通過調整器的自適應控制來延長電池壽命的方法和設備的製作方法
2023-05-01 17:19:26
專利名稱：通過調整器的自適應控制來延長電池壽命的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於控制電壓調整器的技術，更加具體地涉及控制電壓校準器來延長電池壽命的技術。
背景技術：
電池支持的供電使用在多種應用中。通常電池供電在系統中使用之前必須進行調節。例如，在圖1中顯示了在電池支持的電源系統100中使用電壓調整器的示範性系統。如圖1所顯示，例如，AC電源可通過連接到公共AC電網的AC適配器110獲得，同樣也提供了電池120來提供電池電源。如所屬領域所已知，可提供開關112、114、和116以及充電器調整器130來從AC適配器110選擇AC電源或從電池120選擇電池電源來為供電軌(supply rail)Vin125提供電源。同樣已知，也可控制該開關來提供電池充電。例如，在Luo等人的共同未決定的申請號為11/058,781、申請日為2005年2月16日、題名為「Systemand Methods for Integration of Charger Regulation Within a BatterySystem(用於在電池系統中的充電調整器的集成系統和方法)」的美國專利申請中描述了AC和電池供電電源系統，在這裡通過參考清楚地合併該公開。
如圖1所顯示，可將電源供電軌Vin125提供給大量的電壓調整器140。在典型的應用中，該供電軌Vin125的範圍在9-20v。例如，當正在使用AC適配器時，Vin125的標稱輸入電平為19.5v。然而當通過電池支持供電系統時，最小輸入電平可低至9v。電源調整器140將供電軌Vin125的電平轉換到電池支持電源系統100所要求的必要的電壓，電池支持電源系統100負載諸如處理器、晶片、雙倍數據速率(DDR)存儲器及顯卡。例如圖1所顯示，電壓調整器140用來提供大量的範圍在0.9-5v的調節的供電軌。圖1所顯示的調整器的數量、類型、以及輸出電平僅僅是示範性的並且可根據用戶的應用和需要來變化。能夠使用本公開介紹的方法的一種示範性類型的調整器，是作為電源控制開關使用的金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)。在一個示範性的實施例中該電壓調整器可以是「降壓(buck)」電壓調整器。降壓或「減壓(step-down)」電壓調整器是被廣泛了解的具有輸出電壓低於輸入電壓的調整器。示範性的使用控制器的電壓調整器諸如Intersil公司的ISL88550A、Maxim公司的MAX8743以及Texas Instrument公司的TPS51116。示範性的電壓調整器具有共同的特性，在控制器中支持驅動電路和控制電路工作需要兩個輔助+5v供電電壓。這兩個供電電壓，稱為VCC或AVDD的+5v供電電壓在RC濾波器之後。然而將會認識到這裡描述的概念涉及到大範圍的其它調整器類型，並且這裡描述的調整器僅僅是示範性的。
如圖1所顯示，電壓調整器可接收除正在被調節的電源電路輸入Vin軌以外的供電輸入。因此，例如，如所示，可使用Vdd供電輸入142以及同樣可使用Vdd經過RC濾波器後的Vcc供電輸入144。如圖2顯示的更詳細的內容，Vdd供電輸入142可作為MOSFET柵極驅動電路的供電，並且Vcc供電輸入144可作為調整器中的模擬和/或數字控制電路的供電。
圖2顯示了關於調整器140的示範性應用。如圖2所顯示的調整器140可包含調整器集成電路210、電源MOSFET220和222以及調整器系統輸出230。如所示，向調整器集成電路210提供供電軌Vin125、Vdd142以及Vcc144。柵極驅動器輸出221和223分別控制MOSFET220和222。如所示，MOSFET220的源極和MOSFET222的漏極也在LX管腳225與調整器集成電路210相連接。OUT管腳226感測輸出電壓以確定調整器操作是否正常，否則由控制器內部的控制電路執行保護動作。FB管腳228通過分壓器(未顯示)向控制單元提供反饋。控制單元將反饋信號與預設的參考電壓相比較來確定高側的MOSFET220和低側的MOSFET的導通持續時間。例如，示範性的電壓調整器140可使用MAXIM公司的MAX8550電壓調整器集成電路。如圖2所顯示，可提供驅動電路240來提供柵極驅動器輸出電壓。控制單元250可提供控制信號，該控制信號用於控制驅動單元240正確地響應OUT管腳226和FB管腳228的信號。可提供Vdd供電142作為驅動單元240的供電，以及可提供Vdd經過RC濾波器後的Vcc供電144作為控制單元250的供電。
調整器140的電源效率由MOSFET的傳導損耗決定(在其它事物中)。特定地，MOSFET222的漏源電阻Rds(on)極大的影響所有的供電系統的效率並相應的影響在該系統中使用的電池的壽命。需要提供改進供電系統效率的技術，特別是電壓調節效率。
如圖1所示，可使用電池支持供電系統產生多個系統輸出電壓，諸如CPU電壓軌、系統電壓軌、晶片電壓軌、存儲器電壓軌、顯卡電壓軌等等。通常在信息處理系統中使用這些輸出電壓。由於信息的價值和效用不斷增加，個人和商業領域中都在尋求額外的方法來處理和存儲信息。對用戶來說一種可使用的選擇是信息處理系統。信息處理系統通常為商業、個人、或其它用途對信息或數據進行處理、彙編、存儲、和/或通信，以允許用戶使用信息的價值。由於不同用戶或應用對技術和信息處理的需要和需求存在變化，因此信息處理系統也可能存在變化，相應的變化是關於被處理的信息是什麼，如何處理信息，有多少信息要進行處理、存儲或通信，以及如何快速和有效地對信息進行處理、存儲或通信。信息處理系統的變化允許信息處理系統成為通用的並為特定的用戶或特定的用途，諸如金融交易處理、航空預定、企業數據存儲、或全球通信進行配置。此外，信息處理系統可包括大量的硬體和軟體組件，可以配置這些組件用於對信息進行處理、存儲、及通信，這些組件可以包括一種或多種計算機系統、數據存儲系統、及網絡系統。
發明內容
公開了用於提高電池供電系統效率的方法和系統。更具體的，提供了用於提高系統的電壓調節效率的方法和系統，該系統中要調節的輸入電壓可能會有很大變化。在本公開的技術中，電壓調整器的驅動控制電路所使用的電壓供電的變化與輸入電壓變化相關。因此在一個實施例中，用於驅動控制調節電路的MOSFET的柵極端的電壓供電的變化與輸入電壓變化相關。例如，可在輸入電平和用於控制調整器MOSFET柵極的柵極驅動電路的電平之間建立倒轉的關係。
在一個實施例中，提供了在具有電壓調節的電池支持供電系統中延長電池資源的電池壽命的方法。該方法可包括提供用來調節的第一電壓供電，該第一電壓供電至少偶爾由電池資源產生。此外，提供了接收第一電壓供電的電壓調整器，以及產生與第一電壓供電電平至少部分地相關而變化的可變輸出驅動控制電壓。輸出驅動控制電壓與第一電壓供電電平相關的變化延長了電池的壽命。
在另一個實施例中，提供了控制電壓調整器的輸出驅動控制電壓的方法。該方法包括提供由電壓調整器調節的第一電壓供電，以及使用控制單元電壓作為用於電壓調整器的控制電路的至少一部分的控制單元供電。該方法進一步包括使用驅動單元電壓作為用於電壓調整器的驅動電路的至少一部分的驅動單元供電，驅動電路對控制電壓調整器的輸出電晶體的信號進行控制。該方法進一步包含改變驅動單元電壓，使得驅動單元電平部分取決於第一電壓供電的電平；以及提供來自電壓調整器的調節的輸出電壓。電壓調整器的效率取決於驅動單元電壓。
在另一個實施例中，公開了信息處理系統。該系統可包括第一電壓供電，該第一電壓供電至少偶爾由電池資源產生，第一電壓供電具有可變電平。該系統進一步包括電壓調整器，該電壓調整器與第一電壓相連，電壓調整器調節第一電壓來提供電壓調整器輸出電壓。該系統可進一步包含第二電壓供電，電壓調整器的控制電路的至少一部分使用該第二電壓供電。該系統進一步包括可變的第三電壓供電，電壓調整器的驅動電路的至少一部分使用該第三電壓供電，該驅動電路提供與電壓調整器的輸出電晶體的控制端連接的控制信號。可變的第三電壓供電的電平取決於第一電壓供電的電平。
注意在後附的附圖中僅僅描述了本發明的示範性實施例，因此不考慮對本發明的範圍的限制，本發明可允許其它相同地有效的實施例。
圖1描述了現有技術的具有電池供電和電壓調節的信息處理系統；圖2描述了現有技術的電壓調整器；
圖3描述了具有電池供電和電壓調整器的自適應驅動電壓控制的信息處理系統的示範性電路；圖4描述了具有根據這裡公開的技術提供的供電電壓的電壓調整器；圖5描述了在自適應地設置驅動電壓控制中使用的示範性電路。
具體實施例方式
圖3描述了可在信息處理系統中使用的電池支持供電系統300的一個實例，來使用這裡公開的技術。出於本公開的目的，信息處理系統可包括任何手段或手段的集合，所述手段可用於進行計算、分類、處理、發送、接收、檢測、發生、轉換、存儲、顯示、表明、探測、記錄、複製、操作、或使用任何形式的信息、情報、或用於商業、科學、控制或其它用途的數據。例如，信息處理系統可以是個人電腦、網絡存儲設備、或其它任何合適的設備並且可以在大小、外形、性能、功能性及價格上變化。信息處理系統可包括隨機存取存儲器(RAM)，諸如中央處理器(CPU)或硬體或軟體控制邏輯的一種或多種處理資源，只讀存儲器(ROM)，和/或其它類型的非易失性存儲器。信息處理系統的附加組件可包括一種或多種盤驅動器，一種或多種網絡埠，用來和外設及諸如鍵盤、滑鼠、顯示器的各種輸入輸出設備(I/O)通信。信息處理系統也包括一組或多組總線，可以在各種硬體組件間進行通信。
圖3的電池支持供電系統300通過對比先前技術的系統而提高電壓調節效率來提供改進的電池壽命，即使當電壓調整器的輸入電壓可廣泛地變化。在本技術公開中，用於驅動電壓調整器的控制電路的電壓供電Vdd與輸入電壓Vin相關變化。在一個實例中，可在輸入電平和用於控制調整器輸出電晶體的柵極的柵極驅動電路的電壓供電Vdd電平之間建立倒轉的關係。
這裡描述的技術通過改進調整器輸出電晶體MOSFET的傳導損耗來提供改進的電池壽命。更具體地，由MOSFET Rds(on)導致的傳導損耗與MOSFET驅動電壓成比例。此外，典型地設計電源電路MOSFET和MOSFET驅動電路來適應由最大Vin電壓(在下面描述的實例中大約為20V)、柵極驅動電平、驅動速度和一些寄生效應導致的最大漏源電壓(Vds)。通常地，電源電路輸入電壓Vin對Vds有顯著地影響。然而，不經常使用最大Vin電壓。特別地、當使用電池資源時，Vin電源可變化超過電池放電壽命周期並可以顯著地降低到最大Vin以下，諸如下面描述的實例中大約為9V。在這種環境中儘管MOSFET依然保持在最大Vds電平中，但較低的Vin允許電壓調整器的輸出MOSFET柵極電壓增加。增加柵極電壓驅動電平有利地降低MOSFET Rds(on)，可導致更低的MOSFET傳導損耗並從而獲得改進的電池壽命。
可通過圖3-5的示範性描述更好的理解上面描述的概念。如圖3所顯示，電池支持供電系統300具有多個與圖1中的系統相同的元件，相同的元件具有相同的附圖標記。供電系統300與圖1中系統的區別是提供可變Vdd電壓供電。特別地，可提供Vcc電壓供電144作為設置與先前技術中顯示的相似的電平。然而，提供Vdd電壓供電342作為可取決於Vin125電壓而變化的自適應電壓。在一個實例中，當Vin125在20-9V變化時，Vdd電壓供電342相應地相反地在5-10V變化。提供了自適應電平電路350來控制Vdd電壓供電342的電平。自適應電平電路350可接收連接到Vin125線的輸入355。設計自適應電平電路350以便以Vdd電壓供電342電平取決於Vin125電平而變化的方式，提供可變Vdd電壓供電342作為輸出。
從圖4中可看到這個概念的更多細節，圖4描述了電壓調整器140接收未耦合的Vdd和Vcc供電電壓。除去在僅圖4中可見的附圖標記，圖4的電路與圖2的電路關於相同的附圖標記相類似，提供可變Vdd電壓供電342以支持調整器集成電路210的驅動單元。當Vin125的電平在20-9V變化時，使用上面描述的實例電壓，Vdd電壓供電342電平提供給驅動電路240作為可分別地在5-10V變化的供電電壓。驅動電路可包含多個為MOSFET220和222提供柵極驅動電壓的電路。在一個實施例中，該驅動電路可包括控制邏輯和操作在Vdd軌的驅動級。通過提供增加的Vdd供電，增加的驅動電壓可提供給MOSFET柵極驅動電晶體，並且由於MOSFET Rds(on)關於增加的柵極控制驅動電壓而減少，所以MOSFET傳導損耗將相應地減少。
如上面提到的，作為調整器集成電路210的示範性電壓調整器包含Intersil公司的ISL88550A、Maxim公司的MAX8743以及TexasInstrument公司的TPS51116。然而將會認識到這裡描述的概念涉及到大範圍的其它調整器類型，並且這裡描述的調整器僅僅是示範性的。此外，儘管所描述的相關的調整器中Vdd為驅動單元提供供電軌，但將認識到該驅動單元可額外地接收非可變Vcc供電軌，這樣為調整器控制器提供兩個電壓軌。這裡描述的概念在柵極驅動控制電平與Vin電平是否是可變關係的配置中同樣是有利的。
通過生成與輸入電壓相關的輸出電壓的多個電路的任何一個，可以以大範圍的方式產生可變Vdd的電壓供電342。Vdd和Vin之間的特殊關係可通過多種方法諸如數字電路、模擬電路或數模混合電路來實現。因此，該自適應電平電路350僅僅是示範性的。如上面所述，需要電壓Vin和Vdd的關係成為反轉類型的關係。例如，自適應電平電路350的輸出電壓可以關於其輸入電壓線性地或非線性地變化。可選則地，自適應電平電路350的輸出電壓可具有幾個預設增加的輸出電壓，根據Vin125的電平的至少一部分從該預設增加的輸出電壓選擇所需的輸出電平。此外，如所示，自適應電平電路350接收電壓Vin125作為輸入355。然而，至少部分地，將認識到自適應電平電路350可僅僅接收一些至少部分地表示Vin125的當前狀態的信號(例如控制信號)。例如，控制信號可反映是否正在使用AC適配器，或是否正在使用電池電源及電池的當前狀態。因此，這裡描述的概念並不取決於如何產生可變Vdd供電342，而是更廣泛的理解僅僅需要提供給輸出電晶體的控制端(例如MOSFET的柵極)的電平可基於Vin125供電的狀態和情況的至少一部分而變化。例如，圖5中顯示了用於作為自適應電平電路350的一種電路。如圖5所示，輸入355可接收大約在9-20V上變化的輸入，並且被提供作為可變Vdd供電342的相應輸出可分別地在10-5V變化。自適應電平電路可包括如圖5所顯示配置的電阻Ra、Rb、Rc、Rd、和Re，電容Ca和電晶體510和520。然而，如上面提到的，將認識到可使用許多其它的電路和方法來產生可變Vdd供電。
此外，儘管圖3所顯示的自適應電平電路350在調整器外部，但在一個實施例中，自適應電平電路350可直接嵌入到在調整器140中。在調整器140中包含了自適應電平電路350的一個實施例，包括了將自適應電平電路350集成到調整器集成電路210中。在這個實施例中，可在調整器集成電路210中使用提供給調整器集成電路210的Vin125供電來內部地產生可變Vdd電壓供電342。在這種情況，Vdd電壓可僅僅是用來提供可變電晶體控制端驅動控制信號的內部電壓，其電壓可根據Vin電平而調整。
因此，如上面所描述，可通過為調整器電源開關驅動控制信號提供可變控制電壓來獲得更高效的系統。在一個實例中，AC適配器提供19.5V的Vin電壓和5V常量供電電壓Vdd，調整器MOSFET的漏源電壓Vds(最大值)可達到26.5V，而在10V的電池供電下僅可為大約17V。當10V電池供電支持系統時增加Vdd到10V，降低了MOSFET傳導損耗，因此對於具有1.2V/10amp的調整器，輸出效率可增加大約2％。這樣的效率的增加可延長電池放電壽命，降低電源消耗並緩解冷卻的要求。因此提供未耦合的調整器供電電平的系統是很有利的，使得調整器系統中控制MOSFET柵極驅動信號的至少一些電路可以運行在不同的電平上，不同的電平取決於由調整器調節的Vin電壓電平。
如上面所描述，在Vin125供電電平和Vdd342供電電平之間建立關係，以便提供給MOSFET220和222的驅動電壓同樣可以關於輸入電壓Vin125而變化。可取決於MOSFET220和222的特徵、Vin125的特殊範圍以及系統中使用的電池的類型和特徵，來選擇在Vin125和在柵極控制線221和223上的MOSFET驅動電壓間的特別關係。在一個實施例中，可配置電路以便使驅動電壓和Vin電平之間的關係是用戶可編程的。如果如上面所描述，這樣的特徵對是否將自適應電平電路集成到調整器控制器中非常有用。
在上面描述的實例中，可使用可變Vdd電壓供電來產生用於MOSFET220和222的驅動控制電壓。將認識到各種調整器電路可包含或多或少的MOSFET。因此，可通過調節與Vin電平相關的單一MOSFET的驅動控制電壓、或通過調節多於兩個MOSFET的驅動控制電壓來使用這裡描述的概念。此外，即使僅調節一些MOSFET的驅動電壓也可至少獲得這裡描述的一些益處。在這樣的方法中，一個或多個MOSFET可使用這裡描述的概念，而其它的一個或多個MOSFET則不使用。例如在圖4描述的系統中，MOSFET傳導損耗由MOSFET222的Rds(on)支配。因此，當沒有調節MOSFET 220的驅動控制時，可在MOSFET 222的驅動控制中實現的電路設計關於Vin125電平而變化，反之亦然。這裡描述的技術已闡明了關於MOSFET輸出設備和影響柵極驅動控制信號的電平的Vdd供電調節。然而，將認識到可用其它輸出設備來使用調節的驅動控制概念。例如，可在取決於Vin電平來調節功率雙極電晶體的控制端電平中使用雙極輸出器件。
在上面描述的實例中，所顯示的系統中所有調整器都有利地使用這裡描述的涉及可變Vdd電壓供電的概念。然而，將認識到如果僅是調整器的子集使用可變Vdd電壓供電，同樣可獲得這裡描述的較高的效率。因此，系統調整器中的一些可使用可變Vdd供電而一些則不使用。
此外對本發明的更改和選擇的實施例對考慮本描述的所屬領域的技術人員是明顯的。因此，將認識到本發明並非受這些實例安排所限制。因此，應當僅作為舉例說明並出於向所屬領域的技術人員講授實施本發明的方式的目的來分析本描述。很顯然這裡顯示和描述的本發明的形式是作為當前的優選的實施例。可在實現和結構中作出各種改變。例如，可用等同的元件替換這裡描述和闡明的那些元件，並且可以與其它特徵相獨立地使用本發明的某些特徵，所有特徵對於獲得本發明描述的益處之後的所屬領域的技術人員是明顯的。此外，這裡描述的技術和電路僅僅是示範性的，也可使用同樣提供這裡描述的概念的益處的其它技術和電路。
權利要求
1.一種在具有電壓調整的電池支持供電系統中延長電池壽命的方法，該方法包括提供要調整的第一電壓供電，該第一電壓供電至少偶爾由電池資源產生；提供接收該第一電壓供電的電壓調整器；以及產生至少部分關於第一電壓供電的電平而變化的可變輸出驅動控制電壓；其中輸出驅動控制電壓關於該第一電壓供電的電平的變化延長了電池的壽命。
2.如權利要求1所述的方法，其中該可變輸出驅動控制電壓控制電晶體的控制端。
3.如權利要求2所述的方法，其中通過改變該輸出驅動控制電壓來改變電晶體的傳導損耗，以便通過改變輸出驅動控制電壓來改變該電壓調整器的效率。
4.如權利要求1所述的方法，其中該第一電壓供電偶爾地由AC電源產生。
5.如權利要求4所述的方法，其中該電池支持供電系統包括多個電壓調整器，電壓調整器具有多個至少部分關於第一電壓供電的電平而變化的可變輸出驅動控制電壓。
6.如權利要求1所述的方法，其中該可變輸出驅動控制電壓的變化與第一電壓供電是反轉的關係。
7.如權利要求6所述的方法，其中該第一電壓供電偶爾地由AC電源產生，至少偶爾地當第一電壓供電由電池資源產生時、然後當第一電壓供電由AC電源產生時，該可變輸出驅動控制電壓具有更大的強度。
8.一種控制電壓調整器的輸出驅動控制電壓的方法，該方法包括通過電壓調整器提供要調整的第一電壓供電；使用控制單元電壓作為用於電壓調整器控制電路的至少一部分的控制單元供電；使用驅動單元電壓作為用於電壓調整器驅動電路的至少一部分的驅動單元供電，驅動電路對控制電壓調整器的輸出電晶體的驅動信號進行控制；改變該驅動單元電壓以便該驅動單元電平至少部分取決於第一電壓供電的電平；以及提供來自電壓調整器的調整的輸出電壓，其中電壓調整器的效率取決於驅動單元電壓。
9.如權利要求8所述的方法，其中該驅動單元電壓在電壓調整器的電壓調整集成電路外部產生。
10.如權利要求8所述的方法，其中該驅動單元電壓在電壓調整器的電壓調整集成電路內部產生。
11.如權利要求8所述的方法，其中該輸出電晶體的傳導損耗通過改變驅動單元電壓來變化。
12.如權利要求11所述的方法，其中該驅動單元電壓的變化與第一電壓供電的電平是反轉的關係。
13.一種信息處理系統，該系統包括第一電壓供電，該第一電壓供電至少偶爾地由電池資源產生，該第一電壓供電具有可變電平；電壓調整器，該電壓調整器與第一電壓相連接，該電壓調整器調整第一電壓來提供電壓調整器輸出電壓；第二電壓供電，該電壓調整器的控制電路的至少一部分使用該第二電壓供電；可變的第三電壓供電，該電壓調整器的驅動電路的至少一部分使用該第三電壓供電，該驅動電路提供與該電壓調整器的輸出電晶體控制端相連接的控制信號；其中可變的第三電壓供電的電平取決於第一電壓供電的電平。
14.如權利要求13所述的信息處理系統，其中該第一電壓供電同樣由AC電源產生。
15.如權利要求13所述的信息處理系統，該系統進一步包括多個電壓調整器，多個電壓調整器的每一個與第一電壓供電相連接，多個電壓調整器的至少兩個或更多個的每一個具有由每個電壓調整器驅動電路使用的可變的電壓供電，其中可變的電壓供電的電平關於第一電壓供電而變化。
16.如權利要求13所述的信息處理系統，該系統進一步包括在外部提供給電壓調整器集成電路的電平調節電路，該電平調節電路具有作為輸出的可變的第三電壓供電。
17.如權利要求13所述的信息處理系統，其中該可變的第三電壓供電在電壓調節器集成電路的內部產生。
18.如權利要求13所述的信息處理系統，其中輸出電晶體是第一MOSFET器件，該MOSFET器件的MOSFET傳導損耗關於可變的第三電壓供電的電平而變化。
19.如權利要求18所述的信息處理系統，該系統進一步包括第二MOSFET器件，第一和第二MOSFET器件的每一個接收關於第一電壓供電的電平而變化的可變柵極控制信號。
20.如權利要求13所述的信息處理系統，其中第二電壓供電具有恆定的電平。
全文摘要
公開了用於改進電池支持供電系統的效率的方法和系統。更具體地，提供了用於改進系統中電壓調整效率的方法和系統，系統中需調整的輸入電壓可以有很大的變化。在本公開的技術中，用於驅動電壓調整器控制電路的電壓供電關於輸入電壓的變化而變化。因此在一個實施例中，用於調整電路輸出電晶體的控制端的驅動電路的電壓供電關於輸入電壓的變化而變化。例如，可在輸入電平和用於控制調整器輸出電晶體柵極的柵極驅動電路之間建立反轉的關係。
文檔編號H02J7/10GK101060254SQ20071010441
公開日2007年10月24日 申請日期2007年4月19日 優先權日2006年4月21日
發明者羅世國, J·J·布林 申請人:戴爾產品有限公司