CN103138548B - 使用cpu节流来消除电池纹波以延长运行时间 - Google Patents

使用cpu节流来消除电池纹波以延长运行时间 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用CPU节流来消除电池纹波以延长运行时间。披露了在基于CPU的系统中通过消除电池纹波来延长运行时间的方法，包括通过如下步骤来实现上述方法：提供包括输入管脚的CPU，所述输入管脚能够响应于节流信号的输入而对所述CPU消耗的电力进行节流；响应于CPU的电源上的负载来感测电压减小或电流增大形式的纹波；以及当所述纹波超过预定界限时，提供节流信号给所述输入管脚以对所述CPU节流来降低所述纹波。

Description

使用CPU节流来消除电池纹波以延长运行时间
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年11月29日提交的美国临时专利申请No.61/564617的优先权。
技术领域
本发明涉及延长电池寿命的领域。
背景技术
诸如CPU、RF无线电设备以及LED等电池供电设备以极不连续的方式产生负载突发。因为该负载是突发式的，所以在使用期间，除了经历连续的DC加载之外，电池还经历了重大的AC加载。AC加载导致电池中的较高的RMS(I2R)损耗和较高的电池通道电阻。另外，最终生成的纹波引起系统较早地声明为空并且附加的电池容量保持不被使用。
附图说明
图1是示出了电池纹波导致从电池输送到系统的能量降低的示例图。
图2举例示出了使用LED背光控制来消除来自GSM无线电设备的纹波的实验结果。
图3呈现了可用于对英特尔CPU节流的示例性电路，其具有在系统过热时用于节流控制的PROCHOT管脚。
图4呈现了展示在电池电压下冲纹波目标时的示例性节流特性的时序图。
图5类似于图4，但是图5举例示出了节流对短暂CPU需求的响应。
具体实施方式
如在说明书和随后的权利要求书中使用的，提及的CPU是以一般性意义被使用的，并且CPU包括处理器、数字信号处理器和单个芯片计算机。
电池纹波导致从电池输送到系统的能量降低。这是因为来自脉冲负载的RMS电流平均起来比来自等效DC负载的RMS电流高，如图1中所示。由于电池电阻，更高的RMS电流导致更高的I2R损耗。在所示的实例中，将10％占空比的5amp加载与100％占空比的0.5amp负载进行比较。对于10％占空比的5amp加载，I2R损耗是(5)2R(0.1)或2.5R，这里的0.1是10％占空比并且R是源阻抗。对于100％占空比的0.5amp加载，I2R损耗是(0.5)2R或0.25R，或仅仅是10％占空比的5amp加载的损耗的10％。
通过智能地控制CPU节流以使最终的加载平滑，可以降低电池纹波和相关的能量损耗。如果被适当地控制，CPU节流控制可以以两种不同的方式来消除电池纹波：软启动CPU以传播短暂的瞬时突发、以及使CPU加载与无线电设备和其它加载相协调。如果CPU节流在时间上被限制到10ms以下，则它将不会造成对使用者响应性(迅速性，其不同于稳定的CPU性能)的明显影响。用于降低纹波的CPU节流的想法是根本性的，并且可以通过各种方式来实现该想法，尽管本文针对特定示例性方法描述了该想法。
脉冲加载产生自许多不同的源，例如：
1.3G/GSM无线电设备。GSM无线电设备运行于大约20％的占空比，周期大约为5ms。对于控制这种负载的时刻来说具有小的灵活性或没有灵活性，这是因为它必须与通信需求同步。
2.LED背光调节。背光经常利用低频PWM来调节。这种负载稍微有些灵活性，只要平均亮度在200Hz以下不受影响。例如，以50Hz的任何调制可以被使用者看成闪烁，并且必须避免以50Hz的任何调制。
3.CPU&图形。处理器需求往往是“突发式的”，其最高的需求对应于使用者命令。例如，当使用者点击图标时，CPU访问需求以快速地启动应用程序。但是，CPU需求往往在应用程序被加载之后得到解决。只要在10ms之内可获得峰值CPU功率，这种负载就稍微有些灵活性。较慢的响应影响使用者对设备响应性的感受。
LED背光可以被控制以部分地消除由无线电设备或CPU引起的纹波。CPU功率可以被控制以部分地消除由无线电设备或CPU自身引起的纹波。
已经进行了一个实验，其中使用LED背光控制来消除来自无线电设备的纹波。以1∶10比例在电池、背光和模拟GSM无线电设备上执行了该实验。在图2的下方示出了最终的性能。在图2中，下面的浅灰色区域表示在纹波没有消除情况下的放电时间结果。上面的灰色区域表示在纹波消除情况下的结果，而深灰色区域表示介于这两种情况之间的重叠区域。这个实验展示了显著的运行时间延长：对于3.4V EOL(寿命终止)，具有＞35％的延长的运行时间，而对于3.2V EOL，具有15％的延长的运行时间，假设各自的负峰值将引起系统的停机。
纹波消除
本发明的受让人Maxim Integrated Products，Inc.制造和销售基于RC模型形式的电池电压模型的电池电量测定计(电池状态的充电监视设备)(参见美国专利No.8198863和No.8203305)。这样的电池电量测定计可以将它们的责任扩展得不仅仅监视电池而且还管理电池的使用。控制电池效率是电池电量测定计的自然发展，至少在本发明的一个具体化中。
对于这样的未来ModelGaugeTM集成电路有若干个选项来观察和控制电池纹波：
电流与电压。纹波消除的目标是减少RMS电流。然而，可以控制电池电流或电压来实现这个目标。两种方法都好像不是优选的。本文详细公开的方法是基于电压的，虽然通过使用与电池成直线的感测电阻器上的电压可以容易地将本文详细公开的方法改造成用作基于电流的。对于包括库仑计数器的电池电量测定计，这样的感测电阻器已经是现有的。
AC耦合与DAC阈值。可以通过AC耦合滤波器或利用简单的DAC+比较器观察到纹波。DAC+比较器实际上像降至DC的AC耦合滤波器，而AC耦合滤波器实际上具有固定的频率。DAC阈值方法是优选的，这是因为纹波响应传递函数可以被完全地在数字域内设计，从而允许更大的应用灵活性。
控制输出：节流输出信号可以是模拟、PWM或高频脉动的比特流(脉冲-密度-调制)。由于可以容易地将任何一种数字方法转换成模拟方法，因此PWM或比特流是优选的。
CPU节流和LED节流。理想地，IC可以用于对电池电量测定计IC的LED背光部分或CPU进行节流控制。CPU的节流控制将需要匹配CPU节流输入，该CPU节流输入可以是简单的两个状态输入或可以是成比例的输入，这取决于CPU制造商使用的节流输入管脚特性。输入管脚将CPU设置成完全开启模式或低功率模式或备用模式，而成比例的输入可以逐步地禁止CPU的功能，或将CPU的功能置于低功率状态，或者延迟去往耦合到CPU的设备的命令，这会引起电池电流中的高RMS水平。注意：关闭CPU或将CPU设置在低功率模式本身会引起电流纹波，虽然这随后将会被看到，将以实质上降低电流纹波的方式而有效地调制该动作，该电流纹波部分地归因于电池或多个电池的电力线的电容和电力线上的电容负载。
可以实施一个示例性电路，例如图3中示出的电路，在这个实例中，使用比较器、电阻器-分压器和数字状态机。状态机将管理节流响应算法。
在图3中，比较器直接从电池接收一个输入电压并从电阻器分压器接收第二输入，其中该第二输入由电容器C1延迟或低通滤波。电容器位于电阻器分压器的电压输出端。如果在电池电压上存在某种高频纹波，那么电容器电压将寻求由电压分压器分压下的平均电池电压。对于电池上的恒定负载，从电压分压器输入到正比较器端子的输入将低于比较器的负端子上的未分压输入。这将引起比较器到节流控制状态机的输出为低。然而，当电池上的负载的充足步幅(step)增加被施加时，电池电压将下降至低于由电容器C1延迟的比较器的正端子上的电压，从而引起比较器的输出变为正，这指示需要对CPU节流以减少电池上的负载。
从前面的描述可知，引发CPU节流需求的电池电压增量通常主要取决于电压分压器参数，并且较小程度地取决于电容器C1的电容。还应当注意：如果使用模数转换器对电池电压数字化并且然后利用适当的数字滤波器对数字化后的电池电压进行数字滤波，那么在运行于程序控制之下的电池电量测定计中可以获得相同的效果。这种实施方式的优点在于电池电压的数字化值已经是可利用的，并且或许可以使用已在芯片上的处理设备或至少以固件或处理器形式添加到芯片上的处理设备来实现数字滤波器。这样的实施方式还有不要求电阻器分压器或电容器的优点，并且这样的实施方式可以具有用于数字滤波器的可编程参数，无论被实施成以数字化方式复制所示的模拟系统，还是实施适合于目的的一些其它数字滤波器。事实上，可以将本发明的方法应用于CPU芯片，该CPU芯片自身使用输入到芯片的输入电压(除非通过开关调节器与电池电压隔离)来代替电池电压作为输入，尽管出于各种原因这是不希望的，各种原因包括事实：如果在其它系统资源上实施类似的纹波控制，那么振荡可能发生，该振荡仅仅增加纹波和引起过大的系统噪声，并且或许引起系统的过早停机。因此，用于控制由CPU和其它资源引起的纹波的中央纹波控制系统对于调整纹波控制是最好的。此外，尽管已经关于使用电池电压或CPU电压输入作为主输入描述了本发明，但是也可以根据需要使用电池电流或CPU输入，如通常那样，电压纹波和电流纹波是相关的。
如果采用电流纹波，则符号反转，这是因为电池电压的下降是电池负载电流增加的结果。然而，如果采用CPU电源电压并且该电源通过电压调节器与电池电压隔离，那么采用电流纹波将是更好的。
数字节流控制状态机将包括计数器并且可以使用下列参数：
PWM周期。这个参数定义了PWM节流输出的周期，假设节流输出是PWM信号。事实上，输出的形式将取决于CPU正寻找的对应输入，用于CPU的工作良好的PWM输出可以快速地响应输入。对于32kHz时钟，这可能是1ms或32个时钟。
节流减弱速率。这个参数定义了在节流已经开始之后解除节流的速率。默认值可能是1个计数/周期。因此，对于每一32个时钟周期，占空比下降1个时钟，具有下面的级数：32/32、31/32、30/32、……、1/32、0/32。这意味着CPU将在32ms内被软启动到满功率。
节流返回速率。当CPU已经被切换到其低速模式(节流开启)时，电流消耗将自然地降低，并且电池电压可以向其放松的电平返回。然而，如果立即解除CPU节流，那么电池电压将再次暴跌，这可以导致振荡。该振荡可能是可接受的操作模式，但是它也可能是不合乎要求的。作为替代，在每个PWM周期期间，PWM占空比将按照节流返回速率递增。因此，当返回节流情形时，它将不会立即返回到100％占空比。
节流控制
图4的时序图展示了当电池电压下冲纹波目标时的节流特性。当电池电压初始超过纹波阈值时，在第一个1ms期间利用100％的占空比对CPU节流。对于每一个附加的1ms，节流减少1，直到最终解除节流并且CPU被允许以全速运行，以阻止影响使用者的体验。
最终剩余的纹波电流和电压取决于介于CPU节流输入与电池电流的最终变化之间的响应时间。这个响应时间取决于以下参数：CPU响应、DC/DC输出电容和电池容量。应当根据这个响应来选择PWM周期。如果这个响应非常快，则可以采用1个时钟的PWM周期。在这种运行模式下，节流将在0和1之间振荡以控制电池纹波在阈值周围。
图5类似于图4，但是图5举例说明了节流对短暂CPU需求的响应。当出现CPU需求时，节流开始与图4中一样，节流初始时为完全节流，随后减少节流。在没有纹波消除的情况下，在短暂CPU需求的结束处，短暂CPU需求的能量需求因为节流而没有被满足。因此，节流继续减少直到已经满足了能量需求。这在24/32脉冲的结束处示出。这时，纹波将减少以使得节流控制状态机不再接收高输入，并且因此节流控制状态机将停止节流，从而释放电池上的临时负载。同时，在一个实施例中，不复位占空比计数器，而是占空比计数器开始恢复其计数。利用这种方式，如果在占空比计数器已经返回到32/32之前，短暂CPU需求满足后接跟着另一个短暂CPU需求，则循环将重复，而是在较低计数(较低节流)处开始以快速地满足新需求。
应当注意：这还可以用于CPU需求中的较长步幅(图4)，即使完全节流已经被降低到无节流。本质上，在图5中，当纹波下降到预定界限之下而节流正被逐步地降低或已经被完全地降低，则停止节流(如果有的话)，并且然后将现有的节流(如果有的话)用作朝着完全节流逐步增加的预期的节流。如果在预期的节流达到完全节流之前纹波再次超过预定界限，则再次重新启动节流，该重新启动的节流开始于这时存在的预期的节流界限处。这将降低在较长时间负载仅被短暂中断时的纹波，并且然后返回。当然，在节流期间，如果纹波变为预定界限之下或节流已经被启动并且进入到无节流之后，可以复位状态机，从而准备从完全节流状况重启。
再次，用于降低纹波的CPU节流是根本性的，尽管这里已经针对示例性特定方法对其进行了描述。可以采用各种方式来执行用以降低电池输出中的RMS含量的CPU节流，包括采用硬件、固件或在程序控制下。随后的权利要求书中提及的CPU电源可以是向CPU供电的电池、CPU的电源端子或二者之间的某个点。
尽管出于举例目的而非限制的目的本文已经披露和描述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应当理解可以对其进行各种形式和细节的变化而没有脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用在基于CPU的电池供电系统中的方法，包括通过如下步骤来控制基于CPU的系统中的纹波：
提供包括输入管脚的CPU，所述输入管脚能够响应于节流信号的输入而对所述CPU消耗的电力进行节流；
响应于所述CPU的电池上的负载的充足步幅增加来感测电压减小或电流增大形式的纹波；以及
当所述纹波超过预定界限时，提供节流信号给所述输入管脚以对所述CPU节流来降低所述纹波，从而降低由所述纹波引起的所述电池中的能量损耗以及电池通道电阻。
2.如权利要求1所述的方法，其中对所述CPU节流包括：将所述CPU的操作从当前的电力消耗水平改变到较低的电力消耗水平。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述节流信号是脉宽调制信号。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述脉宽调制信号是以增量进行脉宽调制的。
5.如权利要求4所述的方法，其中当所述纹波超过所述预定界限时，所述脉宽调制信号在一时间增量内提供连续的节流信号，并且然后在此后的连续时间增量内递增地降低所述节流信号，直到节流停止。
6.如权利要求1所述的方法，其中当所述纹波超过所述预定界限时，所述节流信号按照最大量对所述CPU节流，并且然后逐步地降低所述节流。
7.如权利要求6所述的方法，其中当所述纹波继续超过预定界限时，则继续逐步地降低所述节流，直到无节流。
8.如权利要求6所述的方法，其中当所述纹波下降到低于所述预定界限而所述节流正被逐步地降低时，则停止所述节流，并且然后将现有的节流用作朝着完全节流逐步地增大的预期的节流，并且如果在所述预期的节流达到完全节流之前所述纹波再次超过预定界限，则再次重新启动节流，其中重新启动的所述节流开始于这时存在的预期的节流值处。
9.如权利要求6所述的方法，其中当所述节流已经逐步地降低到无节流时，则将无节流用作朝着完全节流逐步地增大的预期的节流，并且如果在所述预期的节流达到完全节流之前所述纹波再次超过预定界限，则再次重新启动节流，其中重新启动的所述节流开始于这时存在的预期的节流值处。
10.如权利要求6所述的方法，其中当所述纹波再次下降到低于所述预定界限而所述节流正被逐步地降低时，则停止所述节流，并且如果所述纹波再次超过预定界限，则再次重新启动节流，其中重新启动的所述节流开始于完全节流界限处，而不考虑在所述纹波下降到低于所述预定界限与再次超过所述预定界限之间的时间。
11.如权利要求6所述的方法，其中当在节流已经逐步地降低到无节流之后所述纹波再次下降到低于所述预定界限时，如果所述纹波再次超过预定界限，则再次重新启动节流，其中重新启动的所述节流开始于完全节流界限处，而不考虑在所述纹波下降到低于所述预定界限与再次超过所述预定界限之间的时间。
12.一种用于控制基于处理器的系统中的纹波的装置，包括：
CPU，其具有输入管脚，所述输入管脚能够响应于节流信号的输入而降低所述CPU消耗的电力；
感应器，其用以响应于所述CPU的电池上的负载的充足步幅增加来感测电压减小或电流增大形式的纹波；以及
状态机，其用以在所述纹波超过预定界限时，提供节流信号给所述输入管脚以对所述CPU节流来降低所述纹波，从而降低由所述纹波引起的所述电池中的能量损耗以及电池通道电阻。
13.如权利要求12所述的装置，其中当所述纹波超过所述预定界限时，所述状态机提供节流信号给所述CPU的所述输入管脚并且然后在此后的连续时间内降低所述节流信号，直到节流停止或所述纹波减少到小于所述预定界限。
14.一种用于控制基于处理器的系统中的纹波的设备，包括：
用于响应于所述CPU的电池上的负载的充足步幅增加来感测电压减小或电流增大形式的纹波的单元；以及
用于当所述纹波超过预定界限时，通过将所述CPU的操作从当前的电力消耗改变到较低的电力消耗来对所述CPU节流来降低所述纹波，从而降低由所述纹波引起的所述电池中的能量损耗的单元以及电池通道电阻。
15.如权利要求14所述的设备还包括；用于当所述纹波超过所述预定界限时，使得按照最大量对所述CPU节流，并且然后逐步地降低所述节流的单元。
16.如权利要求15所述的设备还包括：用于当所述纹波继续超过预定界限时，使得对所述CPU的节流逐步地降低，直到无节流的单元。
17.如权利要求14所述的设备还包括：用于当所述纹波下降到低于所述预定界限而所述节流正被逐步地降低时，使得所述节流停止，并且然后将现有的节流用作朝着完全节流逐步地增大的预期的节流的单元，以及用于如果在所述预期的节流达到完全节流之前所述纹波再次超过预定界限，则使得再次重新启动节流的单元，其中重新启动的所述节流开始于这时存在的预期的节流界限处。
18.如权利要求14所述的设备还包括：用于当所述节流已经逐步地降低到无节流时，使得无节流被用作朝着完全节流逐步地增大的预期的节流的单元，以及用于如果在所述预期的节流达到完全节流之前所述纹波再次超过预定界限，则再次重新启动节流的单元，其中重新启动的所述节流开始于这时存在的预期的节流界限处。
19.如权利要求14所述的设备还包括：用于当所述纹波再次下降到低于所述预定界限而所述节流正被逐步地降低时，使得所述节流停止的单元，以及用于如果所述纹波再次超过预定界限，则再次重新启动节流的单元，其中重新启动的所述节流开始于完全节流界限处，而不考虑在所述纹波下降到低于所述预定界限与再次超过所述预定界限之间的时间。
20.如权利要求14所述的设备还包括：用于当在节流已经逐步地降低到无节流之后所述纹波再次下降到低于所述预定界限时，如果所述纹波再次超过预定界限，则再次重新启动节流的单元，其中重新启动的所述节流开始于完全节流界限处，而不考虑在所述纹波下降到低于所述预定界限与再次超过所述预定界限之间的时间。
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