CN105075044A - 利用无损稳态操作的瞬变抑制 - Google Patents

利用无损稳态操作的瞬变抑制 Download PDF

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Abstract

电源通过存储在瞬变中预期的最大电荷并在瞬变事件期间以与瞬变相等但是相反数量的速率释放电荷，来有效地抑制瞬变电压，从而防止电池电压骤降。与用于瞬变抑制的传统结构相比，所描述的电源提供了改善的效率，从而增加了电池充电之间的时间长度，并实现了更好的用户体验。

Description

利用无损稳态操作的瞬变抑制
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年3月13日提交的、VikasVinayak和SergeFrancoisDrogi的、题为“TransientSuppressionwithLosslessSteadyStateOperation(利用无损稳态操作的瞬变抑制)”的美国临时专利申请第61/780,192号的权益，通过引用将其内容合并于此。
技术领域
在这里公开的实施例涉及电源，且更具体地，涉及管理电源中的瞬变负载电流(transientloadcurrent)。
背景技术
诸如笔记本计算机、智能手机及平板电脑之类的现代移动设备典型地包括可充电电池，以为内部电子器件供电。经常，使得所述电池尽可能地小，以便使移动设备更小和更轻。因此，这些电池具有有限的容量和有限的能力来将电流输送到负载。
电池输送电流的能力是通过电池的内阻来量化的。当电池没有连接到任何负载电路时，它将在其两端处展示出特定电压，该特定电压被称为“开路电压”。当负载电路与电池连接时，电流从电池流经负载电路。电流的这种升高导致电池两端的电压下降至其开路电压以下。对于给定的负载电流，具有更大内阻的电池将产生更大的电压下降。
这些负载电流在包含有从单电池运行的、比如应用处理器、数字基带处理器、图像处理器等的多个电路的现代电子设备中可能特别大。在启动期间或在产生来自电池的大电流消耗(currentdrain)的其它瞬变状态(transientcondition)下，电池的电压可能降低，直到该电压不再足以维持负载电路的运行为止，从而引发整个设备重置。
发明内容
附图说明
通过结合附图来考虑以下详细描述，可以容易地理解在这里公开的实施例的教导。
图1是图示了负载瞬变抑制电路的第一实施例的电路图。
图2是图示了与负载瞬变抑制电路的操作相关联的示例波形的波形图。
图3是图示了负载瞬变抑制电路的第二实施例的电路图。
具体实施方式
仅仅借助于说明，附图和接下来的描述涉及各种实施例。应该注意到，根据接下来的讨论，将容易地把在这里公开的结构和方法的替换实施例认为是可以采用的可行替换方案，而不脱离在这里讨论的原理。
现在，将对于几个实施例详细地做出参考，在附图中图示了所述实施例的示例。注意到，只要可行，相似的或同样的附图标记可以使用在附图中，并且可以指示相似的或同样的功能。仅仅为了说明的目的，附图描绘了各种实施例。根据接下来的描述，本领域技术人员将容易地认识到，可以采用在这里所说明的结构和方法的替换实施例，而没有脱离在这里所描述的原理。
电源通过存储电荷并且在瞬变事件期间以与瞬变基本上相等但是相反数量的速率释放电荷，来有效地抑制瞬变电压，从而防止电池电压骤降(collapse)。在一个实施例中，所存储的电荷包括在瞬变中预期的最大数量的电荷，或者该预期的最大值的预定义范围内的电荷。与用于瞬变抑制的传统结构相比，所描述的电源提供了改善的效率，从而增加了电池充电之间的时间长度，并实现了更好的用户体验。
图1图示了与电池110和电子设备130并联耦接的负载瞬变抑制电路120的第一实施例。电池110在图1中表示为产生电压Vo的电压源102和内部电阻器R4，从而得到与电子设备130耦接的总电池电压Vdd。负载瞬变抑制电路120确保在瞬变负载状态期间，电压Vdd不降低至阈值电压(例如，电子设备130的最小工作电压)以下。
负载瞬变抑制电路120包括运算放大器X1、电容器C3-C4、电阻器R3、及运算放大器输入电路140，该运算放大器输入电路140包括电容器C1-C2、电阻器R1-R2和电压减法电路104。运算放大器输入电路140产生提供给运算放大器X1的差分电压V+、V-，以在瞬变状态下供应正的差分电压以及在额定状态(nominalcondition)下供应负的差分电压。电压减法电路104可以使用比如电压减法配置中的差分放大器之类的任何传统技术来实现。在额定负载状态期间，由于电压降V1，使得运算放大器X1的正输入节点的电压V+低于负输入节点的电压V-。因此，在额定状态期间，运算放大器X1的输出导接(rail)到地(例如，Vout＝0V)。因此，在额定状态期间，运算放大器X1不传导或消耗除其偏压电流(biascurrent)外的任何电流。运算放大器X1的供电端接收供电电压Vcc。在额定状态下，所述供电电压Vcc接近Vdd，并且C4和C3两者都充电到大约Vdd。假设R4很小，则Vdd约为Vo。
在其中设备电流Iout大幅攀升(spikeup)的瞬变状态下，由于电池110的内部电阻器R4，使得电压Vdd将开始下降。这会引起运算放大器X1负输入节点的电压V-及正输入节点的V+以与R1C1和R2C2的相应时间常数相关的相应速率下降。选择电阻器R1、R2和电容器C1、C2的值，使得τ1＝R1C1<<τ2＝R2C2，其中，τ1为与运算放大器X1负输入节点耦接的电阻器R1和电容器C1的RC时间常数，而τ2为与运算放大器X1正输入节点耦接的电阻器R2和电容器C2的RC时间常数。由于时间常数的不同，使得运算放大器X1负输入节点的电压V-比运算放大器X1正输入节点的电压V+下降得更快，且V-下降至V+以下。这导致在瞬变负载状态期间运算放大器X1的输出电压Vout上升至0V以上。然后，随着电流开始通过Vout流经电容器C3，Vdd被推动回升。
来自运算放大器X的电流源自于运算放大器X1的电源电压Vcc。为了提供该电流，C4开始放电。电阻器R3确保从C3流出的电流使Vdd升压且不对C4充电。C3和C4将继续把输出电压维持在Vdd处，直到两个电容器都大致为Vo/2(假设C3＝C4)为止。选择C3和C4的值，使得它们两端的电压都不达到Vo/2，直到瞬变期的结束为止。一旦瞬变期结束，电容器C3和C4就缓慢地充电恢复至大约Vo。
为了达到期望的功能，R3通常大于R4。如果R3太小，则电容器C3泵出(pumpout)的电荷可能被电阻器R3大部分地消耗(dissipate)。而如果R3比R4大，那么来自电容器C3的多数电荷将流向设备130。然而，R3的值越大，在瞬变事件之后给电容器C4再充电的时间将会增加。因此，R3的准确值可以基于期望的折衷(tradeoff)来确定。
图2图示了用于表现图1的负载瞬变抑制电路120的操作的示例波形。在本示例中，电池110在瞬变状态下产生Vo＝3V的电压且具有R4＝0.5欧姆(ohm)的内阻。在额定状态下，电子设备130汲入(draw)100mA的电流Iout，从而导致Vdd＝2.95V。在时间t1处，负载电流Iout大幅攀升至5A，这导致Vdd开始下降。Vdd的下降使得电压V+上升至电压V-以上，这继而导致Vout开始上升。Vout的上升使得Vdd稳定且防止Vdd进一步下降。具体地，在(图2中的时间t1和t2之间的)瞬变状态期间，上升的Vout使得经过电容器C3的电流增加。C3进一步放电，以向设备130提供电流并防止Vdd骤降。Vcc同样随着C4放电而在时间t1和t2之间下降。在时间t2处，瞬变期结束且输出电流Iout下降恢复至100mA。当此发生时，C3和C4开始回充(chargebackup)，从而引发Vout下降及Vcc回升至大约3V。一旦在时间t3处，Vout达到大约0V且电容器C3充满电时，Vdd回升至大约3V。
选择C3和C4的总电容，使得对于给定的电池电压，瞬变电压Vdd总是高于电子设备130的最低工作电压。例如，在上述示例中，700μF的总电容(例如，C3＝C4＝350μF)将确保对于3V电池，Vdd维持在2.7V以上。
图3图示了负载瞬变抑制电路320的替换实施例。在本实施例中，电阻器R3由开关S1(例如，晶体管)替代，该开关基于瞬变事件的检测来控制，但在其他方面，图3的实施例相似于图2的实施例。在一个实施例中，感测电路322通过监测电压Vdd或电流Iout来检测瞬变事件。例如，当Vdd降至阈值电压以下时或当Vdd的变化率的大小超过阈值变化率以下时，感测电路322检测到瞬变状态。替换地，当Iout上升至阈值电流左右时或当Iout的变化率的大小上升至阈值变化率以上时，感测电路322可检测到瞬变状态。响应于检测到瞬变状态，感测电路322将开关S1关断，从而使得运算放大器X1的Vcc节点从电容器C4汲入电流。当感测电路322感测出瞬变状态结束时，开关S1被恢复接通。开关S1在额定状态期间保持接通，从而使得电容器C4回充至大约Vdd。
一旦阅读了本申请，本领域技术人员将领会到用于负载瞬变抑制电路的另外的替换设计。因而，尽管已经图示并描述了具体实施例和应用，但是要理解，在这里讨论的实施例不限于这里公开的确切结构和组件，并且可以在公开于此的方法和装置的安排、操作和细节上做出对于本领域技术人员将是明显的各种修改、改变和变化，而没有脱离本申请的精神和范围。

Claims (20)

1.一种负载瞬变抑制电路，所述瞬变抑制电路耦接到电池电压，所述电池电压向电子设备供电，所述负载瞬变抑制电路包括：
运算放大器，用于在瞬变负载状态期间，通过偏压输入来接收偏压电流，并在所述瞬变负载状态期间，提供输出电流；
偏压电容器，与所述运算放大器的所述偏压输入耦接，所述偏压电容器用于在所述瞬变负载状态期间进行放电，以提供所述偏压电流；
输出电容器，耦接在所述运算放大器的输出和所述电池电压之间，所述输出电容器用于在瞬变负载状态期间提供放电电流给所述电子设备，以防止所述电池电压下降至阈值电压以下；以及
运算放大器输入电路，用于向所述运算放大器的正输入端提供第一电压，并向所述运算放大器的负输入端提供第二电压，其中，在额定负载状态期间，所述第二电压高于所述第一电压，并且其中，响应于所述瞬变负载状态，所述第二电压下降至所述第一电压以下，以使得所述运算放大器在所述瞬变负载状态期间提供所述输出电流。
2.根据权利要求1的负载瞬变抑制电路，其中，所述运算放大器输入电路包括：
第一RC电路，具有第一时间常数，所述第一RC电路用于接收所述电池电压并且输出所述第一电压到所述运算放大器的正极端；以及
第二RC电路，具有第二时间常数，所述第二RC电路用于接收所述电池的输出电压并且输出所述第二电压到所述运算放大器的负极端；
其中，所述第二时间常数比所述第一时间常数大，使得在所述瞬变负载状态期间，给所述运算放大器的所述负极端的所述第二电压下降至给所述运算放大器的所述正极端的所述第一电压以下。
3.根据权利要求2的负载瞬变抑制电路，其中，所述第一RC电路包括：
电压减法电路，用于使得在所述额定负载状态期间，给所述运算放大器的所述正极端的所述第一电压低于给所述运算放大器的所述负极端的所述第二电压。
4.根据权利要求1的负载瞬变抑制电路，进一步包括：
开关，用于在所述额定负载状态期间，将所述电池电压耦接到所述运算放大器的所述偏压输入，并且在所述瞬变负载状态期间，将所述电压电池从所述偏压输入解耦。
5.根据权利要求1的负载瞬变抑制电路，进一步包括：
电阻器，耦接在所述电池电压和所述运算放大器的所述偏压输入之间。
6.根据权利要求1的负载瞬变抑制电路，其中，第一电容器和第二电容器被配置为在所述额定负载状态期间，基于所述瞬变负载状态期间的瞬变电压的预期最大电压降和所述瞬变负载状态的预期最大持续时间，来共同存储一数量的电荷。
7.一种负载瞬变抑制电路，所述瞬变抑制电路耦接到电池电压，所述电池电压向电子设备供电，所述负载瞬变抑制电路包括：
运算放大器，用于接收差分输入电压并响应于所述差分输入电压为正来产生输出电流；
运算放大器输入电路，用于向所述运算放大器提供差分输入，在瞬变负载状态期间，所述差分输入为正，而在额定载荷状态期间，所述差分输入为负；
输出电容器，用于在所述瞬变负载状态期间，响应于所述运算放大器产生的所述输出电流来提供放电电流给所述电子设备，所述放电电流足以防止所述电池电压下降至阈值电压以下。
8.根据权利要求7的负载瞬变电路，进一步包括：
偏压电容器，与所述运算放大器的偏压输入耦接，以在所述瞬变负载状态期间，向所述运算放大器的偏压输入提供放电电流，从而使得所述运算放大器能够提供所述输出电流。
9.根据权利要求8的负载瞬变抑制电路，其中，所述输出电容器和偏压电容器被配置为在所述额定负载状态期间，基于所述瞬变负载状态的电池电压的预期最大电压降和所述瞬变负载状态的预期最大持续时间，来共同存储一数量的电荷。
10.根据权利要求7的负载瞬变抑制电路，其中，所述运算放大器输入电路包括：
第一RC电路，具有第一时间常数，所述第一RC电路用于接收所述电池电压并且输出所述第一电压到所述运算放大器的正极端；以及
第二RC电路，具有第二时间常数，所述第二RC电路用于接收所述电池的输出电压并且输出所述第二电压到所述运算放大器的负极端；
其中，所述第二时间常数比所述第一时间常数大，使得在所述瞬变负载状态期间，给所述运算放大器的所述负极端的所述第二电压下降至给所述运算放大器的所述正极端的所述第一电压以下。
11.根据权利要求10的负载瞬变抑制电路，其中，所述第一RC电路包括：
电压减法电路，用于使得在所述额定负载状态期间，给所述运算放大器的所述正极端的所述第一电压低于给所述运算放大器的所述负极端的所述第二电压。
12.根据权利要求7的负载瞬变抑制电路，进一步包括：
开关，用于在所述额定负载状态期间，将所述电池电压耦接到所述运算放大器的所述偏压输入，并且在所述瞬变负载状态期间，将所述电压电池从所述偏压输入解耦。
13.根据权利要求7的负载瞬变抑制电路，进一步包括：
电阻器，耦接在所述电池电压和所述运算放大器的所述偏压输入之间。
14.一种用于在电源电路中抑制负载瞬变的方法，在所述电源电路中电池电压向电子设备供电，所述方法包括：
通过运算放大器输入电路，向运算放大器提供差分输入，所述差分输入表示所述电子设备的负载状态，并且响应于满足瞬变负载状态，所述差分输入具有第一极性值；
通过所述运算放大器，接收所述差分输入，所述差分输入表示所述电子设备的所述负载状态，并且响应于所述差分输入具有所述第一极性值，产生输出电流；
通过输出电容器，在所述瞬变负载状态期间，响应于在满足所述瞬变负载状态时由所述运算放大器产生的所述输出电流，向所述电子设备提供放电电流，所述放电电流足以防止所述电池电压下降至阈值电压以下。
15.根据权利要求14的负载瞬变电路，进一步包括：
通过偏压电容器，在所述瞬变负载状态期间，向所述运算放大器的偏压输入提供放电电流，以使得所述运算放大器能够提供所述输出电流。
16.根据权利要求15的方法，进一步包括：
通过所述输出电容器和所述偏压电容器，在所述额定负载状态期间，基于所述瞬变负载状态期间的瞬变电压的预期最大电压降和所述瞬变负载状态的预期最大持续时间，来共同存储一数量的电荷。
17.根据权利要求14的方法，进一步包括：
通过具有第一时间常数的第一RC电路，基于所述电池电压来产生第一电压；以及
通过具有第二时间常数的第二RC电路，基于所述电池电压来产生第二电压；
其中，所述第二时间常数比所述第一时间常数大，使得在所述瞬变负载状态期间，给所述运算放大器的负极端的所述第二电压下降至给所述运算放大器的正极端的所述第一电压以下。
18.根据权利要求17的方法，其中，产生第一电压的步骤进一步包括：
从所述第一RC电路的输出减去固定电压，以产生所述第一电压，从而使得在所述额定负载状态期间，给所述运算放大器的所述正极端的所述第一电压低于给所述运算放大器的所述负极端的所述第二电压。
19.根据权利要求14的方法，进一步包括：
控制开关，以在所述额定负载状态期间，将所述电池电压耦接到所述运算放大器的偏压输入，并且在所述瞬变负载状态期间，将所述电压电池从所述偏压端解耦。
20.根据权利要求14的方法，其中，所述电池电压通过电阻器耦合到所述运算放大器的偏压输入。
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