CN101682199A - 用于在便携电信设备中使用的配电电路 - Google Patents

用于在便携电信设备中使用的配电电路 Download PDF

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Abstract

一种用于在个人电信设备中使用的配电电路包括：开关模式的电源(1)，配置成将来自能量源的输入电压和电流转换成输出电压(vout)和电流；多个串联连接的电荷存储部件(3a，3b)，布置成由输出电压充电；以及电荷平衡电路(4)，配置成使跨接各电荷存储部件的电压基本上相等，其中电荷平衡电路包括电荷泵。

Description

用于在便携电信设备中使用的配电电路
技术领域
本发明一般地涉及一种用于从便携电信设备中的电源配电的配电***。
背景技术
便携电信设备如移动电话正在集成越来越多的诸如MP3播放器、WCDMA视频呼叫等功能和应用，这些功能和应用造成增加了对电池提供的功率资源的竞用。众多负载在短时间内需要大电流，同时需要低压降。
便携设备中的能量管理通常需要使用各种形式的电压和电流控制器以稳定、减少或者增加从电池或者其它能量源提供的电压或者控制向特定负载递送的电流。电压和电流调节器可以是包括线性旁路调节器、电感升压、降压或者降压/升压转换器或者电容升压、降压或者降压/升压转换器在内的若干类型中的任一类型或者其混合。这些控制元件具有必须与对效率、功率输送、能力和热考虑以及尺寸和成本的需要平衡的各种操作特性。
然而，电池本身、其保护电路、电池环境和配电电路都给电流路径增添电阻，从而在典型的小型便携设备中的安全考虑使可以从电池汲取的电流量限于约两至三安培的最大值。因此，可能变得难以或者不可能在尺寸、重量和成本方面对电池施加的约束内管理需要较高峰值功率的负载的同时操作。
常称为“超级电容器”的电化学电容器提供能量密度在电池与电容器的能量密度之间的电能存储元件并且能够输送具有低等效串联电阻(ESR)的大电流。这些超级电容器可以提供电压减少比典型锂离子辅助蓄电池单元较低的较大峰值电流。超级电容器可以具有比***中希望的输出电压较低的电压额定值并且可以置于串联配置中以提供数倍于独立超级电容器电压额定值的电压。因此，超级电容器可以在相对短的时段提供所需峰值电流并且可以按照连接到超级电容器的负载所需平均电流从能量源来充电。
使用超级电容器的配置使用电压升压电路元件以向超级电容器提供电压增加，并且单独充电平衡电路保证跨接电容器的电压随时间的恰当分配。图1示出了这样的配置的示例。升压转换器1升压来自电池2的电压。两个串联连接的超级电容器3a、3b由增加的电压充电，并且可以从任一超级电容器3a、3b汲取功率以向负载提供持续短时段的高电流。在这一情况下包括分压器和运算放大器驱动器的充电平衡电路4平衡两个超级电容器3a、3b之间的电荷。
发明内容
本发明提供一种用于在便携电信设备中使用的配电电路，包括：
开关模式的电源，配置成将来自能量源的输入电压和电流转换成输出电压和电流；
多个串联连接的电荷存储部件，布置成由输出电压充电；以及
电荷平衡电路，包括配置成使跨接各电荷存储部件的电压基本上相等的电荷泵。
本发明也提供一种在便携电信设备中配电的方法，包括：
使用开关模式的电源将来自能量源的输入电压和电流转换成输出电压和电流；
通过输出电压对多个串联连接的电荷存储部件充电；
使用电荷泵使跨接各电荷存储部件的电压基本上相等以在电荷存储部件之间重新分配电荷。
电荷泵是如下电子电路，该电子电路使用电容器和开关的组合以通过在各种串联和并联配置中连接电容器在电容器之中移动电荷以增加或者减少输入电压从而实现所需结果。电荷泵电路能够有高效率，有时高达90-95％，而它们是相对简单的电路。最简单的电荷泵使用一个电荷传送电容器(称为“飞跨电容器”)和一个输出电容器以将输入电压加倍或者减半。例如，为了将电压加倍，飞跨电容器先跨接输入或者充电电压来连接并且被充电。然后，电容器从充电电压断开并且与连接到原有正充电电压的它的负端子重新连接。由于飞跨电容器保持跨接它的电压(除了小的泄漏损耗之外)，所以向原有电压增添正端子电压从而将电压加倍。输出电压为脉冲并且通常由输出电容器进行平滑。
优选地，电荷存储部件是电化学电容器。
优选地，开关模式的电源是减压转换器或者减压/升压转换器，其中输出电压低于输入电压，而输出电流高于输入电流。
优选地，输出电压对电化学电容器中的第一个电化学电容器充电，而电荷泵被布置成将电荷传送到至少一个其余电化学电容器。因此，电荷泵从最低电压的电容器取得电荷并且将电荷转移到较高电压的电容器而且保证跨接各电容器的电压很接近于相同并且因此提供跨接第一电容器的电压的整数倍，该整数是串联连接的电容器的数目。可以从任何一个电容器或者从多个电容器汲取用于***中的各种负载的功率，其中电容器电荷泵提供电荷传送从而维持跨接各电容器的电压基本上相同。如果跨接任一电容器的电压高于第一电容器的电压，例如如果已经为负载从第一电容器汲取电流，则电荷泵还在相反方向上将电荷传送到第一电容器上。另外，如果能量源是可再充电电池，则可以经由充当分压器的电荷泵输入电压以通过电流和电压转换电路如开关模式的电感降压、升压或者降压-升压转换器对电池充电。
本发明也提供一种包括作为能量源的电池和如上文公开的配电电路的便携电信设备。优选地，电池是可再充电锂离子电池。
附图说明
现在将参照以下附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了现有技术的配电电路；
图2A和图2B图示了根据本发明第一实施例的配电电路；并且
图3图示了根据本发明第二实施例的配电电路。
具体实施方式
图2A和图2B图示了使用两个电荷存储部件的本发明的实施例，这些电荷存储部件是串联连接的也称为“超级电容器”的电化学电容器3a、3b。开关模式的电源(在这一情况下为连接到电池2的降压或者降压/升压转换器1)操作用以逐步降低电压并且提供2.5伏特的输出电压Vout。典型电池电压可以是用于硅阳极Li电池的2.1+4.8V或者用于当前锂离子电池单元的2.7+4.2V。降压转换器1被布置成提供输出电压Vout，该输出电压是来自超级电容器对的在这一情况下为5伏特的最大希望输出Vmax的约一半。
降压转换器1的输出电压Vout跨接超级电容器对的第一超级电容器3a。
电荷泵电压加倍器4跨接第二超级电容器3b得以连接并且通过以下操作对跨接超级电容器3a、3b的电压进行平衡：在负载从***汲取电流时从最低电压的超级电容器取得电荷而且将电荷转变到较高电压的电容器。如果第一电容器3a具有跨接它的比第二电容器3b上较低的电压，则电荷泵4也可以将电荷从第二电容器3b传送到第一电容器3a。
图2B更具体地图示了如何切换电荷泵4的飞跨电容器4a以便在第一与第二电容器3a、3b之间传送电荷。在图2B中，省略电池2和降压转换器1，从而Vin是图2A的降压转换器1的输出电压。
起初，飞跨电容器4a的端子C1和C2跨接第一电容器3a分别连接到接地端子S1和中点端子S2。这样将飞跨电容器4a充电至Vin。然后切换端子C1和C2以分别连接到端子S2和S3，从而将飞跨电容器4a上的电荷传送到第二电容器3b并且用来对第二电容器3b充电，从而跨接第二电容器的电压也是Vin，从而使跨接两个电容器3a、3b的总电压、即在端子S3的电压等于2Vin。
电荷泵4可以包含控制电路以允许它根据负载和电压在不同频率操作，以在低负载操作期间减少功率消耗。另外，控制电路可以提供可以在制造期间或者通过在应用中用硬件或者软件方法编程来选择操作频率，从而它们根据应用环境减少在具体频率的干扰影响。
降压转换器1可以具有以下功能，允许控制向转换器1的最大电流输入或者最大输出电流并且可以具有带电流限制的旁路模式，该旁路模式在输入电压降至降压转换器1不再能够提供所选调节输出电压的点时允许操作。
也有可能使用多于两个串联连接的超级电容器。例如，利用三个串联连接的电容器，电荷泵4可以包括进一步切换以在三个串联电容器之中移动一个飞跨电容器上的电荷，或者可以包括最终连接到输入电容器和第三串联电容器的另一飞跨电容器。
图3图示了本发明的第二实施例，其中飞跨电容器4a操作用以在三个串联连接的电化学电容器3a、3b、3c之间移动电荷。
起初，飞跨电容器4a的端子C1和C2跨接第一电容器3a分别连接到接地端子S1和端子S2。这样将飞跨电容器4a充电至Vin。然后切换端子C1和C2以分别连接到端子S2和S3，从而将飞跨电容器4a上的电荷传送到第二电容器3b并且用来对第二电容器3b充电，从而跨接第二电容器的电压也是Vin，其使跨接两个电容器3a、3b的总电压、即在端子S3的电压等于2Vin。然后往回切换飞跨电容器端子C1、C2以分别跨接第一电容器端子S1、S2以从输入电压Vin对飞跨电容器4a再充电。飞跨电容器4a的端子C1、C2然后分别连接到端子S3和S4以将电荷传送到第三电容器3c，因此造成跨接第三电容器3c为Vin的电压和在端子S4为3Vin的电压Vout。
取而代之，可以切换飞跨电容器4a以将电荷从第三电容器3c传送到第二和/或第一电容器3a、3b上。如果不对称地汲取电流，则可以包括附加切换阶段以保证三个电容器3a、3b、3c之间的电荷平衡。
比如图1中所示电路这样的使用超级电容器的现有技术电路已经使用升压转换器和某种有源或者无源电路以平衡电容器之间的电压。升压转换器通常效率低于降压转换器并且需要随着电池或者其它能量源具有较低电压而变得较大的较大部件。本发明的降压转换器和电容电荷泵在其中希望的输出电压与电荷泵配置所确定的比率相同的应用中用小型低成本部件来操作。
将降压转换器和电荷泵用来控制电流和电压获得一种表现高的总效率并且比其它拓扑使用较少部件的组合。电荷泵提供电容器“栈”的固有电压平衡。电荷泵在这一整数比率时有利于高效率(通常大于90％)操作。效率仅依赖于开关晶体管损耗和操作频率加上来自电容器有效串联电阻(ESR)的一些微小损耗。
如果需要，则电荷泵允许上电容器中存储的能量移动到下电容器。这允许从较高电压和较低电压不对称地汲取功率。由于电容器电荷泵可以在两方向之一上传送电荷，所以也有可能在较高电压向这一电路输入功率，并且在这样的操作中，电荷泵可以将所需功率传送到较低电压的电容器。另外，在这样的配置中，将功率从能量源供应到较低电压的电容器的转换器可以配置为允许经由充当分压器的电荷泵从较高电压输入对电池充电的降压/升压转换器。
上文参照图2A和图2B描述的电路提供可以向其它电压和电流控制元件供应的两个电压(2.5伏特和5伏特)从而允许对功率转换实施的进一步优化。图3的电路可以提供为输入电压Vin的整数倍的三个电压。
本发明提供一种能够向高峰值电流负载供电而对电池的影响最小并且向这些高功率负载提供高的总功率输送效率的电路和方法。例如，考虑在2A具有GSM脉冲负载的能量损耗这一情况：
典型便携设备电池和配电***表现约300mΩ的阻抗，该阻抗包括电池内部阻抗、接触、保护电路和PWB迹线阻抗(traceimpedance)。超级电容器通常具有约50mΩ的内部阻抗。
忽略用于RF PA的升压转换器中的或者在超级电容器***中的任何转换损耗，通过仅将电池电压和固定电流用于比较：
电池***
功率损耗＝I2R＝2*2*0.3＝1.2W
在占空比为1/8时(对于GSM呼叫为正常)：
功率损耗＝1.2/8＝0.15W
超级电容器***
将功率平均，因而I＝2A*1/8＝0.25A
R＝电池***阻抗+超级电容器阻抗＝0.3+0.05＝0.35Ω
功率损耗＝(0.25)2*0.35＝0.022W，在电池分配***中
超级电容器充电中的加性损耗＝(0.25)2*0.05＝0.20W@1/8占空比＝0.025W
总损耗＝0.047W
因此，超级电容器***中的损耗为基于电池的***中的损耗的约三分之一。
本发明的电路供应的高电压实现使用很高效的降压转换器向高电流负载供电从而获得较好的电池寿命和减少的热负载。提供的高电压可以用来以较高效或者低成本的方式向需要比电池供应的电压较高的电压的某些负载供电，例如可以通过简易寄存器和开关电路而不是更复杂的电流源向白色或者绿色LED供电。也可以从5伏特电源向RF功率放大器进行有效供电。也可以向外部功率要求如USB OTG(USB On The Go)有效地供电。
通常从小型锂电池单元向实时时钟(RTC)供电以在电话中更换电池之时将其操作持续短的时段。在约2.5伏特操作的超级电容器中间电压可以消除对小型锂电池单元的要求和相关联的安装考虑从而减少成本和体积。在无负载从较高电压汲取的情况下从中间电压点供电的负载由于电荷泵的平衡机制而具有两个可用串联连接存储元件的总并联容量。
应当认识到不应将前述示例理解为限制。本领域技术人员在阅读本申请时将清楚其它变化和修改。这样的变化和修改延及适合于取代这里所述特征的本领域中的已知特征及其所有功能上等效的特征。另外，应当理解本申请的公开内容包括这里明确或者隐含公开的任何新颖特征或者任何新颖特征组合或者其任何归纳，并且在实施本申请或者从其派生的任何申请期间可以阐明新权利要求书以覆盖任何这样的特征和/或这样的特征的组合。

Claims (16)

1.一种用于在便携电信设备中使用的配电电路，包括：
开关模式的电源，配置成将来自能量源的输入电压和电流转换成输出电压和电流；
多个串联连接的电荷存储部件，布置成由所述输出电压充电；
电荷平衡电路，包括配置成使跨接各所述电荷存储部件的电压基本上相等的电荷泵。
2.根据权利要求1所述的配电电路，其中所述电荷存储部件是电化学电容器。
3.根据权利要求2所述的配电电路，其中所述输出电压对所述电化学电容器中的第一个电化学电容器充电，而所述电荷泵被布置成将电荷传送到至少一个其余电化学电容器。
4.根据权利要求2所述的配电电路，其中所述输出电压低于所述输入电压，而所述输出电流高于所述输入电流。
5.根据权利要求3所述的配电电路，其中所述输出电压低于所述输入电压，而所述输出电流高于所述输入电流。
6.一种便携电信设备，包括电池和配电电路，所述配电电路包括：
开关模式的电源，配置成将来自所述电池的输入电压和电流转换成输出电压和电流；
多个串联连接的电荷存储部件，布置成由所述输出电压充电；
电荷平衡电路，包括配置成使跨接各所述电荷存储部件的电压基本上相等的电荷泵。
7.根据权利要求6所述的便携电信设备，其中所述电荷存储部件是电化学电容器。
8.根据权利要求7所述的便携电信设备，其中所述电池是可再充电锂离子电池。
9.根据权利要求8所述的便携电信设备，其中所述输出电压对所述电化学电容器中的第一个电化学电容器充电，而所述电荷泵被布置成将电荷传送到至少一个其余电化学电容器。
10.根据权利要求9所述的便携电信设备，其中所述输出电压低于所述输入电压，而所述输出电流高于所述输入电流。
11.一种在便携电信设备中配电的方法，包括：
使用开关模式的电源将来自能量源的输入电压和电流转换成输出电压和电流；
通过所述输出电压对多个串联连接的电荷存储器件充电；
使用电荷泵使跨接各所述电荷存储器件的电压基本上相等以在所述电荷存储器件之间重新分配电荷。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电荷存储器件是电化学电容器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述输出电压对所述电化学电容器中的第一个电化学电容器充电，而所述电荷泵被布置成将电荷传送到至少一个其余电化学电容器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述输出电压低于所述输入电压，而所述输出电流高于所述输入电流。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述能量源是电池。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述能量源是可再充电锂离子电池。
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