用特征而被改進。第二例子設備200示出一種架構，在這種架構中，功率轉換器206用于以負載212在系統的備用周期期間所需的電壓電平對能量緩沖器208(例如超級電容器)充電，該備用周期比許多高度循環工作應用中的活動周期大得多。

因此在一個例子中，為避免開關功率轉換器206與對噪聲敏感的負載212之間的電磁干擾，功率轉換器206僅在來自負載212的無效周期期間操作。當負載212活動時，功率轉換器206保持無效使得其不產生任何干擾。這使得用于控制功率轉換器206的操作的控制方法的需求放松(例如用于保持基頻及其諧波在收發器的感興趣頻段之外的某一開關頻率的任何需求)，這允許使用更高效節能的方法(例如脈沖調頻，其中開關頻率在相對大的頻段上變化，引起在低輸出功率下的高得多的效率)，并且甚至具有較低的待用功率。

第三，通過主電源202供應的功率減小，進而允許主電源202具有較高的輸出阻抗，并且因此物理上也較小。這種減小可能部分是由于負載212的備用周期在一些示例實施例中比該負載212的活動周期(即繁重的循環工作操作)長得多，因此通過功率轉換器206供應的功率與負載212所需的功率的比率減小到d/(1-d)分之一，其中d指示系統的活動的工作循環。由于通過主電源202供應的功率與通過功率轉換器206供應的功率成比例，因此相比于圖1a中的第一例子設備100，需要通過主電源202供應的電流也減小到d/(1-d)分之一。

第四，功率轉換器206的物理尺寸可由于其輸出功率需求減小而減小。在一個例子中，其中負載212在有限的時間內汲取相對高的功率，通過將用于峰值功率(例如短功率突發)的負載212的需求與用于平均功率(例如從主電源202到能量緩沖器208的相對緩慢的電荷轉移)的負載212的需求分開，提高第二例子設備200的系統效率。

因此通過將功率轉換器206移動到平均功率路徑(即其中能量緩沖器208可將功率直接供應到負載212，如圖2所示)，而不是以峰值功率路徑的方式(即其中功率轉換器206在能量緩沖器208和負載212之間，如圖1a所示)，功率轉換器206可以被設計用于較低平均負載212功率。降低功率轉換器206的額定功率的額外優點是，其實施方案需要較小和較便宜的部件，這減小功率轉換器206的成本和物理體積二者。

第二例子設備200的變型可應用于其中無法通過主電源(例如電池)直接供應來自負載的電流的瞬時需求的任何系統。使用第二例子設備200，雖然裝置可以配備有相同使用壽命的較小主電源，但是可以以較便宜的方式實現(例如設定尺寸用于較低功率)任何必要的功率轉換器，并且其emc問題也有所緩解。

通過在電池操作的系統中的這種功率管理架構：電磁干擾(emi)減小，電磁兼容性(emc)提高，能量效率提高，最大主電源輸入電流減小；以及功率轉換器206的規格可以放松。

圖3a為功率管理設備300的第四例子。第四例子設備300包括：主電源302、功率輸入節點304、功率轉換器306、能量緩沖器308、功率輸出節點310、第一負載312、第二負載316、功率控制器320以及一組信號和控制線322。

第一負載312通過低電壓差的調整器(ldo)313供電，并且吸取第一負載電流314。第二負載316吸取第二負載電流318。

雖然第四例子設備300以與第二例子設備200的方式類似的方式操作，但是圖3b呈現在操作情況的一個例子組期間的用于第四例子設備300的輸出電流324的例子組。

圖3b中的輸出電流324的例子組被分割成一組時段326、334、338、342和346。

在第一時間段326中，負載312、316通過功率控制器320啟用，并且功率轉換器306通過功率控制器320禁用。第一負載312在50ms內吸取第一負載電流328，并且第二負載316在16ms內吸取第二負載電流。在該第一時間段326期間，能量緩沖器308供應電流328、330二者，并且因此經歷能量緩沖器電流放電332。

在第二時間段334中，負載312、316通過功率控制器320禁用，并且功率轉換器306通過功率控制器320啟用(例如標記為“降壓/升壓”)。這準許能量緩沖器308經歷能量緩沖器電流再充電336。

這種操作過程如第三時段338、第四時段342和第五時段346所示重復。在這種順序中，能量緩沖器308經歷能量緩沖器電流放電340、能量緩沖器電流再充電344以及然后能量緩沖器電流放電348。如圖3b中所示，負載312、316和功率轉換器306并不同時操作(或具有最小重疊)以便最大化電磁兼容性并且減小電磁干擾。

圖4為用于啟用功率管理設備的指令的例子組400。論述指令的次序并不限制其它示例實施例實施該指令的次序，除非以另外的方式專門陳述。另外，在一些實施例中，并行實現該指令。

第一例子指令組通過以第一功率水平和第一電壓接收來自主電源的電荷在402中開始。然后在404中，使用具有啟用狀態和禁用狀態的功率轉換器將在第一電壓處的電荷轉換到第二電壓。在406中，將來自功率轉換器的電荷存儲在能量緩沖器中，該能量緩沖器被配置成以第二功率水平釋放電荷到負載。然后在408中，基于電荷是否被供應到負載而在啟用狀態和禁用狀態之間切換功率轉換器。

指令可以擴充或被以無特定順序呈現的以下附加指令中的一個或多個替換：410-當電荷被供應到負載時置功率轉換器于禁用狀態；以及412-如果功率轉換器在接收來自主電源的電荷，那么置負載于禁用狀態。

圖5為用于托管啟用功率管理設備的指令的例子系統500。系統500示出與電子設備504接合的輸入/輸出數據502。電子設備504包括處理器506、存儲裝置508和非暫時性機器可讀存儲媒體510。機器可讀存儲媒體510包括指令512，該指令512使用在存儲裝置508內的數據來控制處理器506如何接收輸入數據502并且將該輸入數據轉換成輸出數據502。存儲在機器可讀存儲媒體510中的例子指令512在本說明書中的其它地方論述。在可替換的示例實施例中，機器可讀儲存媒體為非暫時性計算機可讀存儲媒體。在可替換實施例中，功率控制器可以實施于專用硬件設計(例如帶有存儲器的asic)中。

處理器(例如中央處理單元、cpu、微處理器、專用集成電路(asic)等)控制存儲裝置(例如用于臨時數據存儲的隨機存取存儲器(ram)、用于永久性數據存儲的只讀存儲器(rom)、固件、閃存、外部和內部的硬盤驅動器等等)的整個操作。處理器裝置使用總線與存儲裝置和非暫時性機器可讀存儲媒體通信，并執行實現存儲在機器可讀存儲媒體中的一個或多個指令的操作和任務。在可替換的示例實施例中，機器可讀儲存媒體為計算機可讀存儲媒體。

在本說明書中，(已經依據選定細節集合呈現示例實施例。然而，本領域的普通技術人員將理解，可以實踐包括這些細節的不同選定集合的許多其它示例實施例。預期所附權利要求書涵蓋所有可能的示例實施例。