CN101060254A - 通过调整器的自适应控制来延长电池寿命的方法和设备 - Google Patents

通过调整器的自适应控制来延长电池寿命的方法和设备 Download PDF

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Abstract

公开了用于改进电池支持供电系统的效率的方法和系统。更具体地，提供了用于改进系统中电压调整效率的方法和系统，系统中需调整的输入电压可以有很大的变化。在本公开的技术中，用于驱动电压调整器控制电路的电压供电关于输入电压的变化而变化。因此在一个实施例中，用于调整电路输出晶体管的控制端的驱动电路的电压供电关于输入电压的变化而变化。例如，可在输入电平和用于控制调整器输出晶体管栅极的栅极驱动电路之间建立反转的关系。

Description

通过调整器的自适应控制来延长电池寿命的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于控制电压调整器的技术，更加具体地涉及控制电压校准器来延长电池寿命的技术。
背景技术
电池支持的供电使用在多种应用中。通常电池供电在系统中使用之前必须进行调节。例如，在图1中显示了在电池支持的电源系统100中使用电压调整器的示范性系统。如图1所显示，例如，AC电源可通过连接到公共AC电网的AC适配器110获得，同样也提供了电池120来提供电池电源。如所属领域所已知，可提供开关112、114、和116以及充电器调整器130来从AC适配器110选择AC电源或从电池120选择电池电源来为供电轨(supply rail)Vin125提供电源。同样已知，也可控制该开关来提供电池充电。例如，在Luo等人的共同未决定的申请号为11/058,781、申请日为2005年2月16日、题名为“Systemand Methods for Integration of Charger Regulation Within a BatterySystem(用于在电池系统中的充电调整器的集成系统和方法)”的美国专利申请中描述了AC和电池供电电源系统，在这里通过参考清楚地合并该公开。
如图1所显示，可将电源供电轨Vin125提供给大量的电压调整器140。在典型的应用中，该供电轨Vin125的范围在9-20v。例如，当正在使用AC适配器时，Vin125的标称输入电平为19.5v。然而当通过电池支持供电系统时，最小输入电平可低至9v。电源调整器140将供电轨Vin125的电平转换到电池支持电源系统100所要求的必要的电压，电池支持电源系统100负载诸如处理器、芯片、双倍数据速率(DDR)存储器及显卡。例如图1所显示，电压调整器140用来提供大量的范围在0.9-5v的调节的供电轨。图1所显示的调整器的数量、类型、以及输出电平仅仅是示范性的并且可根据用户的应用和需要来变化。能够使用本公开介绍的方法的一种示范性类型的调整器，是作为电源控制开关使用的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。在一个示范性的实施例中该电压调整器可以是“降压(buck)”电压调整器。降压或“减压(step-down)”电压调整器是被广泛了解的具有输出电压低于输入电压的调整器。示范性的使用控制器的电压调整器诸如Intersil公司的ISL88550A、Maxim公司的MAX8743以及Texas Instrument公司的TPS51116。示范性的电压调整器具有共同的特性，在控制器中支持驱动电路和控制电路工作需要两个辅助+5v供电电压。这两个供电电压，称为VCC或AVDD的+5v供电电压在RC滤波器之后。然而将会认识到这里描述的概念涉及到大范围的其它调整器类型，并且这里描述的调整器仅仅是示范性的。
如图1所显示，电压调整器可接收除正在被调节的电源电路输入Vin轨以外的供电输入。因此，例如，如所示，可使用Vdd供电输入142以及同样可使用Vdd经过RC滤波器后的Vcc供电输入144。如图2显示的更详细的内容，Vdd供电输入142可作为MOSFET栅极驱动电路的供电，并且Vcc供电输入144可作为调整器中的模拟和/或数字控制电路的供电。
图2显示了关于调整器140的示范性应用。如图2所显示的调整器140可包含调整器集成电路210、电源MOSFET220和222以及调整器系统输出230。如所示，向调整器集成电路210提供供电轨Vin125、Vdd142以及Vcc144。栅极驱动器输出221和223分别控制MOSFET220和222。如所示，MOSFET220的源极和MOSFET222的漏极也在LX管脚225与调整器集成电路210相连接。OUT管脚226感测输出电压以确定调整器操作是否正常，否则由控制器内部的控制电路执行保护动作。FB管脚228通过分压器(未显示)向控制单元提供反馈。控制单元将反馈信号与预设的参考电压相比较来确定高侧的MOSFET220和低侧的MOSFET的导通持续时间。例如，示范性的电压调整器140可使用MAXIM公司的MAX8550电压调整器集成电路。如图2所显示，可提供驱动电路240来提供栅极驱动器输出电压。控制单元250可提供控制信号，该控制信号用于控制驱动单元240正确地响应OUT管脚226和FB管脚228的信号。可提供Vdd供电142作为驱动单元240的供电，以及可提供Vdd经过RC滤波器后的Vcc供电144作为控制单元250的供电。
调整器140的电源效率由MOSFET的传导损耗决定(在其它事物中)。特定地，MOSFET222的漏源电阻Rds(on)极大的影响所有的供电系统的效率并相应的影响在该系统中使用的电池的寿命。需要提供改进供电系统效率的技术，特别是电压调节效率。
如图1所示，可使用电池支持供电系统产生多个系统输出电压，诸如CPU电压轨、系统电压轨、芯片电压轨、存储器电压轨、显卡电压轨等等。通常在信息处理系统中使用这些输出电压。由于信息的价值和效用不断增加，个人和商业领域中都在寻求额外的方法来处理和存储信息。对用户来说一种可使用的选择是信息处理系统。信息处理系统通常为商业、个人、或其它用途对信息或数据进行处理、汇编、存储、和/或通信，以允许用户使用信息的价值。由于不同用户或应用对技术和信息处理的需要和需求存在变化，因此信息处理系统也可能存在变化，相应的变化是关于被处理的信息是什么，如何处理信息，有多少信息要进行处理、存储或通信，以及如何快速和有效地对信息进行处理、存储或通信。信息处理系统的变化允许信息处理系统成为通用的并为特定的用户或特定的用途，诸如金融交易处理、航空预定、企业数据存储、或全球通信进行配置。此外，信息处理系统可包括大量的硬件和软件组件，可以配置这些组件用于对信息进行处理、存储、及通信，这些组件可以包括一种或多种计算机系统、数据存储系统、及网络系统。
发明内容
公开了用于提高电池供电系统效率的方法和系统。更具体的，提供了用于提高系统的电压调节效率的方法和系统，该系统中要调节的输入电压可能会有很大变化。在本公开的技术中，电压调整器的驱动控制电路所使用的电压供电的变化与输入电压变化相关。因此在一个实施例中，用于驱动控制调节电路的MOSFET的栅极端的电压供电的变化与输入电压变化相关。例如，可在输入电平和用于控制调整器MOSFET栅极的栅极驱动电路的电平之间建立倒转的关系。
在一个实施例中，提供了在具有电压调节的电池支持供电系统中延长电池资源的电池寿命的方法。该方法可包括提供用来调节的第一电压供电，该第一电压供电至少偶尔由电池资源产生。此外，提供了接收第一电压供电的电压调整器，以及产生与第一电压供电电平至少部分地相关而变化的可变输出驱动控制电压。输出驱动控制电压与第一电压供电电平相关的变化延长了电池的寿命。
在另一个实施例中，提供了控制电压调整器的输出驱动控制电压的方法。该方法包括提供由电压调整器调节的第一电压供电，以及使用控制单元电压作为用于电压调整器的控制电路的至少一部分的控制单元供电。该方法进一步包括使用驱动单元电压作为用于电压调整器的驱动电路的至少一部分的驱动单元供电，驱动电路对控制电压调整器的输出晶体管的信号进行控制。该方法进一步包含改变驱动单元电压，使得驱动单元电平部分取决于第一电压供电的电平；以及提供来自电压调整器的调节的输出电压。电压调整器的效率取决于驱动单元电压。
在另一个实施例中，公开了信息处理系统。该系统可包括第一电压供电，该第一电压供电至少偶尔由电池资源产生，第一电压供电具有可变电平。该系统进一步包括电压调整器，该电压调整器与第一电压相连，电压调整器调节第一电压来提供电压调整器输出电压。该系统可进一步包含第二电压供电，电压调整器的控制电路的至少一部分使用该第二电压供电。该系统进一步包括可变的第三电压供电，电压调整器的驱动电路的至少一部分使用该第三电压供电，该驱动电路提供与电压调整器的输出晶体管的控制端连接的控制信号。可变的第三电压供电的电平取决于第一电压供电的电平。
附图说明
注意在后附的附图中仅仅描述了本发明的示范性实施例，因此不考虑对本发明的范围的限制，本发明可允许其它相同地有效的实施例。
图1描述了现有技术的具有电池供电和电压调节的信息处理系统；
图2描述了现有技术的电压调整器；
图3描述了具有电池供电和电压调整器的自适应驱动电压控制的信息处理系统的示范性电路；
图4描述了具有根据这里公开的技术提供的供电电压的电压调整器；
图5描述了在自适应地设置驱动电压控制中使用的示范性电路。
具体实施方式
图3描述了可在信息处理系统中使用的电池支持供电系统300的一个实例，来使用这里公开的技术。出于本公开的目的，信息处理系统可包括任何手段或手段的集合，所述手段可用于进行计算、分类、处理、发送、接收、检测、发生、转换、存储、显示、表明、探测、记录、复制、操作、或使用任何形式的信息、情报、或用于商业、科学、控制或其它用途的数据。例如，信息处理系统可以是个人电脑、网络存储设备、或其它任何合适的设备并且可以在大小、外形、性能、功能性及价格上变化。信息处理系统可包括随机存取存储器(RAM)，诸如中央处理器(CPU)或硬件或软件控制逻辑的一种或多种处理资源，只读存储器(ROM)，和/或其它类型的非易失性存储器。信息处理系统的附加组件可包括一种或多种盘驱动器，一种或多种网络端口，用来和外设及诸如键盘、鼠标、显示器的各种输入输出设备(I/O)通信。信息处理系统也包括一组或多组总线，可以在各种硬件组件间进行通信。
图3的电池支持供电系统300通过对比先前技术的系统而提高电压调节效率来提供改进的电池寿命，即使当电压调整器的输入电压可广泛地变化。在本技术公开中，用于驱动电压调整器的控制电路的电压供电Vdd与输入电压Vin相关变化。在一个实例中，可在输入电平和用于控制调整器输出晶体管的栅极的栅极驱动电路的电压供电Vdd电平之间建立倒转的关系。
这里描述的技术通过改进调整器输出晶体管MOSFET的传导损耗来提供改进的电池寿命。更具体地，由MOSFET Rds(on)导致的传导损耗与MOSFET驱动电压成比例。此外，典型地设计电源电路MOSFET和MOSFET驱动电路来适应由最大Vin电压(在下面描述的实例中大约为20V)、栅极驱动电平、驱动速度和一些寄生效应导致的最大漏源电压(Vds)。通常地，电源电路输入电压Vin对Vds有显著地影响。然而，不经常使用最大Vin电压。特别地、当使用电池资源时，Vin电源可变化超过电池放电寿命周期并可以显著地降低到最大Vin以下，诸如下面描述的实例中大约为9V。在这种环境中尽管MOSFET依然保持在最大Vds电平中，但较低的Vin允许电压调整器的输出MOSFET栅极电压增加。增加栅极电压驱动电平有利地降低MOSFET Rds(on)，可导致更低的MOSFET传导损耗并从而获得改进的电池寿命。
可通过图3-5的示范性描述更好的理解上面描述的概念。如图3所显示，电池支持供电系统300具有多个与图1中的系统相同的元件，相同的元件具有相同的附图标记。供电系统300与图1中系统的区别是提供可变Vdd电压供电。特别地，可提供Vcc电压供电144作为设置与先前技术中显示的相似的电平。然而，提供Vdd电压供电342作为可取决于Vin125电压而变化的自适应电压。在一个实例中，当Vin125在20-9V变化时，Vdd电压供电342相应地相反地在5-10V变化。提供了自适应电平电路350来控制Vdd电压供电342的电平。自适应电平电路350可接收连接到Vin125线的输入355。设计自适应电平电路350以便以Vdd电压供电342电平取决于Vin125电平而变化的方式，提供可变Vdd电压供电342作为输出。
从图4中可看到这个概念的更多细节，图4描述了电压调整器140接收未耦合的Vdd和Vcc供电电压。除去在仅图4中可见的附图标记，图4的电路与图2的电路关于相同的附图标记相类似，提供可变Vdd电压供电342以支持调整器集成电路210的驱动单元。当Vin125的电平在20-9V变化时，使用上面描述的实例电压，Vdd电压供电342电平提供给驱动电路240作为可分别地在5-10V变化的供电电压。驱动电路可包含多个为MOSFET220和222提供栅极驱动电压的电路。在一个实施例中，该驱动电路可包括控制逻辑和操作在Vdd轨的驱动级。通过提供增加的Vdd供电，增加的驱动电压可提供给MOSFET栅极驱动晶体管，并且由于MOSFET Rds(on)关于增加的栅极控制驱动电压而减少，所以MOSFET传导损耗将相应地减少。
如上面提到的，作为调整器集成电路210的示范性电压调整器包含Intersil公司的ISL88550A、Maxim公司的MAX8743以及TexasInstrument公司的TPS51116。然而将会认识到这里描述的概念涉及到大范围的其它调整器类型，并且这里描述的调整器仅仅是示范性的。此外，尽管所描述的相关的调整器中Vdd为驱动单元提供供电轨，但将认识到该驱动单元可额外地接收非可变Vcc供电轨，这样为调整器控制器提供两个电压轨。这里描述的概念在栅极驱动控制电平与Vin电平是否是可变关系的配置中同样是有利的。
通过生成与输入电压相关的输出电压的多个电路的任何一个，可以以大范围的方式产生可变Vdd的电压供电342。Vdd和Vin之间的特殊关系可通过多种方法诸如数字电路、模拟电路或数模混合电路来实现。因此，该自适应电平电路350仅仅是示范性的。如上面所述，需要电压Vin和Vdd的关系成为反转类型的关系。例如，自适应电平电路350的输出电压可以关于其输入电压线性地或非线性地变化。可选则地，自适应电平电路350的输出电压可具有几个预设增加的输出电压，根据Vin125的电平的至少一部分从该预设增加的输出电压选择所需的输出电平。此外，如所示，自适应电平电路350接收电压Vin125作为输入355。然而，至少部分地，将认识到自适应电平电路350可仅仅接收一些至少部分地表示Vin125的当前状态的信号(例如控制信号)。例如，控制信号可反映是否正在使用AC适配器，或是否正在使用电池电源及电池的当前状态。因此，这里描述的概念并不取决于如何产生可变Vdd供电342，而是更广泛的理解仅仅需要提供给输出晶体管的控制端(例如MOSFET的栅极)的电平可基于Vin125供电的状态和情况的至少一部分而变化。例如，图5中显示了用于作为自适应电平电路350的一种电路。如图5所示，输入355可接收大约在9-20V上变化的输入，并且被提供作为可变Vdd供电342的相应输出可分别地在10-5V变化。自适应电平电路可包括如图5所显示配置的电阻Ra、Rb、Rc、Rd、和Re，电容Ca和晶体管510和520。然而，如上面提到的，将认识到可使用许多其它的电路和方法来产生可变Vdd供电。
此外，尽管图3所显示的自适应电平电路350在调整器外部，但在一个实施例中，自适应电平电路350可直接嵌入到在调整器140中。在调整器140中包含了自适应电平电路350的一个实施例，包括了将自适应电平电路350集成到调整器集成电路210中。在这个实施例中，可在调整器集成电路210中使用提供给调整器集成电路210的Vin125供电来内部地产生可变Vdd电压供电342。在这种情况，Vdd电压可仅仅是用来提供可变晶体管控制端驱动控制信号的内部电压，其电压可根据Vin电平而调整。
因此，如上面所描述，可通过为调整器电源开关驱动控制信号提供可变控制电压来获得更高效的系统。在一个实例中，AC适配器提供19.5V的Vin电压和5V常量供电电压Vdd，调整器MOSFET的漏源电压Vds(最大值)可达到26.5V，而在10V的电池供电下仅可为大约17V。当10V电池供电支持系统时增加Vdd到10V，降低了MOSFET传导损耗，因此对于具有1.2V/10amp的调整器，输出效率可增加大约2％。这样的效率的增加可延长电池放电寿命，降低电源消耗并缓解冷却的要求。因此提供未耦合的调整器供电电平的系统是很有利的，使得调整器系统中控制MOSFET栅极驱动信号的至少一些电路可以运行在不同的电平上，不同的电平取决于由调整器调节的Vin电压电平。
如上面所描述，在Vin125供电电平和Vdd342供电电平之间建立关系，以便提供给MOSFET220和222的驱动电压同样可以关于输入电压Vin125而变化。可取决于MOSFET220和222的特征、Vin125的特殊范围以及系统中使用的电池的类型和特征，来选择在Vin125和在栅极控制线221和223上的MOSFET驱动电压间的特别关系。在一个实施例中，可配置电路以便使驱动电压和Vin电平之间的关系是用户可编程的。如果如上面所描述，这样的特征对是否将自适应电平电路集成到调整器控制器中非常有用。
在上面描述的实例中，可使用可变Vdd电压供电来产生用于MOSFET220和222的驱动控制电压。将认识到各种调整器电路可包含或多或少的MOSFET。因此，可通过调节与Vin电平相关的单一MOSFET的驱动控制电压、或通过调节多于两个MOSFET的驱动控制电压来使用这里描述的概念。此外，即使仅调节一些MOSFET的驱动电压也可至少获得这里描述的一些益处。在这样的方法中，一个或多个MOSFET可使用这里描述的概念，而其它的一个或多个MOSFET则不使用。例如在图4描述的系统中，MOSFET传导损耗由MOSFET222的Rds(on)支配。因此，当没有调节MOSFET 220的驱动控制时，可在MOSFET 222的驱动控制中实现的电路设计关于Vin125电平而变化，反之亦然。这里描述的技术已阐明了关于MOSFET输出设备和影响栅极驱动控制信号的电平的Vdd供电调节。然而，将认识到可用其它输出设备来使用调节的驱动控制概念。例如，可在取决于Vin电平来调节功率双极晶体管的控制端电平中使用双极输出器件。
在上面描述的实例中，所显示的系统中所有调整器都有利地使用这里描述的涉及可变Vdd电压供电的概念。然而，将认识到如果仅是调整器的子集使用可变Vdd电压供电，同样可获得这里描述的较高的效率。因此，系统调整器中的一些可使用可变Vdd供电而一些则不使用。
此外对本发明的更改和选择的实施例对考虑本描述的所属领域的技术人员是明显的。因此，将认识到本发明并非受这些实例安排所限制。因此，应当仅作为举例说明并出于向所属领域的技术人员讲授实施本发明的方式的目的来分析本描述。很显然这里显示和描述的本发明的形式是作为当前的优选的实施例。可在实现和结构中作出各种改变。例如，可用等同的元件替换这里描述和阐明的那些元件，并且可以与其它特征相独立地使用本发明的某些特征，所有特征对于获得本发明描述的益处之后的所属领域的技术人员是明显的。此外，这里描述的技术和电路仅仅是示范性的，也可使用同样提供这里描述的概念的益处的其它技术和电路。

Claims (20)

1.一种在具有电压调整的电池支持供电系统中延长电池寿命的方法，该方法包括：
提供要调整的第一电压供电，该第一电压供电至少偶尔由电池资源产生；
提供接收该第一电压供电的电压调整器；以及
产生至少部分关于第一电压供电的电平而变化的可变输出驱动控制电压；
其中输出驱动控制电压关于该第一电压供电的电平的变化延长了电池的寿命。
2.如权利要求1所述的方法，其中该可变输出驱动控制电压控制晶体管的控制端。
3.如权利要求2所述的方法，其中通过改变该输出驱动控制电压来改变晶体管的传导损耗，以便通过改变输出驱动控制电压来改变该电压调整器的效率。
4.如权利要求1所述的方法，其中该第一电压供电偶尔地由AC电源产生。
5.如权利要求4所述的方法，其中该电池支持供电系统包括多个电压调整器，电压调整器具有多个至少部分关于第一电压供电的电平而变化的可变输出驱动控制电压。
6.如权利要求1所述的方法，其中该可变输出驱动控制电压的变化与第一电压供电是反转的关系。
7.如权利要求6所述的方法，其中该第一电压供电偶尔地由AC电源产生，至少偶尔地当第一电压供电由电池资源产生时、然后当第一电压供电由AC电源产生时，该可变输出驱动控制电压具有更大的强度。
8.一种控制电压调整器的输出驱动控制电压的方法，该方法包括：
通过电压调整器提供要调整的第一电压供电；
使用控制单元电压作为用于电压调整器控制电路的至少一部分的控制单元供电；
使用驱动单元电压作为用于电压调整器驱动电路的至少一部分的驱动单元供电，驱动电路对控制电压调整器的输出晶体管的驱动信号进行控制；
改变该驱动单元电压以便该驱动单元电平至少部分取决于第一电压供电的电平；以及
提供来自电压调整器的调整的输出电压，
其中电压调整器的效率取决于驱动单元电压。
9.如权利要求8所述的方法，其中该驱动单元电压在电压调整器的电压调整集成电路外部产生。
10.如权利要求8所述的方法，其中该驱动单元电压在电压调整器的电压调整集成电路内部产生。
11.如权利要求8所述的方法，其中该输出晶体管的传导损耗通过改变驱动单元电压来变化。
12.如权利要求11所述的方法，其中该驱动单元电压的变化与第一电压供电的电平是反转的关系。
13.一种信息处理系统，该系统包括：
第一电压供电，该第一电压供电至少偶尔地由电池资源产生，该第一电压供电具有可变电平；
电压调整器，该电压调整器与第一电压相连接，该电压调整器调整第一电压来提供电压调整器输出电压；
第二电压供电，该电压调整器的控制电路的至少一部分使用该第二电压供电；
可变的第三电压供电，该电压调整器的驱动电路的至少一部分使用该第三电压供电，该驱动电路提供与该电压调整器的输出晶体管控制端相连接的控制信号；
其中可变的第三电压供电的电平取决于第一电压供电的电平。
14.如权利要求13所述的信息处理系统，其中该第一电压供电同样由AC电源产生。
15.如权利要求13所述的信息处理系统，该系统进一步包括多个电压调整器，多个电压调整器的每一个与第一电压供电相连接，多个电压调整器的至少两个或更多个的每一个具有由每个电压调整器驱动电路使用的可变的电压供电，其中可变的电压供电的电平关于第一电压供电而变化。
16.如权利要求13所述的信息处理系统，该系统进一步包括在外部提供给电压调整器集成电路的电平调节电路，该电平调节电路具有作为输出的可变的第三电压供电。
17.如权利要求13所述的信息处理系统，其中该可变的第三电压供电在电压调节器集成电路的内部产生。
18.如权利要求13所述的信息处理系统，其中输出晶体管是第一MOSFET器件，该MOSFET器件的MOSFET传导损耗关于可变的第三电压供电的电平而变化。
19.如权利要求18所述的信息处理系统，该系统进一步包括第二MOSFET器件，第一和第二MOSFET器件的每一个接收关于第一电压供电的电平而变化的可变栅极控制信号。
20.如权利要求13所述的信息处理系统，其中第二电压供电具有恒定的电平。
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