CN101076771A

CN101076771A - 电源管理电路和方法

Info

Publication number: CN101076771A
Application number: CNA2005800142783A
Authority: CN
Inventors: 高勇; 梁少峰
Original assignee: APEXONE MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: APEXONE MICROELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2005-04-30
Filing date: 2005-04-30
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2025-04-30
Also published as: CN100451920C; WO2006133594A8; WO2006133594A1

Abstract

一种电子设备(10)，具有电源管理电路(20)，响应于用户是否触摸设备(10)而将设备(10)开关。电源管理电路(20)包括覆盖有设备(10)的绝缘外壳(216)的导电板(214)。当用户触摸设备(10)时，用户的身体和导电板(214)构成感应电容器(213)。感应电容器(213)和基准电容器(215)周期性地充放电。比较电路元件(230)比较两个电容器(213，223)之间的电压，以确定用户是否正在触摸设备(10)，并相应地生成将设备(10)开关的控制信号。

Description

电源管理电路和方法

技术领域

本发明总的说来涉及电源管理电路和方法，更具体来说，涉及一种用于管理电子设备中的工作和功耗的电路和方法。

背景技术

由于要求电池更换或充电之间有更长的间隔，在例如手提电脑、个人数字助理(PDA)、平板电脑、手机和无线电脑外围设备等的便携式电子设备中的电源管理变得越来越重要。举例来说，例如计算机鼠标或者跟踪球装置的无线光标控制(指示)设备中包括电池电源，并提供了无线数据连接，例如红外或RF发送/接收器对。若没有有效的电源管理，这种无线设备的持续工作将迅速耗尽设备中有限的电池电量。很多电子设备通常都处于通电状态，以备随时使用，但在很长的时间段内所处的却是空闲状态。这提供了通过使用节电模式来降低电池电量消耗的机会。有效的电源管理能够在电池更换或充电之间，在很大程度上增加电池电量的寿命。

运动感测提供了一种在电源管理中对设备(例如，无线鼠标)的使用进行检测的方法。运动感测可通过跟踪球和相关联的编码轮或光学跟踪来实现。响应于感测到鼠标正在移动，电源系统进入数据传送和处理的工作模式。如果鼠标在一定时间(例如，5秒)内没有移动，电源管理系统就进入能耗和信号处理速度降低的省电模式。在经过较长时间间隔(例如，10秒)后，鼠标仍然没有移动，则电源管理可进入更低功耗的休眠状态。在休眠状态中，鼠标内的信号处理电路处于功耗最小的睡眠状态。当检测到鼠标移动时，电源管理系统进入工作状态，并唤醒信号处理电路。如果鼠标在很长时间内(例如，20秒)都没有移动，那么电源管理系统关闭信号处理电路，进入关机状态。在关机状态中，电源管理系统中只有运动感测电路有效并消耗电能。

电容感测提供了检测鼠标使用的另一种方法。例如，美国专利第6,661,410号披露了一种电容感测式电源管理系统，它包括与基准电压源相连的勺形电容器(scoop capacitor)和桶形电容器(bucketcapacitor)。当操作者用他/她的手或其他身体部位触碰鼠标时，操作员将变成勺形电容器的另一极板。电源管理系统有选择地对勺形电容器和桶形电容器充电。两个电容器之间的电荷转移在与勺形电容器的电容相关联的情况下改变了桶形电容器上的电荷。然后将桶形电容器上的电荷与一阈值比较，以确定操作员是否正在触碰鼠标。像运动感测式电源管理系统一样，电容感测式电源管理系统通常也具有多种状态，例如，工作状态、省电状态、休眠状态、关机状态。

在关机状态期间，运动感测或电容感测电路是设备中唯一工作的电路。对于在大部分时间都处于空闲状态的设备(例如，无线鼠标)来说，感测电路的功耗对于设备的功率效率至关重要。现有技术中的运动感测和电容感测电路通常具有大约100微安的无功电流。此外，现有技术中的运动感测和电容感测通常比希望的慢。对工作和关机模式之外的省电模式和休眠模式进行编程实现了功率节省和快速响应速度的兼容。在省电模式或休眠模式中，信号处理电路并没有完全切断。因此，设备在省电或休眠模式中对于人的指令的响应速度比关机模式快。

因此，希望实现具有简单可靠的电源管理电路的设备和用于有效地管理设备的功耗的方法。希望设备的无功功耗较小。还希望电源管理电路在将设备从空闲状态变为工作状态时具有短的响应时间。进一步希望当设备没有使用时能够立即进入高效率的空闲状态。

附图说明

图1示出了具有根据本发明的电源管理电路的设备的框图；

图2示出了根据本发明的电源管理电路的示意图；以及

图3示意性示出了设备的一部分，并示出了根据本发明的电源管理电路中的感应电容器的形成。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的各个实施例，在附图中，相似结构或功能的元件在整个附图中用相同的附图标号表示。应该注意的是，这些附图仅仅是为了方便描述本发明的优选实施例。它们不是为了穷尽地描述本发明或限定本发明的范围。此外，附图不一定按比例绘成。

图1示出了具有根据本发明的电源管理电路20的设备10的框图。设备10可以是任意种类的具有电源管理能力的电子设备。根据本发明，如果设备10是依靠电池电源工作的设备，电路管理电路20尤其有用。举例来说，设备10可以是个人数字助理(PDA)、无线遥控设备、便携式音频设备、无线数据传输处理设备等。根据本发明的具体实施例，设备10在下文中以用于计算机的无线鼠标进行描述。

无线鼠标设备10包括电池11和数据处理元件12。数据处理元件12可包括数字信号处理器、数模转换器、模数转换器、射频(RF)或红外(IF)信号发送接收器等。电池11为数据处理元件12的操作提供能量。电源管理电路20与数据处理元件12的控制端子14相连，用于向数据处理元件12传送控制信号。根据本发明的优选实施例，数据处理元件12具有打开状态和关闭状态。从电源管理电路20传送到控制端子14的控制信号使数据处理元件12在打开和关闭状态之间切换。

图2示出了根据本发明的电源管理电路20的示意图。电源管理电路20具有与设备10中的数据处理元件12的控制端子14(如图1所示)相连的输出端子245。响应于设备10是否正在使用，电源管理电路20在输出端子245上生成控制信号，使数据处理元件12在打开状态和关闭状态之间切换，从而保持设备10的效率。

电源管理电路20包括时钟信号发生器202。根据本发明，时钟信号发生器202可包括任意种类的振荡信号发生器。例如，电阻-电容(RC)振荡器、晶体振荡器等都可用作时钟信号发生器202。根据本发明的各个实施例，时钟信号的频率可处于几千赫兹到几百万赫兹的范围。然而，更高或更低的时钟信号频率同样落入本发明的保护范围之中。时钟信号发生器202的时钟信号被传送给电源管理电路20中的开关212和222的控制端。根据本发明的优选实施例，开关212和222为场效应晶体管(FET)或双极晶体管(BJT)，时钟信号被传送给FET的栅极或者BJT的基极。开关212和222分别与电容器213和223并联连接。电源管理电路20还包括电流源211和221。电流源211与开关212和感应电容器213的并联组合串联。与此类似，电流源221与开关222和电容器223的并联组合串联。在本发明的具体实施例中，电流源211和221生成的电流基本上彼此相等。当开关212和222打开时，电流源211和221分别对电容器213和223充电。当开关212和222闭合时，来自电流源211和221的电流绕过电容器213和223流至地线205。此外，闭合的开关212和222使电容器213和223放电。

根据本发明，电源管理电路20中的电容器213感测设备10是否正在使用。电路示意图图2示出了电容器213包括两个极板214和215。一个导体用作电容器213的一个极板214，它也被称作感测板。电源管理电路20的物理结构只包括电容器213的一个极板214。当设备10正在使用时，用户的身体用作电容器213的另一极板215。图3示意性示出了设备10的一部分，并示出了电容器213的形成。设备10包括覆盖电容器213的极板214并与其接触的介质层216。举例来说，介质层216是设备10的外壳、壳体、或外罩的一部分。虽然设备的外壳可以包括各种类型的材料，例如，塑料、金属等，但覆盖感应电容器极板214的外壳部分，即图3所示的介质层216，优选由绝缘介质材料制成。由于其绝缘性、价格便宜、以及很容易制成各种形状和颜色，塑料是用于包装设备10的常用材料。图3示出了作为根据本发明实施例的、平极板形式的感应电容器极板214。这并不是为了限制本发明的保护范围。根据本发明，电容器213的感应电容器极板214可具有不同的形状和大小。此外，极板214可包括彼此电连接的一个以上的导体。例如，极板214可包括与设备10的外罩的形状共形的一个或多个导体。当用户触摸设备10的外罩时，用户身体的一部分，例如图3中所示的手指，与覆盖感应电容器极板214的设备10的外壳相接触。如果接触区域与覆盖极板214的介质层216有重叠，则用户身体的这部分就将用作电容器213的另一极板215。用户身体的其他部分用作地线205(见图2所示)。

应该指出，当用户触摸设备10时，用户的身体起导体的作用。根据本发明，用户触摸设备10的范围并不限于用户身体与设备10直接接触。它覆盖了与介质层216接触的任意导电物体，起到感应电容器213中极板215的作用。

回到图2，电源管理电路20还包括比较模块230，用于比较电容器213和223之间的电压差。根据本发明的优选实施例，比较模块230包括差分放大器234。电容器213和223分别与差分放大器234的第一输入端231和第二输入端232相连。差分放大器234的输出端235与电容器238(也称作积分电容器)的第一极板连接。电容器238的第二极板连至地线205。电容器238的第一极板还与比较模块230中的比较器244的第一输入端相连。比较器244的第二输入端连接基准电压243。比较器244的输出端用作比较模块230的输出端，并与电源管理电路20的输出端子245相连。

应注意，比较模块230的结构不限于上文所述以及图2中所示的情况。根据本发明，比较模块230可以是能够比较输入端231和232上的电压脉冲信号并生成表示电压脉冲信号较高的输出信号的任意电路元件。

操作时，时钟信号发生器202以时钟信号频率的速度，周期性地打开和闭合开关212和222。根据本发明的优选实施例，开关212和222的开合状态基本上是彼此同步的。因此，电容器213和223周期性并基本同时地充电和放电。电容器213(也称作感应电容器)的电容根据设备10是否与用户接触而改变。另一方面，电容器223(也称为基准电容器)的电容基本恒定。比较模块230比较感应电容器213和基准电容器223的电容，以确定设备10是否正在使用，然后生成控制信号，从而相应地将数据处理元件12在开关状态之间切换。

当用户没有触摸设备10时，用户的身体(起到图3中电容器213的极板215的作用)远离极板214。此外，极板215不仅通过介质层216，还通过空气间隙与极板214分离。由于空气的低介电常数，因而感应电容器213的电容远小于基准电容器223的电容。在开关212和222打开的时钟信号相位期间，差分放大器234的输入端231上的电压上升比输入端232快。响应于输入端231上的较高电压(例如是非反相输入)，差分放大器234在输出端235上产生一个高电压。在开关212和222关闭的时钟信号相位期间，输入端231和232上的电压都返回至接地电压电平。因此，差分放大器234在输出端235上产生高电压脉冲信号。这些脉冲的频率等于电容器213和223充电放电的频率。电容器238对来自差分放大器234的高电压脉冲信号积分。具体来说，差分放大器234的输出端235上的高电压脉冲不断对电容器238充电，从而在比较器244的第一输入端产生高电压。比较器234将其第一输入端上的电压与其第二输入端上的基准电压243相比较。响应于第一输入端上的输入(例如是反相输入)高于第二输入端上的输入(例如是非反相输入)，比较器244在电源管理电路20的输出端子245上产生低电压信号。该低电压信号(例如为0的二进制值)传送给数据处理元件12的控制端子14。响应于控制端子14上的二进制零，数据处理元件12进入功耗基本为0的关闭状态。

当用户触碰设备10时，如图3所示，用户的身体(起到电容器213中极板215的作用)与设备10的外壳(用作电容器213中的介质层216)接触。因为极板215靠近极板214以及介质层216所具有的介电常数，所以感应电容器213的电容远大于当用户没有触摸设备10时感应电容器213的电容。根据本发明的优选实施例，当用户触碰设备10时，感应电容器213的电容大于基准电容器223的电容。在开关212和222打开的时钟信号相位期间，差分放大器234的输入端231上的电压上升比输入端232慢。响应于输入端231上的较低电压(例如是非反相输入)，差分放大器234在输出端235上产生低电压。在开关212和222闭合的时钟信号相位期间，输入端231和232上的电压都返回至接地电压电平。因此，差分放大器234在输出端235上产生低电压脉冲信号。该脉冲的频率等于电容器213和223充电放电的频率。电容器238对来自差分放大器234的低电压脉冲信号进行积分。具体来说，差分放大器234的输出端235上的低电压脉冲不断对电容器238放电，并在比较器244的第一输入端上产生低电压。比较器244将其第一输入端上的电压与其第二输入端上的基准电压243进行比较。响应第一输入端上的电压(例如是反相输入)低于第二输入端上的基准电压243(例如是非反相输入)，比较器244在电源管理电路20的输出端子245上产生高电压信号。该高电压信号(例如为1的二进制值)被传送给数据处理元件12(示于图1)的控制端子14，并将数据处理电路12切换至打开和工作状态。

因此，设备10在不与用户接触时处于关闭状态。在关闭状态期间，电源管理电路20是设备10中唯一消耗能量的部件。电源管理电路20的性能和功耗取决于控制开关212和222分别对感应电容器213和基准电容器223充电放电的时钟信号的频率。高的频率通常得到高的性能和高的功耗。根据本发明的各个实施例，时钟信号的频率的范围为从几百赫兹到几百万赫兹。在优选实施例中，时钟信号的频率为几千赫兹。时钟信号发生器202通常包括振荡器，它可以是简单的电阻电容(RC)振荡器、电压控制振荡器、电流控制振荡器、晶体振荡器等。在优选实施例中，由于芯片(on-chip)RC振荡器的简单和功率效率，时钟信号发生器202包括这样的芯片RC振荡器。

电源管理电路20的性能和功耗还取决于电流源211和221、感应电容器213和基准电容器223、差分放大器234、积分电容器238、基准电压243和比较器244的特性。例如，小电容的积分电容器238具有短的充放电时间，使电源管理电路20具有快速响应时间。小电容的积分电容器238还可使电源管理电路20的功耗较小。此外，大电流电源211和221将加快感应电容器213和基准电容器223的充电速度。根据本发明，电路设计者可调整电源管理电路20中各个设备的参数，以实现期望的响应时间和性能。

当用户不与设备10接触时，感应电容器213的电容基本为零，起到如图3所示的与介质层216接触的极板215的作用。当用户触碰设备10时，感应电容器213的电容由介质层216的厚度和介电常数以及极板214的面积决定。介质层216通常用塑料材料制成。为了使用户的身体构成感应电容器213的极板215，用户必须触摸设备10上位于极板214正上方的区域。为了通过触碰设备10的外壳上的各个点都能开启信号处理元件12，感应电容器213可在设备10的外壳下的不同位置具有多个导电板。在该实施例中，触碰设备10的用户身体和位于接触点正下方的导电板构成了感应电容器213。在可选实施例中，与设备10的外壳共形并接触的一片导电材料构成感应电容器213的极板214。

到此为止，应意识到已提供了一种用于有效管理电子设备的电路和方法。根据本发明，设备中的电源管理模块响应于用户触碰设备而打开设备中的功能电路，并且，当用户不触碰设备时关闭功能电路。因此，设备在不使用时处于关闭状态。与现有的电源管理电路相比，该电源管理电路结构简单、响应快速、并且能耗效率高。由于其快速的响应时间，通常不需要功能电路具有多种省电状态，例如待机状态、休眠状态、睡眠状态等。开和关这两种状态就足以实现设备的高效操作。当设备不工作时，电源管理电路是设备中唯一消耗能量的部分。根据本发明的电源管理电路具有处于例如几微安到几十微安范围的小电流。在关闭状态时，设备中的功能电路能够被完全断电，因此基本上不消耗能量。

虽然上文描述了本发明的多个具体实施例，但它们并不是为了限定本发明的范围。本发明涵盖了那些对本领于技术人员来说显而易见的、已描述的实施例的各种修改和变化。例如，虽然说明书中结合无线鼠标描述了电源管理电路和方法，但本发明涵盖了各种电子设备中的电源管理和控制。同样，设备中的功能电路具有开和关两种状态。这并没有限定本发明的范围。根据本发明，能够具有多种状态。此外，上文描述的电源管理电路和方法不限于电源管理方面的应用。根据本发明，它们能够很容易地进行改装，在其他应用中用作控制电路，例如生成用于控制电路元件的功能的控制信号。

Claims

1.一种用于控制电路元件的控制电路，包括：

第一电流源；

与所述第一电流源相连的导电板；

覆盖所述导电板的介质层；

第一开关，具有与所述导电板相连的第一电极和接地的

第二电极；

第二电流源；

电容器，具有与所述第二电流源相连的第一电极和接地的第二电极；

第二开关，具有与所述电容器的第一电极相连的第一电极和与所述电容器的第二电极相连的第二电极；以及

比较模块，具有与所述导电板相连的第一输入端、与所述电容器的第一电极相连的第二输入端、和与所述电路元件的控制端子相连的输出端。

2.根据权利要求1所述的控制电路，所述第一开关和所述第二开关都具有连接用来接收时钟信号的控制电极。

3.根据权利要求1所述的控制电路，响应于用户触摸所述介质层，所述用户和所述导电板构成了感应电容器。

4.根据权利要求1所述的控制电路，所述比较模块包括差分放大器，所述差分放大器具有与所述导电板相连的第一输入端、与所述电容器的第一电极相连的第二输入端、和与所述比较模块的输出端相连的输出端。

5.根据权利要求4所述的控制电路，所述比较模块还包括比较器，所述比较器具有与所述差分放大器的输出端相连的第一输入端、与基准电压相连的第二输入端、和与所述比较模块的输出端相连的输出端。

6.根据权利要求5所述的控制电路，所述比较模块还包括积分电容器，所述积分电容器具有与所述差分放大器的输出端相连的第一电极和接地的第二电极。

7.一种电子设备，包括：

用绝缘材料制成的外壳；

功能电路，具有用于接收控制信号的控制端子，从而响应于所述控制信号使所述功能电路在第一状态和第二状态之间切换；以及

电源管理电路，包括：

第一电流源和第二电流源；

导电板，位于所述外壳的至少一部分下方，并与所述第一电流源相连；

电容器，连接在所述第二电流源和地之间；

第一开关，连接在所述导电板和地之间；

第二开关，与所述电容器并联；

时钟信号发生器，与所述第一开关和所述第二开关的控制电极相连；以及

比较模块，具有与所述导电板相连的第一输入端、与所述电容器相连的第二输入端、和与所述功能电路的所述控制端子相连的输出端，其中，当第一输入端上的第一电压脉冲高于第二输入端上的第二电压脉冲时，所述比较模块生成第一控制信号，而当所述第一电压脉冲低于所述第二电压脉冲时生成第二控制信号。

8.根据权利要求7所述的电子设备，其中：

当导电物体与位于所述导电板上方的所述外壳相接触时，所述导电物体与所述导电板构成电容大于所述电容器的电容的感应电容器；以及

当没有导电物体与位于所述导电板上方的所述外壳接触时，所述感应电容器的电容小于所述电容器的电容。

9.根据权利要求8所述的电子设备，其中；

当所述感应电容器的电容大于所述电容器的电容时，所述比较模块生成将所述功能电路切换至打开状态的第一控制信号；以及

当所述感应电容器的电容小于所述电容器的电容时，所述比较模块生成将所述功能电路切换至关闭状态的第二控制信号。

10.根据权利要求7所述的电子设备，其中，所述比较模块包括：

差分放大器，具有与所述导电板相连的第一输入端、与所述电容器相连的第二输入端、与所述比较模块的输出端相连的输出端；以及

积分电容器，连接在所述差分放大器的输出端和地之间。

11.根据权利要求9所述的电子设备，其中，所述比较模块还包括比较器，所述比较器具有与所述差分放大器的输出端相连的第一输入端、与基准电压相连的第二输入端、和与所述比较模块的输出端相连的输出端。

12.根据权利要求7所述的电子设备，其中，所述导电板包括至少一个导电板，所述至少一个导电板位于所述外壳的至少一个位置之下，并彼此相连。

13.根据权利要求7所述的电子设备，其中，所述导电板包括与所述外壳共形的导电板。

14.根据权利要求7所述的电子设备，其中，所述时钟信号发生器包括芯片电阻-电容振荡器。

15.一种用于设备的电源管理方法，包括：

提供具有基准电容的基准电容器；

提供包括导电板的感应电容器，所述导电板位于所述设备的介电外壳之下，当没有用户与所述设备接触时，所述感应电容器具有小于所述基准电容的第一电容，而当用户接触所述设备的所述介电外壳时，所述感应电容器具有大于所述基准电容的第二电容；

将所述感应电容器的电容与所述基准电容进行比较；

当所述感应电容器具有小于所述基准电容的所述第一电容时，将所述设备的功能电路切换至关闭状态；以及

当所述感应电容器具有大于所述基准电容的所述第二电容时，将所述功能电路切换至打开状态。

16.根据权利要求15所述的电源管理方法，将所述感应电容器的电容与所述基准电容进行比较包括：

对所述感应电容器和所述基准电容器充电；以及

将所述导电板的电压与所述基准电容器上的电压进行比较。

17.根据权利要求15所述的电源管理方法，将所述感应电容器的电容与所述基准电容进行比较包括：

对所述感应电容器和所述基准电容器周期性充电和放电；

比较所述导电板上的第一脉冲信号和所述基准电容器上的第二脉冲信号；

响应于所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号之间的第一关系，对积分电容器充电；以及

响应于所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号之间的第二关系，对积分电容器放电。

18.根据权利要求17所述的电源管理方法，将所述感应电容器的电容和所述基准电容进行比较还包括，将所述积分电容器上的电压与基准电压进行比较。

19.根据权利要求18所述的电源管理方法，将所述感应电容器的电容与所述基准电容进行比较还包括：

当所述积分电容器上的电压高于所述基准电压时，生成第一控制信号；以及

当所述积分电容器上的电压低于所述基准电压时，生成第二控制信号。

20.根据权利要求19所述的电源管理方法，

将所述设备的功能电路切换至关闭状态包括，响应于所述第一控制信号关闭所述功能电路；以及

将所述设备的功能电路切换至打开状态包括，响应于所述第二控制信号接通所述功能电路。