CN106462174B - 用以最小化切换噪声干扰的方法和装置 - Google Patents

用以最小化切换噪声干扰的方法和装置 Download PDF

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Abstract

功率管理电路生成参考电压，并将其分配到多个独立使能的调节器电压参考电路，每个调节器电压参考电路为电压调节器生成预定电压。单独的使能信号和使能预充电信号被分发给每个调节器电压参考电路。当经由其相关联的使能信号使能调节器电压参考电路时，使能预充电信号也在初始持续时间内有效。每个调节器电压参考电路包括电压设置电路和与之串联并且当调节器电压参考电路被禁用时操作以中断到电压设置电路的电流的第一限流晶体管。第二限流晶体管可配置地与第一限流晶体管配置为电流镜，并且来自电流源的预充电偏置电流通过第二晶体管。这限制在初始持续时间内通过第一晶体管和进入电压设置电路的电流。在初始持续时间之后，电流镜被禁用并且第一晶体管变为完全导通。

Description

用以最小化切换噪声干扰的方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及功率管理电路，并且特别地涉及当使能针对电压调节器生成的禁用参考电压时最小化切换噪声的方法和装置。
背景技术
现代电子设备通常包括各种电气和电子电路。例如，诸如智能电话或平板电脑的计算设备可以包括具有相关联的存储器的一个或多个处理器或数字信号处理器(DSP)电路；用于无线电连接的一个或多个射频(RF)调制解调器电路；显示驱动电路；和各种信号处理电路，诸如卫星定位接收器，音频或视频处理电路；等等。这些不同的电路通常具有不同的电源要求，诸如不同的要求的DC电压电平。
很多现代电子设备是便携式的，并且由电池(可替换电池，诸如碱性电池；或可充电电池，诸如NiCd、NiMH、LiOn等等)供电。在任一种情况下，便携式电子设备的使用寿命受可用电池电力的限制，可用电池电力与设备的使用时长和在该使用期间的电力消耗的水平成比例减少。伴随着每一代的大多数电子设备，由于电子器件的增加的集成和诸如磁盘驱动器的组件部分的小型化，形状因子缩小，而同时增加了新的特征和功能，增加了组件数量和/或计算负荷。这两种趋势加剧了有限可用功率的问题。缩小的设备还迫使电池的尺寸缩小，其通常减小可用的能量存储容量，而同时电池必须为更多的组件供电或以更高的速度驱动处理器。这些因素使得功率管理成为电子设备设计者优化的关键领域。
一个已知的自适应功率管理方法是识别未被用于延长的周期的电路(或子电路)，并且将它们置于低活动状态(还称为“睡眠模式”)，即使设备中的其它电路是完全活跃的。作为一个示例，很多设备的点亮的显示屏将在没有用户交互的(可选择的)持续时间之后关闭。关闭特定的电子电路的直接方式是中断给该电路的供电。因为设备的其余部分仍然活跃，所以需要多个单独使能的电源电路。
图1描绘了一个已知的功率管理系统10的一部分。主电压参考电路12生成和保持精确的参考电压。主参考电压被分配给多个调节器电压参考电路14A、14B、14C。调节器电压参考电路14A-C中的每个通过将主参考电压除以因子K来为下游电压调节器(未示出)生成参考电压，其中K＝[1，无穷大]。例如，调节器电压参考电路14A可以输出12VDC，并且其相关联的电压调节器驱动模拟RF电路；调节器电压参考电路14B可以输出5VDC，并且其相关联的电压调节器驱动离散数字逻辑；调节器电压参考电路14C可以输出3.3VDC，并且其相关联的电压调节器驱动微处理器和存储器。每个调节器电压参考电路14A-C通过控制电路(未示出)经由单独的使能信号来独立使能。相关联的电压调节器可以由与它们的调节器电压参考电路14A-C相同的使能信号来使能/禁用。
图2描绘了关于代表性调节器电压参考电路14N的常见配置。每个调节器电压参考电路14N包括例如电压设置电路，其可以是包括电阻器16、18(其可操作以按预定因子减小参考电压)的电阻分压器网络。通过插入与电压设置电路16、18串联的开关20(诸如，MOSFET晶体管)来提供调节器参考电压输出的选择性使能。开关20通过使能_N信号(可能通过缓冲器22)来进行控制以提供驱动强度并且使信号有效电平符合所使用的特定类型的晶体管。当调节器电压参考电路14N被禁用时，开关20中断流向电压设置电阻器16、18的电流，将输出电压降低到零。系统可以稍后通过接通开关20或经由使能_N信号使它完全导通来使能调节器电压参考电路14N。以这种方式，可以根据需要或要求来单独禁用和使能每个调节器电压参考电路14A、14B、14C(图1)。
图3描绘了图1和2的功率管理系统的有害影响。当代表性调节器电压参考电路14N被使能并且其开关20呈现为导通时，突变负载在主参考电压信号上引起瞬变压降和电流尖峰。这进而在由所有其它当前使能的调节器电压参考电路输出的调节器参考电压信号上引起瞬变压降。在电源线上的这样的噪声可以对相关联的电压调节器并且随后对由电压调节器供电的电路具有有害的影响。例如，电源毛刺可以随机地使一些(但不是全部)数字存储设备改变状态，其可能具有灾难性的后果，因为处理器、状态机、状态寄存器等被定时到未知和非预期状态中。
减轻在使能调节器电压参考电路时的切换噪声的有害影响的现有技术方法包括使用RC滤波器。然而，电阻器和电容器可能在集成电路上消耗大量面积。此外，在很多情况下，切换噪声被传送到RC电容器的接地平面，其可能干扰共享相同接地的敏感电路。
提供本文的背景技术部分以将本发明的实施例置于技术和操作上下文中以帮助本领域技术人员理解其范围和效用。除非明确指出，否则本文不存在仅由于包括在背景技术部分中而被认为是现有技术的内容。
发明内容
下面给出本公开的简要发明内容以便为本领域技术人员提供基本的理解。本发明内容不是本公开的广泛综述并且不旨在标识本发明的实施例的关键/重要元素或描绘本发明的范围。本发明内容的唯一目的是以简要形式呈现本文公开的一些概念作为稍后呈现的更详细的描述的序言。
根据本文描述和要求保护的一个或多个实施例，功率管理电路生成主参考电压并且将其分配给多个独立使能的调节器电压参考电路，其中的每个生成预定的参考电压输出用于由电压调节器使用。单独的使能信号和使能预充电信号被分发给每个调节器电压参考电路。当调节器电压参考电路经由其相关联的使能信号被使能时，使能预充电信号也在初始持续时间内有效(asserted)。每个调节器电压参考电路包括电压设置电路(例如电阻分压器网络)和与之串联的并在调节器电压参考电路被禁用时操作以中断到电压设置电路的电流的第一限流晶体管。第二限流晶体管选择性地与第一限流晶体管配置为电流镜，并且来自电流源的预充电偏置电流通过第二晶体管。这限制通过第一晶体管并且进入电压设置电路的电流，以防止在电流稳定到设计的工作电平之前对寄生电容进行充电的现有技术调节器电压参考电路中出现的大的峰值电流。电流限制有效地降低了电压输出信号的转换(slew)速率，并且使从电压参考输入汲取的瞬时电流最小化。由于预充电，被使能的调节器电压参考电路在接收相同的参考电压的另一当前使能的调节器电压参考电路上引入最小的噪声。在初始持续时间(由使能预充电信号定义)结束时，电流源和第二晶体管被禁用，并且第一限流晶体管将完全的工作电流提供给电压设置电路。
一个实施例涉及功率管理电路。功率管理电路包括操作以生成主参考电压的主参考电压电路以及多个调节器电压参考电路。每个调节器电压参考电路接收主参考电压和使能信号，并且操作以响应于使能信号而输出具有预定电压的信号。每个调节器电压参考电路包括操作以根据参考电压生成预定电压的电压设置电路和与电压设置电路串联的第一限流晶体管。第一限流晶体管响应于使能信号操作以中断到电压设置电路的电流。每个调节器电压参考电路还包括在尺寸上与第一限流晶体管成比例的第二限流晶体管、以及连接第一限流晶体管和第二限流晶体管的切换网络。控制电路操作以控制切换网络将第一限流晶体管和第二限流晶体管耦合为电流镜配置，以在调节器电压参考电路被使能时在初始持续时间内限制提供到电压设置电路的电流。控制电路还操作以使能第一限流晶体管，并在初始持续时间后禁用第二限流晶体管。
另一个实施例涉及选择性地使能调节器电压参考电路的方法，所述调节器电压参考电路包括操作以根据提供的主参考电压生成预定电压的电压设置电路。通过中断到电压设置电路的电流来禁用调节器电压参考电路。在一旦使能调节器电压参考电路的初始持续时间内，到电压设置电路的电流限于预定值。在初始持续时间之后，将设计的工作电流提供到电压设置电路。
附图说明
现在将参考附图来在下文中更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明不应被理解为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。相似的数字在全文指代相似的元件。
图1是现有技术功率管理系统的功能框图。
图2是在图1的现有技术功率管理系统中的调节器电压参考电路的功能框图。
图3是描绘了由使能图2的现有技术调节器电压参考电路引起的噪声的信号图。
图4是根据本发明的一个实施例的功率管理系统的功能框图。
图5是在图4的处于禁用(非工作)状态的功率管理系统中的调节器电压参考电路的功能框图。
图6是图5的处于预充电(初始化)状态的调节器电压参考电路的功能框图。
图7是图5的处于使能(操作)状态的调节器电压参考电路的功能框图。
图8是描绘通过使能图5的调节器电压参考电路而引起的最小噪声的信号图。
图9是描绘图5的调节器电压参考电路在禁用、预充电和使能状态之间的转变的状态图。
图10是选择性地使能(例如，图5的)调节器电压参考电路的方法的流程图。
具体实施方式
首先应当理解的是，尽管以下提供了本公开的一个或多个实施例的说明性实现，但是可以使用任何数量的技术(无论是当前已知的还是存在的)来实现公开的系统和/或方法。本公开绝不限于以下说明的说明性实现、附图和技术(其包括本文说明和描述的示例性设计和实现)，但是可以在所附权利要求的范围及其等同物的全部范围内进行修改。
图4描绘了根据本发明的一个实施例的功率管理电路30。功率管理电路30包括操作以生成并保持精确的主参考电压的主电压参考电路32。主参考电压被分配到多个调节器电压参考电路34A、34B、34C。调节器电压参考电路34A-C中的每个输出预定的调节器参考电压(例如12VDC、5VDC、3.3VDC或某一其它值)。每个调节器电压参考电路34A-C通过控制电路(未示出)经由单独的使能信号来独立使能。每个调节器电压参考电路34A-C还接收单独的使能预充电信号，其定义当调节器电压参考电路34A-C从禁用状态使能时的初始持续时间，在其期间调节器参考电压信号“斜坡上升”到其预定值，呈现扩展的转换速率。
图5描绘了代表性的调节器电压参考电路34N。调节器电压参考电路34N包括电压设置电路，其可以包括由电阻器36、38形成的操作以将主参考电压减小到预定调节器参考电压的电阻分压器网络。第一限流晶体管40(M1)插入与电压设置电阻器36、38串联，并且当经由使能_N信号禁用调节器电压参考电路34N时操作以中断到电压设置电阻器36、38的电流。第一限流晶体管40由切换网络48进行控制，切换网络48响应于使能_N输入和使能_N预充电输入而改变状态。如在图5中描绘的，开关s3闭合并且开关s1断开，将第一晶体管40的栅极连接到其源极处的主参考电压，因此使得晶体管40呈现不导通。图5因此描绘了处于禁用(非工作)状态的调节器电压参考电路34N。
本发明的实施例减小当调节器电压参考电路34N从禁用状态使能时引入到主参考电压信号上、并且因而是在接收它的其它调节器电压参考电路的调节器参考电压输出上的瞬变效应。为了实现这一点，通过第一限流晶体管40提供到电压设置电阻器36、38的电流在初始持续时间内受到限制。这允许晶体管40的负载侧能够平滑地充电。为了实现这种限流，调节器电压参考电路34N还包括第二限流晶体管44(M2)，其可以被配置为与第一限流晶体管40呈电流镜关系，如在图6中描绘的。在切换网络48的这种配置中，开关s2闭合并且s1、s3和s4断开；因此，两个晶体管40、44的源极节点和栅极节点连接在一起(并且第二晶体管44通过连接其栅极节点和漏极节点而被配置为二极管)。
第二晶体管在硅上与第一晶体管40成对，并且晶体管40、44在尺寸上成比例。例如，晶体管40、44可以具有相同的栅极长度；然而，第一晶体管40的栅极宽度WM1可以是第二晶体管44的栅极宽度WM2的大的倍数。在电流镜配置中，根据以下公式，第一晶体管40的漏极电流IM1与第二晶体管44的漏极电流IM2成比例，
通过开关s5连接到第二晶体管44的电流源46在由使能_N预充电输入信号使能时生成预定预充电偏置电流。这也是第二晶体管44的漏极电流IM2。当调节器电压参考电路34从禁用状态使能时，使能_N预充电信号在初始持续时间内有效。通过电流镜配置，这将第一晶体管40的漏极电流IM1限于由等式(1)给出的值，其取决于晶体管40、44的栅极宽度之比。第一晶体管40的受限电流IM1避免了否则在第一晶体管40首次被使能时给寄生电容充电时将出现的大的瞬变电流。选择减小的电流IM1以使得调节器电压参考电路34N的调节器参考电压能够平滑地斜坡上升到其预定的电平(依赖于在第一晶体管40和电压设置电阻器36、38之间的本征电容)，同时最小加载主参考电压输入信号。在其它实施例中，外部电容器可以产生更好的滤波和噪声性能，但是将施加额外的成本和面积约束。考虑到本公开的教导，这样的考虑完全在本领域普通技术人员的判断范围之内。
在初始持续时间之后，当调节器电压参考电路34N输出电压已经斜坡上升到其预定值时，使能_N预充电信号无效(deasserted)(而使能_N信号保持有效)，将调节器电压参考电路34N置于完全使能状态，如在图7中描绘的。在该配置中，第一限流晶体管40通过经由开关s1将其栅极节点接地而完全接通或处于导通状态，并且通过使开关s3处于断开而将栅极与主参考电压断开。所设计的工作电流因此流向电压设置电阻器36、38。第二限流晶体管44通过开关s2而与第一晶体管40断开，并且通过经由开关s4将其栅极节点拉到主参考电压而呈现断开或不导通。开关s5断开以禁用电流源46。切换网络48的这种配置有效地去除了第二限流晶体管44和电流源46，使第一晶体管40充当开关，并且电压设置电阻器36、38生成预定调节器参考电压。应注意，如在现有技术设计中，通过无效使能_N信号，调节器电压参考电路34N可以从使能状态瞬时转变为禁用状态，其切换开关s1和s3的状态，将第一晶体管40的栅极拉到主参考电压并且使得晶体管40不导通(比较图7和5)。因此，在将被供电的电压调节器和其供电的电路置于“睡眠”时不存在延迟，预充电延迟仅仅在“唤醒”它时出现。
图8描绘了根据本发明的当代表性的调节器电压参考电路34N经由中间预充电状态从禁用状态转变到使能状态时的代表性的电压和电流曲线图。最初，使能_N信号和使能_N预充电信号两者被一起有效。这对主参考电压信号有一些影响，其传播到连接到相同的主参考电压信号的其它调节器电压参考电路34的调节器参考电压。然而，如与现有技术(参见图3)相比，这些瞬变是微小的。被使能的调节器电压参考电路34N的输出电压呈现降低的转换速率，因为它从零缓慢地斜坡上升到其预定调节器参考电压电平。在限流的初始持续时间之后，使能_N预充电信号无效，而使能_N信号保持有效，并且调节器电压参考电路34N处于使能状态。
下面的表格1以及图9描绘了当调节器电压参考电路34N在禁用、预充电和使能状态之间转变时在切换网络48中的开关的状态。当然，这些表格反映了如图5-7中描绘的切换网络48中的开关的特定的配置。本发明不限于该特定配置，并且将对开关的其它配置进行不同地控制以实现本发明的益处。根据使能_N信号和使能_N预充电信号的状态驱动切换网络48或开关的其它配置的逻辑对于本领域技术人员来说是直接的，并且为了清楚起见而没有在附图中描绘。
表格1：开关状态
图10描绘了选择性地使能在图5-7中描绘的类型的调节器电压参考电路34N的方法100。最初，通过中断到其电压设置电阻器36、38的电流来将调节器电压参考电路34N置于禁用状态(框102)。如果使能_N输入和使能_N预充电输入两者都不是有效(框104)，则调节器电压参考电路34N保持在禁用状态(框102)。如果使能_N和使能_N预充电两者都有效(框104)，则调节器电压参考电路34N进入预充电状态，其中到电压设置电阻器36、38的电流受到限制以防止大的瞬变电流尖峰(框106)。在一个实施例中，这包括将第一限流晶体管40置于与第二限流晶体管44的电流镜配置并且限制通过第二晶体管44的电流。提供到电压设置电阻器36、38的预定受限电流将然后根据等式(1)来进行确定。
只要使能_N输入和使能_N预充电输入有效，调节器电压参考电路34N就保持在预充电状态。当使能_N输入保持有效但是使能_N预充电输入无效时(框108)，通过将设计的工作电流提供到电压设置电阻器36、38来将调节器电压参考电路34N置于使能状态(框110)。在一个实施例中，这通过禁用电流镜和使得第一限流晶体管40完全导通而发生。当使能_N输入无效时(框112)，通过中断到电压设置电阻器36、38的电流而使调节器电压参考电路34N返回到禁用状态(框102)。
本领域技术人员将认识到，在本发明的范围内，在方法100中的变化是可能的。例如，在一个实施例中，如果调节器电压参考电路34N被禁用并且仅使能_N输入有效，则它可以直接进入使能状态。例如，如果所有的调节器电压参考电路34A-C被禁用，并且这是第一调节器电压参考电路34N被使能，则这可以是期望的。在这种情况下，在主参考电压线上引起的瞬变将不具有不利后果，并且可以避免贯穿预充电状态的转变的延迟和功耗。此外，图10的流程图描绘了“正常”操作以提供本发明的实施例的实现公开，并且没有描绘每个可能的转变。例如，从框108，如果使能_N和使能_N预充电两者无效，则控制逻辑可以将调节器电压参考电路34N置于禁用状态(框102)。为了清楚起见，从图10中省略了这样的不常见行为，但是在本公开的教导下，所有可能的状态事务的全部规范完全在本领域技术人员的能力范围内。
本发明的实施例通过避免无论何时一个或多个调节器电压参考电路34A-C从禁用状态使能时在所有的调节器电压参考输出中引入的有害瞬变效应而呈现优于现有技术功率管理电路的优点。在图5-7中描绘的实施例中，第一限流晶体管40除了其作为不导通或完全导通的开关的功能之外，针对限流功能重新使用第一限流晶体管40(存在于现有技术电路中以禁用调节器电压参考电路34N)。由于电流镜配置，第二限流晶体管44可以相对较小(消耗很小的硅面积并且消耗很少的功率)。类似地，电流源46仅需要生成小电流以限制提供到电压设置电阻器36、38的电流，从而进一步降低功耗。
当然，可以以不同于本文具体阐述的那些方式的其它方式来实施本发明，而不偏离本发明的本质特征。本实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且落入所附权利要求的含义和等同范围之内的所有改变旨在包括在其中。

Claims (14)

1.一种功率管理电路(30)，包括：
主参考电压电路(32)，操作以生成主参考电压；
多个调节器电压参考电路(34A-C)，每个调节器电压参考电路适于接收所述主参考电压，并且每个调节器电压参考电路当处于使能状态时操作以输出预定电压；
其中每个调节器电压参考电路(34A-C)包括：
电压设置电路(36，38)，操作以根据所述主参考电压生成所述预定电压；
第一限流晶体管(40)，与所述电压设置电路(36，38)串联；
第二限流晶体管(44)；
切换网络(48)，连接所述第一限流晶体管(40)和所述第二限流晶体管(44)；以及
控制电路，操作以将所述调节器参考电路从禁用状态切换(1)到预充电状态；
并且进一步操作以将所述调节器参考电路从所述预充电状态切换(2)到所述使能状态，其中：
在所述预充电状态中，所述第一限流晶体管(40)和所述第二限流晶体管(44)以电流镜配置连接；以及
在所述使能状态中，所述第二限流晶体管(44)与所述第一限流晶体管(40)断开。
2.根据权利要求1所述的功率管理电路，其中每个调节器电压参考电路(34A-C)还包括电流源(46)，并且当所述电压参考电路处于所述预充电状态时，提供所述电压设置电路(36，38)的受限电流与由所述电流源(46)生成的预充电偏置电流成比例。
3.根据权利要求1或2所述的功率管理电路，其中所述电压设置电路(36，38)包括电阻分压网络(36，38)。
4.根据权利要求1或2所述的功率管理电路，其中，当所述电压参考电路(34A-C)处于所述禁用状态时，中断从所述参考电压输入到所述电压设置电路(36，38)的电流。
5.根据权利要求1或2所述的功率管理电路，其中当所述电压参考电路(34A-C)处于所述预充电状态时，所述电流镜操作以降低所述预定电压输出信号的转换速率。
6.根据权利要求1或2所述的功率管理电路，其中所述第一限流晶体管(40)和所述第二限流晶体管(44)在硅上成对，并且所述第一限流晶体管(40)的尺寸是所述第二限流晶体管(44)的尺寸的多倍。
7.根据权利要求6所述的功率管理电路，其中所述第一限流晶体管(40)的栅极宽度是所述第二限流晶体管(44)的栅极宽度的尺寸的多倍。
8.一种选择性使能调节器电压参考电路(34A-C)的方法，所述调节器电压参考电路(34A-C)适于从主参考电压电路(32)接收主参考电压并且当处于使能状态时操作以输出预定电压；
其中所述调节器电压参考电路(34A-C)包括：
电压设置电路(36，38)，操作以根据所述主参考电压生成所述预定电压；
第一限流晶体管(40)，与所述电压设置电路(36，38)串联；
第二限流晶体管(44)；
切换网络(48)，连接所述第一限流晶体管(40)和所述第二限流晶体管(44)；以及
控制电路，
所述方法包括：
将所述调节器参考电路从禁用状态切换(1，104)到预充电状态，其中所述第一限流晶体管(40)和所述第二限流晶体管(44)以电流镜配置进行连接；以及
将所述调节器参考电路从所述预充电状态切换(2，108)到使能状态，其中所述第二限流晶体管(44)与所述第一限流晶体管(40)断开。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述调节器电压参考电路(34A-C)包括电流源(46)，所述方法包括：
当所述电压参考电路处于预充电状态时，向所述电压设置电路(36，38)提供(106)与由所述电流源(46)生成的预充电偏置电流成比例的受限电流。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述电压设置电路(36，38)包括：电阻分压网络(36，38)，所述方法包括：
使用所述电阻分压网络(36，38)从所述调节器电压参考电路(34A-C)提供输出电压。
11.根据权利要求8或9所述的方法，包括：
当所述电压参考电路(34A-C)处于所述禁用状态时，中断(102)从所述参考电压输入到所述电压设置电路(36，38)的电流。
12.根据权利要求8或9所述的方法，包括：
当所述电压参考电路(34A-C)处于所述预充电状态时，操作所述电流镜配置以降低所述预定电压输出信号的转换速率。
13.一种电子设备，包括：
功率管理电路(30)，包括：
主参考电压电路(32)，操作以生成主参考电压；
多个调节器电压参考电路(34A-C)，每个调节器电压参考电路适于接收所述主参考电压，并且每个调节器电压参考电路当处于使能状态时操作以输出预定电压；
其中每个调节器电压参考电路(34A-C)包括：
电压设置电路(36，38)，操作以根据所述主参考电压生成所述预定电压；
第一限流晶体管(40)，与所述电压设置电路(36，38)串联；
第二限流晶体管(44)；
切换网络(48)，连接所述第一限流晶体管(40)和所述第二限流晶体管(44)；以及
控制电路，操作以将所述调节器参考电路从禁用状态切换(1)到预充电状态；
并且还操作以将所述调节器参考电路从所述预充电状态切换(2)到所述使能状态，其中：
在所述预充电状态，所述第一限流晶体管(40)和所述第二限流晶体管(44)以电流镜配置进行连接；以及
在所述使能状态，所述第二限流晶体管与所述第一限流晶体管(40)断开。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述电子设备是无线通信设备。
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