CN106463986A - 用于电子设备功率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于所收集的能量的递送的自动控制的改进机制。当达到足够水平的存储能量时，设备收集并存储能量，并且激活控制器。控制器检索先前的断电状态信息，确定状态信息，并且激活受电设备并为之供电。就在不足的能量保持为对受电设备供电之前，控制器存储关闭状态信息并进入断电状态。

Description

用于电子设备功率的方法和装置

技术领域

本发明通常涉及向便携式电子设备提供电功率。更具体地，本发明涉及管理到设备的功率，同时提供对其中为设备供电的能量不可用的周期的有序管理。

背景技术

许多现代的电子设备消耗非常低的功率，并且可以靠单电池充电维持工作数月或甚至数年，而且如果能够收集可用的能量为设备供电，则其他设备可以使用诸如光电电池的电源来维持工作。对于使用可收集能量的设备，设备通常配备有备用电池。在有电池的现有技术设备中，电池可以放电。如果不可再充电电池放电，则必须更换它。如果可再充电电池充电，则其可以被再充电，但是如果可再充电电池保持长时间放电，则其可能不可恢复地出故障，或者至少损失其充电容量的一部分。

发明内容

在本发明的一个实施例中，一种装置包括能量收集组件和能量存储组件，能量存储组件从能量收集组件接收能量并存储所接收的能量。该装置还包括控制器，该控制器用于管理能量收集组件所收集的能量向受电设备的递送。控制器被配置成在处于断电状态时至少：在所存储的能量达到预定水平时自动切换到通电状态，在开始之前确定控制器的断电状态，确定状态信息，激活受电设备，并且在检测到可用于继续对受电设备供电的能量不足时，关闭受电设备，存储断电状态信息，并进入断电状态。

在本发明的另一个实施例中，一种方法包括：至少通过如下操作来管理环境中可用能量的收集、管理所收集能量的存储、并且管理所收集能量、所存储能量或这二者向受电设备的递送：当处于断电状态中时，当所存储的能量达到预定水平时自动切换到通电状态，在开始之前确定断电状态，确定状态信息，激活受电设备，并且在检测到可用于继续对受电设备供电的能量不足时，关闭受电设备，存储断电状态信息，并进入断电状态。

在本发明的另一个实施例中，一种装置包括：光伏电池，该光伏电池被配置成将光能转换为电力；一个或多个电容器，该一个或多个电容器被配置成存储由光伏电池产生的电功率；以及传感器设备，该传感器设备通过光伏电池产生的电功率或从一个或多个电容器递送的所存储电功率中的一个或多个供电。该装置还包括控制器，该控制器用于管理被递送到传感器设备的电功率的递送。该控制器被配置成至少在工作模式和深度睡眠模式之间交替，在工作模式期间电功率被递送到传感器设备，在深度睡眠模式期间没有电功率被递送到传感器设备，并且该控制器保持充分的工作状态以知道其何时需要交替到工作模式，并且当可用于在深度睡眠模式和工作模式之间继续交替的所存储电力不足时，控制器关闭传感器并进入完全断电状态。

在本发明的另一个实施例中，一种装置包括用于收集环境中的可用能量的装置、用于存储所收集能量的装置以及用于管理由能量收集组件收集的能量向受电设备的递送的装置。管理能量的递送包括：当处于断电状态时，在所存储的能量达到预定水平时自动切换到通电状态，在进入通电状态之前确定先前的断电状态，激活受电设备，并且在检测到可用于继续对受电设备供电的能量不足时，关闭受电设备，存储断电状态信息，并进入断电状态。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的设备；和

图2示出了根据本发明的实施例的过程。

具体实施方式

本发明的实施例可以解决这样的问题，该问题涉及向应当长时间工作而不需要干预或者应当以最小的用户努力开始工作的设备提供功率。本发明的实施例还可以解决这样的问题，该问题与在所有可能状况期间——包括没有能量可用于收集的延长时段——对用于设备工作和电荷存储的可用能量的收集的管理有关。在一个或多个实施例中，本发明可以提供将可用能量递送到存储元件而没有任何能量消耗(例如当存储元件中的可用电荷和来自周围环境的可用能量没有提供用于工作的足够功率时)，并且在一个或多个实施例中，当足够的功率可用于工作时，本发明可以提供无任何用户干预的自动的工作启动。

图1示出了根据本发明实施例的电子设备100。例如，该设备可以是环境传感器，但是将认识到，本发明的实施例可以用于任何数量的设备中或与任何数量的设备一起使用。再举一个例子，可以用独立模块的形式来实施根据本发明的一个或多个实施例的电源机制，该独立模块可以安装在不同的合适设备中。

电子设备100包括环境传感器模块102和功率模块104。在本发明的一个或多个实施例中，传感器模块102可以被实施为片上系统，并且可以能够使用例如蓝牙来进行数据通信。在本示例中，传感器模块102包括微控制器单元106、环境传感器108和蓝牙模块110。传感器模块102从功率模块104汲取功率。功率模块104包括能量转换元件，该能量转换元件在此被实施为光伏电池或太阳能电池112。功率模块104还可以包括诸如存储元件114、控制器116和时钟118之类的元件，控制器116可以被实施为微控制器单元。将认识到，尽管在这里说明了太阳能电池112，然而能量转换元件可以通过能够从周围环境中可用的能量(例如热电发电机或任何其它合适的机构)产生电力的任何机构来实施。例如，存储元件114可以是电容器，而在其他实施例中则可以是可再充电电池。电容器的一个特别的优点是可以获得具有几乎无限的使用寿命的电容器，并且电容器可以通过非常大数量的充电和放电循环而不退化地工作。

太阳能电池112被直接连接到存储元件114而没有调节器，使得甚至消除了可能由调节器强加的最小静态电流消耗，因此所有的可用能量都被引导到存储元件108并且被存储而没有被消耗。控制器116被连接到存储元件114，并且(通过开关120)被连接到时钟118。

假设设备100从完全停滞状态启动，存储元件114中没有存储能量。假设现在设备被置于日光下或是一些其它足够强的光线中，使得太阳能电池112开始产生电力并且将电力递送到存储元件114。随着存储元件的能量水平升高，电压也升高，使得电压提供能量水平的指示。因此可以检测到能量水平。

如上所述，太阳能电池112被连接到存储元件114，并且在检测到针对存储元件114已经达到指定的能量水平(通过太阳能电池112遇到的增加电压所表现的)时，控制器116苏醒。例如，通过太阳能电池112的功率递送高于指定阈值，或者通过在存储元件114中存储足够的功率，可以实现控制器116的苏醒。足够的功率114的存储可以致使开关120的闭合。

控制器116可以使用永久性存储器122，并且控制器116可以存储指示其断电状态的静态设置。在初始激活时，控制器116检查永久性存储器122以在激活之前确定其断电状态。在断电时，控制器116可能已经进入“停滞模式”或“深度睡眠模式”。当没有功率可用于为系统的任何部分供电时，控制器进入“停滞模式”，并且控制器116可以在一个周期上进入“深睡眠模式”状态，以便通过在进入深度睡眠模式和苏醒进入工作模式之间循环来维持低的平均功耗。当控制器116处于“深睡眠模式”时，足够的功率可用于为时钟118供电，以便跟踪控制器116已经被关闭的时间长度。控制器116可以将其断电状态存储在永久性存储器122中，该断电状态包括其被关闭时的能量水平和一组默认值。在“深度睡眠”模式期间，几乎没有功率消耗，并且如果控制器116苏醒并检测到功率水平没有改变，则它将认识到在控制器116处于“深度睡眠模式”期间没有收集到可用的能量。如果传感器模块102继续工作并且没有收集到额外的功率，则存储元件将最终耗尽能量，然后控制器116将进入“停滞模式”，在此期间它将不再苏醒，直到存储元件114达到足够的能量水平为止。

在从“停滞模式”苏醒时，控制器116将相关参数设置为默认值，并且执行诸如启动时钟118之类的默认操作。然后，控制器116可以通过指示存储模块闭合开关124来激活传感器模块102(在本示例中是被供电的元件)。通过从存储元件114读取能量水平以及从太阳能电池112读取所收集的能量数量，控制器116还可更新其状态信息。在本示例中，传感器模块102使用蓝牙模块110与外部设备通信，并且能够使用蓝牙模块110向外部设备递送数据。

因此，控制器116可以向传感器模块102提供存储元件的能量水平和所收集的能量数量信息。例如，蓝牙模块110可以是以指定间隔发射信息的蓝牙低能量模块，其中周期(例如)基于可用能量来指定。当存储元件114中的能量处于或高于允许正常工作的阈值时，该传输间隔可以是诸如每秒一次之类的标准间隔，其中间隔随着可用能量的变少而增大。

传感器模块102可以在公告模式下工作，公告模式是蓝牙低功耗(BLE)设备的模式，其中BLE设备向其附近的设备广播数据而不进行配对。这样的公告可以以非常低的能量下被非常快速地执行。传感器模块102将感测到的环境信息广播到其附近的设备。例如，这样的信息可以包括温度、照度或其他指定的信息。将认识到，尽管这里讨论使用蓝牙来自动广播信息，但是无线通信元件的使用仅仅是示例性的，并且取决于系统设计，所感测的环境信息可以被递送到直接连接的设备、被存储用于检索或被传递到任何期望的任何设备。还将认识到，传感器模块102在这里被呈现为一种设备的示例，可以使用根据本发明的实施例的机制适当地为该设备供电，但是也可以使用任何数量的其他设备，特别是那些展示出低功耗并且被设计成置于它们可以长时间工作而没有干预的环境中的设备。将进一步认识到，虽然这里给出的示例使用BLE设备的公告模式，但是蓝牙设备通过连接到配对设备来递送诸如这里呈现的信息也是可能的，如果需要的话要首先执行配对。

除了“停滞模式”之外，如上所述的功率模块104可以关掉而进入“深度睡眠”模式，其中有足够的功率可用于操作时钟。控制器102可以在其进入“深度睡眠”模式时存储“深度睡眠”状态，指示存储元件114断开开关124以便去除由传感器模块102呈现的负载，并且将时钟读数和“深睡眠模式”状态指示符存储在永久性存储器122中。时钟118继续运行。

如上所述，控制器116在工作模式和“深度睡眠”模式之间交替。在一个或多个示例性实施例中，控制器116可以维持足以检测到存储元件114的电压电平的工作状态，并且当存储元件114的电压电平指示能量将很快不足以甚至为时钟供电时，控制器116停止时钟，存储“停滞模式”状态并且从存储元件114断开连接，断开开关120。在一个或多个替代或附加的实施例中，设备可以断开开关124并随后断开开关120，而不确定其是否进入“停滞模式”状态或“深度睡眠模式”状态，或是不存储指示符(如果处于深度睡眠模式状态)或时钟值。相反，当用于传感器模块102的能量不足时，开关124可以简单地断开连接，并且当可用于操作任何部件的能量不足时，开关120可以断开连接。在这样的实施例中，时钟可以提供其是否处于有效模式还是(可能由功率损失导致的)无效模式的指示。在苏醒时，控制器116可以检查时钟118以确定时钟118是否处于有效模式。如果时钟118处于有效模式，则控制器将知道先前状态是“深度睡眠模式”状态，而如果时钟118不处于有效模式，则控制器116将知道先前状态是“停滞模式”状态。

图2示出了根据本发明实施例的供电过程。在框202处，属于处于断电状态非活动状态的设备的能量转换元件(诸如太阳能电池)从其环境中可用的能量产生电力，并将该能量直接递送到存储元件(例如电容器或电容器组)。断电状态可以是“停滞模式”状态或“深度睡眠模式”状态。一旦存储元件达到足够的能量水平，则过程进行到框204，并且激活控制器。在框206处，控制器检索指示其先前的断电状态的信息，并确定先前的断电状态。如果先前的断电状态是“停滞模式”状态，则过程进行到框208，并且控制器从存储元件和能量转换元件确定能量水平和所收集的能量数量信息，并且还确定功耗。控制器还启动时钟并激活正在被供电的模块。如果先前的断电状态是“深度睡眠模式”状态(例如，通过检查所存储的状态指示符，或者通过诸如确定时钟是否处于有效模式之类的苏醒时的状态检查来进行确定)，则过程进行到框210，并且控制器读取时钟以确定其不活动的时间长度，确定能量水平、所收集的能量和功耗，进行预定计算，并且激活正被供电的模块。

在本示例中，正在被供电的模块是具有无线通信能力的环境传感器模块——例如蓝牙。在框212处，控制器将状态信息递送到环境传感器模块。该信息可以包括先前的断电状态以及能量水平、数量和功耗。如果控制器处于“深度睡眠”模式，则状态信息还可以包括时钟值，以及该设备处于断电状态的时间长度。在框214处，环境传感器模块以由可用能量确定的间隔适当地广播从环境感测的数据，并且在功率可用时继续。能量转换元件将能量递送到存储元件以满足工作需要和维持适当的存储能量水平。

假设现在能量变得不可用于收集。存储元件的能量水平开始下降。当所存储的能量达到指定水平时，过程进行到框216，并且设备开始在工作模式和“深度睡眠模式”状态之间交替。为了进入“深度睡眠模式”状态，控制器与环境传感器断开连接，存储时钟值和“深睡眠模式”断电状态指示符，并且关闭控制器的大多数操作，使时钟工作并且保持感测存储元件的能量水平并执行最终关闭的能力。如果能量保持不可用于收集，则所存储的能量最终将被耗尽，使得无法在工作模式和“深睡眠模式”状态之间继续交替。可以在控制器处于工作模式时感测到这种状况。当控制器处于工作模式(在本示例中意味着感测到的环境信息正按照某个计划表被广播)，而控制器感测到能量水平使得必须要执行彻底关闭时，处理继续到框218，并且设备进入“停滞模式”状态，将其自身从存储元件断开连接。在本发明的一些实施例中，设备存储“停滞模式”状态指示符，并且在其他实施例中，时钟的状态(由于断电处于无效模式)将用作唤醒的指示，该指示表明设备的断电状态是“停滞模式”状态。现在，设备处于其中不发生活动的完全断电状态，但是当能量从环境变得可用并且存储元件达到足够的容量时，该过程在框202处再次开始。

现在回到图1，微控制器单元106包括数据处理器(DP)130和存储器(MEM)132，其中存储器存储一个或多个程序(PROGS)134。控制器116类似地包括数据处理器(DP)140和存储器(MEM)142，其中存储器存储一个或多个程序(PROGS)144。假定微控制器单元106中的若干PROG 134中的至少一个包括一组程序指令，当该程序指令由相关联的DP 130执行时，使得设备能够根据本发明的示例性实施例工作，如上所述。在这些方面，本发明的示例性实施例可以至少部分地通过存储在MEM 132上的由微控制器单元106的DP 130执行的计算机软件，或者通过硬件，或者通过有形存储的软件和硬件(和有形存储的固件)的组合来实施。类似地，假设控制器116中的若干PROG 144中的至少一个包括一组程序指令，当该程序指令由相关联的DP 140执行时，使得设备能够根据本发明的示例性实施例工作，如上所述。在这些方面，本发明的示例性实施例可以至少部分地通过存储在MEM 142上由控制器116的DP 140执行的计算机软件，或者通过硬件，或者通过有形存储的软件和硬件(和有形存储的固件)的组合来实施。实施本发明的这些方面的电子设备不需要是如图1所示的整个设备，或者可以是一个或多个相同的组件，例如上述有形存储的软件、硬件、固件和DP或片上系统SOC或专用集成电路ASIC。应当注意，本发明可以用专用集成电路ASIC、现场可编程门阵列FPGA、数字信号处理器或其他合适的处理器来实施，以实现本发明的预期功能，包括中央处理器、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM和通信端口。

MEM 132和142可以是适合于本地技术环境的任何类型，并且可以使用任何合适的数据存储技术来实施，诸如基于半导体的存储器设备、磁存储器设备和系统、光存储器设备和系统、固定存储器和可移动存储器。作为非限制性示例，DP 130和140可以是适合于本地技术环境的任何类型，并且可以包括通用计算机、专用计算机、微处理器、数字信号处理器(DSP)和基于多核处理器架构的处理器中的一个或多个。

虽然在上文中已经描述了各种示例性实施例，但是应当理解，本发明的实践不限于这里示出和讨论的示例性实施例。鉴于前面的描述，对本发明的前述示例性实施例的各种修改和适应对于相关领域的技术人员来说是显而易见的。

此外，上述非限制性实施例的各种特征中的一部分可以在没有相应地使用其他所述特征的情况下被用于获益。

因此，上述描述应当被认为仅仅是本发明的原理、教导和示例性实施例的说明，而不应当被认为是对本发明的限制。

Claims (21)

1.一种装置，包括：

能量收集组件；

能量存储组件，所述能量存储组件从所述能量收集组件接收能量并存储所接收的能量；和

控制器，所述控制器用于管理所述能量收集组件所收集的能量向受电设备的递送，其中所述控制器被配置成至少：

当处于断电状态时，在所存储的能量达到预定水平时自动切换到通电状态；

在所述控制器进入所述通电状态之前确定所述控制器的先前断电状态；

激活所述受电设备；和

在检测到可用于继续对受电设备供电的能量不足时，关闭所述受电设备，存储断电状态信息，并进入断电状态。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被致使在进入所述通电状态时确定状态信息。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，进入所述断电状态包括当剩下足够的存储能量以维持最小工作状态时存储深度睡眠模式指示符，并且其中，当可用于维持所述最小工作状态的能量不足时，所述控制器存储停滞模式状态指示符并且停止所有功能。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，时钟在所述最小工作状态期间保持工作，并且其中，当从所述最小操作状态恢复时，所述控制器读取所述时钟并确定不活动的持续时间。

5.根据权利要求1、2、3或4之一所述的装置，其中，状态信息包括所存储的能量的水平和所收集的能量的数量，并且其中，所述状态信息被递送到所述受电设备。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，基于将由所述装置递送的能量的可用性来调整所述受电设备的工作。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述受电设备周期性地发射信息，并且其中，基于将由所述装置递送的能量的可用性来调整所述信息的发射频率。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其中，所述能量存储组件包括一个或多个电容器。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，其中，所述能量存储组件包括一个或多个可再充电电池。

10.一种方法，包括：

收集环境中可用的能量；

存储所收集的能量；和

管理所述能量收集组件所收集的能量向受电设备的递送，包括：

当处于断电状态时，在所存储的能量达到预定水平时自动切换到通电状态；

在进入所述通电状态之前确定先前的断电状态；

激活所述受电设备；和

在检测到可用于继续对所述受电设备供电的能量不足时，关闭所述受电设备，存储断电状态信息，并进入断电状态。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括在进入所述通电状态时确定状态信息。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，进入所述断电状态包括当剩下足够的存储能量以维持最小操作状态时存储深度睡眠模式指示符，并且还包括当可用于维持最小操作状态的能量不足时存储停滞模式状态指示符并且停止所有功能。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，时钟在所述最小操作状态期间保持工作，并且所述方法还包括，当从所述最小操作状态恢复时，读取所述时钟并确定不活动的持续时间。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，其中，状态信息包括所存储的能量的水平和所收集的能量的数量，并且其中，所述状态信息被递送到所述受电设备。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，基于将被递送的能量的可用性来调整所述受电设备的工作。

16.根据权利要求10-15中任一项所述的方法，其中，所述受电设备周期性地发射信息，并且其中，基于将被递送的能量的可用性来调整所述信息的发射频率。

17.根据权利要求10-16中任一项所述的方法，其中，使用一个或多个电容器来存储所收集的能量。

18.根据权利要求10-17中任一项所述的方法，其中，使用一个或多个可再充电电池来存储所收集的能量。

19.一种装置，包括：

光伏电池，所述光伏电池被配置成将光能转换为电力；

一个或多个电容器，所述一个或多个电容器被配置成存储由所述光伏电池产生的电功率；

传感器设备，所述传感器设备由所述光伏电池产生的电功率或从所述一个或多个电容器递送的所存储电功率中的一个或多个而供电；和

控制器，所述控制器用于管理被递送到所述传感器设备的电功率的递送，其中所述控制器被配置成至少：

在工作模式与深度睡眠模式之间交替，在所述工作模式期间电功率被递送到所述传感器设备，在所述深度睡眠模式期间没有电功率被递送到所述传感器设备，并且所述控制器维持足够的操作状态以知道何时其需要交替到所述工作模式；

当可用于在所述深度睡眠模式和所述工作模式之间继续交替的所存储电功率不足时，关闭所述传感器并进入完全断电状态。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述控制器在被唤醒到通电状态时确定其先前的状态。

21.一种装置，包括：

用于收集环境中可用的能量的部件；

用于存储所收集的能量的部件；和

用于管理所述能量收集组件所收集的能量向受电设备的递送的部件，其中管理所述能量的递送包括：

当处于断电状态时，在所存储的能量达到预定电平时自动切换到通电状态；

在进入所述通电状态之前确定先前的断电状态；

激活所述受电设备；和

在检测到可用于继续对所述受电设备供电的能量不足时，关闭所述受电设备，存储断电状态信息，并进入断电状态。