專利名稱：用于在便攜電信設(shè)備中使用的配電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 一般地涉及一 種用于從便攜電信設(shè)備中的電源配電的 配電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
便攜電信設(shè)備如移動(dòng)電話正在集成越來越多的諸如MP3播放 器、WCDMA視頻呼叫等功能和應(yīng)用，這些功能和應(yīng)用造成增加了 對(duì)電池提供的功率資源的竟用。眾多負(fù)載在短時(shí)間內(nèi)需要大電流， 同時(shí)需要低壓降。
便攜設(shè)備中的能量管理通常需要使用各種形式的電壓和電流 控制器以穩(wěn)定、減少或者增加從電池或者其它能量源提供的電壓或 者控制向特定負(fù)載遞送的電流。電壓和電流調(diào)節(jié)器可以是包括線'性 旁路調(diào)節(jié)器、電感升壓、降壓或者降壓/升壓轉(zhuǎn)換器或者電容升壓、 降壓或者降壓/升壓轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的若干類型中的任一類型或者其混 合。這些控制元件具有必須與對(duì)效率、功率輸送、能力和熱考慮以 及尺寸和成本的需要平衡的各種操作特性。
然而，電池本身、其保護(hù)電路、電池環(huán)境和配電電路都給電流 路徑增添電阻，從而在典型的小型便攜設(shè)備中的安全考慮使可以從 電池汲取的電流量限于約兩至三安培的最大值。因此，可能變得難 以或者不可能在尺寸、重量和成本方面對(duì)電池施加的約束內(nèi)管理需 要較高峰值功率的負(fù)載的同時(shí)操作。
常稱為"超級(jí)電容器，，的電化學(xué)電容器提供能量密度在電池與 電容器的能量密度之間的電能存儲(chǔ)元件并且能夠輸送具有低等效串 聯(lián)電阻(ESR)的大電流。這些超級(jí)電容器可以提供電壓減少比典型 鋰離子輔助蓄電池單元較低的較大峰值電流。超級(jí)電容器可以具有
4比系統(tǒng)中希望的輸出電壓較低的電壓額定值并且可以置于串聯(lián)配置中以提供數(shù)倍于獨(dú)立超級(jí)電容器電壓額定值的電壓。因此，超級(jí)電容器可以在相對(duì)短的時(shí)段提供所需峰值電流并且可以按照連接到超級(jí)電容器的負(fù)載所需平均電流從能量源來充電。
使用超級(jí)電容器的配置使用電壓升壓電路元件以向超級(jí)電容器提供電壓增加，并且單獨(dú)充電平衡電路保證跨接電容器的電壓隨時(shí)間的恰當(dāng)分配。圖1示出了這樣的配置的示例。升壓轉(zhuǎn)換器1升
壓來自電池2的電壓。兩個(gè)串聯(lián)連接的超級(jí)電容器3a、 3b由增加的電壓充電，并且可以從任一超級(jí)電容器3a、 3b汲取功率以向負(fù)載沖是供持續(xù)短時(shí)段的高電流。在這一情況下包括分壓器和運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)器的充電平衡電路4平衡兩個(gè)超級(jí)電容器3a、 3b之間的電荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于在便攜電信設(shè)備中使用的配電電路，包
括
開關(guān)模式的電源，配置成將來自能量源的輸入電壓和電流轉(zhuǎn)
換成輸出電壓和電 流;
多個(gè)串聯(lián)連接的電荷存儲(chǔ)部件，布置成由輸出電壓充電；以及電荷平衡電路，包括配置成使跨接各電荷存儲(chǔ)部件的電壓基本
上相等的電荷泵。
本發(fā)明也提供一種在便攜電信設(shè)備中配電的方法，包括使用開關(guān)模式的電源將來自能量源的輸入電壓和電流轉(zhuǎn)換成
豐#出電壓和電流；
通過輸出電壓對(duì)多個(gè)串聯(lián)連接的電荷存儲(chǔ)部件充電；
使用電荷泵使跨接各電荷存儲(chǔ)部件的電壓基本上相等以在電
荷存儲(chǔ)部件之間重新分配電荷。
電荷泵是如下電子電路，該電子電路使用電容器和開關(guān)的組合
以通過在各種串聯(lián)和并聯(lián)配置中連接電容器在電容器之中移動(dòng)電荷
以增加或者減少輸入電壓從而實(shí)現(xiàn)所需結(jié)果。電荷泵電路能夠有高
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效率，有時(shí)高達(dá)90-95%,而它們是相對(duì)簡單的電路。最簡單的電荷泵使用一個(gè)電荷傳送電容器(稱為"飛跨電容器")和一個(gè)輸出電容器以將輸入電壓加倍或者減半。例如，為了將電壓加倍，飛跨電容器先跨接輸入或者充電電壓來連接并且被充電。然后，電容器從充電電壓斷開并且與連接到原有正充電電壓的它的負(fù)端子重新連接。
由于飛跨電容器保持跨接它的電壓(除了小的泄漏損耗之外)，所以向原有電壓增添正端子電壓從而將電壓加倍。輸出電壓為脈沖并
且通常由輸出電容器進(jìn)行平滑。
優(yōu)選地，電荷存儲(chǔ)部件是電化學(xué)電容器。
優(yōu)選地，開關(guān)模式的電源是減壓轉(zhuǎn)換器或者減壓/升壓轉(zhuǎn)換器，其中輸出電壓低于輸入電壓，而輸出電流高于輸入電流。
優(yōu)選地，輸出電壓對(duì)電化學(xué)電容器中的第一個(gè)電化學(xué)電容器充電，而電荷泵被布置成將電荷傳送到至少一個(gè)其余電化學(xué)電容器。因此，電荷泵從最低電壓的電容器取得電荷并且將電荷轉(zhuǎn)移到較高電壓的電容器而且保證跨接各電容器的電壓很接近于相同并且因此提供跨接第 一 電容器的電壓的整數(shù)倍，該整數(shù)是串聯(lián)連接的電容器的凌史目?？梢詮娜魏我粋€(gè)電容器或者從多個(gè)電容器汲取用于系統(tǒng)中的各種負(fù)載的功率，其中電容器電荷泵提供電荷傳送從而維持跨接各電容器的電壓基本上相同。如果跨接任一電容器的電壓高于第一電容器的電壓，例如如果已經(jīng)為負(fù)載從第一電容器汲取電流，則電荷泵還在相反方向上將電荷傳送到第一電容器上。另外，如果能量源是可再充電電池，則可以經(jīng)由充當(dāng)分壓器的電荷泵輸入電壓以通過電流和電壓轉(zhuǎn)換電路如開關(guān)模式的電感降壓、升壓或者降壓-升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)電池充電。
本發(fā)明也提供一種包括作為能量源的電池和如上文公開的配電電路的便攜電信設(shè)備。優(yōu)選地，電池是可再充電鋰離子電池。


現(xiàn)在將參照以下附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的配電電路；
圖2A和圖2B圖示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的配電電路；并
且
圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的配電電路。
具體實(shí)施例方式
圖2A和圖2B圖示了使用兩個(gè)電荷存儲(chǔ)部件的本發(fā)明的實(shí)施例，這些電荷存儲(chǔ)部件是串聯(lián)連接的也稱為"超級(jí)電容器，，的電化學(xué)電容器3a、 3b。開關(guān)模式的電源(在這一情況下為連接到電池2的降壓或者降壓/升壓轉(zhuǎn)換器1)操作用以逐步降低電壓并且提供2.5伏特的輸出電壓V。ut。典型電池電壓可以是用于硅陽極Li電池的2.1+4.8V或者用于當(dāng)前鋰離子電池單元的2.7+4.2V。降壓轉(zhuǎn)換器1被布置成提供輸出電壓V。ut，該輸出電壓是來自超級(jí)電容器對(duì)的在這一情況下為5伏特的最大希望輸出V隱的約一半。
降壓轉(zhuǎn)換器1的輸出電壓V。ut跨接超級(jí)電容器對(duì)的第一超級(jí)電容器3a。
電荷泵電壓加倍器4跨接第二超級(jí)電容器3b得以連接并且通過以下操作對(duì)跨接超級(jí)電容器3a、 3b的電壓進(jìn)行平衡在負(fù)載從系統(tǒng)汲取電流時(shí)從最低電壓的超級(jí)電容器取得電荷而且將電荷轉(zhuǎn)變到較高電壓的電容器。如果第一電容器3a具有跨接它的比第二電容器3b上較低的電壓，則電荷泵4也可以將電荷從第二電容器3b傳送到第一電容器3a。
圖2B更具體地圖示了如何切換電荷泵4的飛跨電容器4a以便在第一與第二電容器3a、 3b之間傳送電荷。在圖2B中，省略電池2和降壓轉(zhuǎn)換器1,從而Vin是圖2A的降壓轉(zhuǎn)換器1的輸出電壓。
起初，飛跨電容器4a的端子Cl和C2跨接第一電容器3a分別連接到接地端子Sl和中點(diǎn)端子S2。這樣將飛跨電容器4a充電至Vin。然后切換端子Cl和C2以分別連接到端子S2和S3,從而將飛跨電容器4a上的電荷傳送到第二電容器3b并且用來對(duì)第二電容器3b充電，從而跨接第二電容器的電壓也是Vin,從而使跨接兩個(gè)電容 器3a、 3b的總電壓、即在端子S3的電壓等于2Vin。
電荷泵4可以包含控制電路以允許它根據(jù)負(fù)載和電壓在不同 頻率操作，以在低負(fù)載操作期間減少功率消耗。另外，控制電路可
以提供可以在制造期間或者通過在應(yīng)用中用硬件或者軟件方法編程 來選擇操作頻率，從而它們根據(jù)應(yīng)用環(huán)境減少在具體頻率的干擾影 響。
降壓轉(zhuǎn)換器1可以具有以下功能，允許控制向轉(zhuǎn)換器1的最大 電流輸入或者最大輸出電流并且可以具有帶電流限制的旁路模式， 該旁路模式在輸入電壓降至降壓轉(zhuǎn)換器i不再能夠提供所選調(diào)節(jié)輸
出電壓的點(diǎn)時(shí)允許操作。
也有可能使用多于兩個(gè)串聯(lián)連接的超級(jí)電容器。例如，利用三 個(gè)串聯(lián)連接的電容器，電荷泵4可以包括進(jìn)一步切換以在三個(gè)串聯(lián) 電容器之中移動(dòng)一個(gè)飛跨電容器上的電荷，或者可以包括最終連接 到輸入電容器和第三串聯(lián)電容器的另一飛跨電容器。
圖3圖示了本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中飛跨電容器4a操作用 以在三個(gè)串聯(lián)連接的電化學(xué)電容器3a、 3b、 3c之間移動(dòng)電荷。
起初，飛跨電容器4a的端子Cl和C2跨接第一電容器3a分 別連接到接地端子Sl和端子S2。這樣將飛跨電容器4a充電至Vin。 然后切換端子Cl和C2以分別連接到端子S2和S3，從而將飛跨電 容器4a上的電荷傳送到第二電容器3b并且用來對(duì)第二電容器3b充 電，從而跨接第二電容器的電壓也是Vin,其使跨接兩個(gè)電容器3a、 3b的總電壓、即在端子S3的電壓等于2Vin。然后往回切換飛跨電容 器端子Cl、 C2以分別跨接第一電容器端子Sl、 S2以從輸入電壓 Vin對(duì)飛跨電容器4a再充電。飛跨電容器4a的端子Cl、 C2然后分 別連接到端子S3和S4以將電荷傳送到第三電容器3c,因此造成跨 接第三電容器3c為Vin的電壓和在端子S4為3Vin的電壓V。ut。
取而代之，可以切換飛跨電容器4a以將電荷從第三電容器3c 傳送到第二和/或第一電容器3a、 3b上。如果不對(duì)稱地汲取電流，則可以包括附加切換階段以保證三個(gè)電容器3a、 3b、 3c之間的電荷平衡。
比如圖1中所示電路這樣的使用超級(jí)電容器的現(xiàn)有技術(shù)電路
電壓。升壓轉(zhuǎn)換器通常效率低于降壓轉(zhuǎn)換器并且需要隨著電池或者 其它能量源具有較低電壓而變得較大的較大部件。本發(fā)明的降壓轉(zhuǎn) 換器和電容電荷泵在其中希望的輸出電壓與電荷泵配置所確定的比 率相同的應(yīng)用中用小型低成本部件來操作。
將降壓轉(zhuǎn)換器和電荷泵用來控制電流和電壓獲得一種表現(xiàn)高 的總效率并且比其它拓樸使用較少部件的組合。電荷泵提供電容器 "棧，，的固有電壓平衡。電荷泵在這一整數(shù)比率時(shí)有利于高效率(通 常大于90%)操作。效率僅依賴于開關(guān)晶體管損耗和操作頻率加上 來自電容器有效串聯(lián)電阻(ESR)的一些微小損耗。
如果需要，則電荷泵允許上電容器中存儲(chǔ)的能量移動(dòng)到下電容 器。這允許從較高電壓和較低電壓不對(duì)稱地汲取功率。由于電容器 電荷泵可以在兩方向之一上傳送電荷，所以也有可能在較高電壓向 這一電路輸入功率，并且在這樣的操作中，電荷泵可以將所需功率 傳送到較低電壓的電容器。另外，在這樣的配置中，將功率從能量 源供應(yīng)到較低電壓的電容器的轉(zhuǎn)換器可以配置為允許經(jīng)由充當(dāng)分壓 器的電荷泵從較高電壓輸入對(duì)電池充電的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。
上文參照?qǐng)D2A和圖2B描述的電路提供可以向其它電壓和電 流控制元件供應(yīng)的兩個(gè)電壓(2.5伏特和5伏特)從而允許對(duì)功率轉(zhuǎn) 換實(shí)施的進(jìn)一步優(yōu)化。圖3的電路可以提供為輸入電壓Vin的整數(shù)倍 的三個(gè)電壓。
本發(fā)明提供一種能夠向高峰值電流負(fù)載供電而對(duì)電池的影響 最小并且向這些高功率負(fù)載提供高的總功率輸送效率的電路和方 法。例如，考慮在2A具有GSM脈沖負(fù)載的能量損耗這一情況
典型便攜設(shè)備電池和配電系統(tǒng)表現(xiàn)約300mQ的阻抗，該阻抗 包括電池內(nèi)部阻抗、接觸、保護(hù)電路和PWB跡線阻抗(traceimpedance)。超級(jí)電容器通常具有約50mQ的內(nèi)部阻抗。
忽略用于RP PA的升壓轉(zhuǎn)換器中的或者在超級(jí)電容器系統(tǒng)中 的任何轉(zhuǎn)換損耗，通過僅將電池電壓和固定電流用于比較
功率損耗=12尺=2*2*0.3=1.2\^
在占空比為1/8時(shí)(對(duì)于GSM呼叫為正常)
功率損耗4.2/8^0.15W
超i^g容器屑鍵
將功率平均，因而I=2A*1/8=0.25A R二電池系統(tǒng)阻抗+超級(jí)電容器阻抗=0.3+0.05=0.35^ 功率損耗=(0.25)2*0.35=0.022\￥,在電池分配系統(tǒng)中 超級(jí)電容器充電中的加性損耗=(0.25)2*0.05=0.20\^@1/8占 空比=0.025\￥
總損耗-0.047W
因此，超級(jí)電容器系統(tǒng)中的損耗為基于電池的系統(tǒng)中的損耗的 約三分之一。
本發(fā)明的電路供應(yīng)的高電壓實(shí)現(xiàn)使用很高效的降壓轉(zhuǎn)換器向 高電流負(fù)載供電從而獲得較好的電池壽命和減少的熱負(fù)載。提供的 高電壓可以用來以較高效或者低成本的方式向需要比電池供應(yīng)的電 壓較高的電壓的某些負(fù)載供電，例如可以通過簡易寄存器和開關(guān)電 路而不是更復(fù)雜的電流源向白色或者綠色LED供電。也可以從5伏 特電源向RF功率放大器進(jìn)行有效供電。也可以向外部功率要求如 USB OTG ( USB On The Go )有效地供電。
通常從小型鋰電池單元向?qū)崟r(shí)時(shí)鐘(RTC)供電以在電話中更 換電池之時(shí)將其操作持續(xù)短的時(shí)段。在約2.5伏特操作的超級(jí)電容器 中間電壓可以消除對(duì)小型鋰電池單元的要求和相關(guān)聯(lián)的安裝考慮從 而減少成本和體積。在無負(fù)載從較高電壓汲取的情況下從中間電壓 點(diǎn)供電的負(fù)載由于電荷泵的平衡機(jī)制而具有兩個(gè)可用串聯(lián)連接存儲(chǔ)元件的總并聯(lián)容量。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到不應(yīng)將前述示例理解為限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱 讀本申請(qǐng)時(shí)將清楚其它變化和修改。這樣的變化和修改延及適合于
取代這里所述特征的本領(lǐng)域中的已知特征及其所有功能上等效的特 征。另外，應(yīng)當(dāng)理解本申請(qǐng)的公開內(nèi)容包括這里明確或者隱含公開
施本申請(qǐng)或者從其派生的任何申請(qǐng)期間可以闡明新權(quán)利要求書以覆 蓋任何這樣的特征和/或這樣的特征的組合。
權(quán)利要求
1.一種用于在便攜電信設(shè)備中使用的配電電路，包括開關(guān)模式的電源，配置成將來自能量源的輸入電壓和電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓和電流；多個(gè)串聯(lián)連接的電荷存儲(chǔ)部件，布置成由所述輸出電壓充電；電荷平衡電路，包括配置成使跨接各所述電荷存儲(chǔ)部件的電壓基本上相等的電荷泵。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的配電電路，其中所述電荷存儲(chǔ)部件是 電化學(xué)電容器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的配電電路，其中所述輸出電壓對(duì)所述 電化學(xué)電容器中的第一個(gè)電化學(xué)電容器充電，而所述電荷泵被布置 成將電荷傳送到至少一個(gè)其佘電化學(xué)電容器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的配電電路，其中所述輸出電壓低于所 述輸入電壓，而所述lt出電流高于所述tr入電流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的配電電路，其中所述輸出電壓低于所述輸入電壓，而所述車lr出電流高于所述^r入電流。
6. —種便攜電信設(shè)備，包括電池和配電電路，所述配電電路包括開關(guān)模式的電源，配置成將來自所述電池的輸入電壓和電流轉(zhuǎn)換成l命出電壓和電流；多個(gè)串聯(lián)連接的電荷存儲(chǔ)部件，布置成由所述輸出電壓充電； 電荷平衡電路，包括配置成使跨接各所述電荷存儲(chǔ)部件的電壓基本上相等的電荷泵。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的便攜電信設(shè)備，其中所述電荷存儲(chǔ)部 件是電化學(xué)電容器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的便攜電信設(shè)備，其中所述電池是可再 充電4里離子電池。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的便攜電信設(shè)備，其中所述輸出電壓對(duì)所述電化學(xué)電容器中的第一個(gè)電化學(xué)電容器充電，而所述電荷泵被 布置成將電荷傳送到至少一個(gè)其余電化學(xué)電容器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的便攜電信設(shè)備，其中所述輸出電壓 低于所述輸入電壓，而所述輸出電流高于所述輸入電流。
11. 一種在便攜電信設(shè)備中配電的方法，包括使用開關(guān)模式的電源將來自能量源的輸入電壓和電流轉(zhuǎn)換成輸 出電壓禾口電流;通過所述輸出電壓對(duì)多個(gè)串聯(lián)連接的電荷存儲(chǔ)器件充電； 使用電荷泵使跨接各所述電荷存儲(chǔ)器件的電壓基本上相等以在 所述電荷存儲(chǔ)器件之間重新分配電荷。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述電荷存儲(chǔ)器件是電 化學(xué)電容器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述輸出電壓對(duì)所述電 化學(xué)電容器中的第一個(gè)電化學(xué)電容器充電，而所述電荷泵被布置成 將電荷傳送到至少一個(gè)其余電化學(xué)電容器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述輸出電壓低于所述專lr入電壓，而所述輸出電流高于所述4lr入電流。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述能量源是電池。
16，根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述能量源是可再充電4里離子電池。
全文摘要
一種用于在個(gè)人電信設(shè)備中使用的配電電路包括開關(guān)模式的電源(1)，配置成將來自能量源的輸入電壓和電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓(vout)和電流；多個(gè)串聯(lián)連接的電荷存儲(chǔ)部件(3a，3b)，布置成由輸出電壓充電；以及電荷平衡電路(4)，配置成使跨接各電荷存儲(chǔ)部件的電壓基本上相等，其中電荷平衡電路包括電荷泵。
文檔編號(hào)H02J7/00GK101682199SQ200880015706
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者B·羅蘭德 申請(qǐng)人:諾基亞公司