CN1075912C - 适用于无线电通信设备的电能控制装置 - Google Patents

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Abstract

便携式无线电通信设备(303)包含电能控制电路(315)用以监测电池(317)的电压电平并向该通信设备的其余部分供电。该电能控制电路含有升压调节器(407)产生内部基准信号和模/数变换器用以数字化电池电压，将数字化电池电压与第一和第二硬件欠电压阈值比较以控制对该通信设备其余部分加电和断电。设有辅助比较器(413)根据该通信设备的供电状态使用多个欠电压阈值，可防止电池和无线电通信设备免遭损坏。

Description

适用于无线电通信设备的电能控制装置
本发明涉及电子设备的电能控制，具体涉及在便携式电子设备中最大化利用电池能量。
传统上，业已开发出一些电能控制装置，用以控制由电池提供给便携式电子设备的电能。这些电能控制装置监视该电池的电压，将该电池电压与一个硬件欠电压(undervoltage)阈值相比较。当该电池电压下降到低于该欠电压阈值时，就切断供给该便携式电子设备的电能。这个阈值典型地设定得比该便携式电子设备的最低工作电压高200-300毫伏。在无线电通信设备中，该阈值典型地设定得比该无线电通信设备中的电压调节器工作电压高200-300毫伏。电压调节器用来向该无线电通信设备中的其余部分提供一个稳定的基准电压。因提供了这样的阈值，故无线电通信设备的工作很可靠；可是，在电池中余留了一些未用的能量。根据无线电通信设备中使用的电池类型，未用能量的数量是不同的。
图1示出NiCd(镍镉)电池的电压/泄漏特性曲线100的一个例子。从该电压/泄漏特性曲线上可以看出，在到达传统的欠电压阈值101之后，电池中余留的未用能量的量值很小。图2示出锂离子电池的电压/泄漏特性曲线200的一个例子。从图2中可以看出，锂离子电池具有线性的电压/泄漏特性。据此，在到达传统的欠电压阈值201之后，在电池中余留明显的一部分的未用能量。如果可以提供一个较低的欠电压阈值，例如阈值203，则由该电池供电的设备的工作时间将会显著增加。
本发明的目的是提供一种适用于无线电通信设备的电能控制装置。
本发明提供了一种电能控制装置，用以控制由电池向便携式电子设备的供电，其特征在于，该电能控制装置包含：
一个升压调节器，该升压调节器连接到电池输出信号接触端，用于接收电池电压信号，用于产生调节器输出信号，该调节器输出信号甚至当电池电压信号小于调节器输出信号时仍是恒定电压；
一个连接到升压调节器的基准发生器，用于从调节器输出信号中产生内部基准信号；
一个连接到电池输出信号接触端和基准发生器的模/数变换器(ADC)，用于根据电池电压信号和内部基准信号产生数字化电池电压信号；和
一个连接到模/数变换器的处理器，用于将数字化电池电压信号与一个软件欠电压阈值进行比较，根据比较结果，该处理器有选择性地使便携式电子装置处于断电状态。
本发明还提供了一种电能控制装置，用以控制由电池向便携式电子设备的供电，该电池提供出具有一个电压的输出信号，其特征在于，该电源控制装置包含：
一个第一硬件欠电压阈值；
一个第二硬件欠电压阈值；
一个比较器，当一部分便携式电子设备电路处于加电状态时，比较器将输出信号的电压与第一硬件欠电压阈值比较，当一部分便携式电子设备电路处于断电状态时，比较器将输出信号的电压与第二硬件欠电压阈值比较；
一个控制电路，用于当该输出信号的电压小于第一硬件欠电压阈值时使一部分便携式电子设备电路处于断电状态，只有当该输出信号的电压大于第二硬件欠电压阈值时根据供电按键信号使一部分便携式电子设备电路处于加电状态。
在便携式电子设备市场中，促使制造厂家应提供长的持续工作时间。这在无线电通信设备市场更是如此。锂离子电池的引进到电池技术中是一个重大的进步，对便携式电子设备提供了增加的工作时间。但是，这种进步的冲击并未被上述的传统的电能控制装置充分利用。传统的电能控制装置在电池中余留的未用能量还有明显部分时，仍会切断对便携式电子设备的供电。据此，提供一种电能控制装置可在切断供电之前能利用电池中较大部分能量，将是有益的。
图1示出本领域公知的一种NiCd电池的电压/泄漏特性曲线的例子。
图2示出本领域公知的一种锂离子电池的电压/泄漏特性曲线的例子。
图3示出包括根据本发明可被使用的便携式无线电通信设备的无线电通信系统的方框图例子。
图4示出根据本发明的图3所示的电能控制电路的方框图例子。
图5示出根据本发明的方法流程图例子。
图6的部分1示出先有技术中是已知的电能控制装置的性能例子。
图6的部分2示出按照本发明的电能控制装置的性能例子。
本实施例说明用于无线电通信系统中的一种便携式无线电通信设备。该无线电通信设备由可再充电电池供电，虽然可再充电电池可以是一个锂离子电池，但其它电池例如NiCd电池、镍金属氢化物电池及其等效物也可使用。便携式无线电通信设备内含电能控制电路，用以监视该电池的电压电平并向该无线电通信设备内含的、包括无线电电路在内的其它电子部件供电。
图3示出无线电通信系统300的方框图例子。无线电通信系统300含有一个固定现场收发信机(TXCVR)301。该固定现场收发信机301往和从一个固定地理区域内的多个无线电通信设备发送和接收射频信号。一种这样的无线电通信设备就是图3所示的无线电通信设备303，在固定现场收发信机301与无线电通信设备303之间发送的射频信号，提供了诸如无线电电话业务、电子邮体业务、无线传真业务和短消息业务之类的无线电通信业务。本发明的其它完全等同的实施例可以包括这些通信业务的其它组合以及其它已知的无线电通信业务。
无线电通信设备303也称为“便携式电子设备”303，它包括一个天线305、一个发射机(TX)307、一个接收机(RX)309、一个处理器311、一个用户接口313、一个电能控制电路(也称为“电能控制装置”)315和电池317。无线电通信设备303由天线305接收射频信号。天线305将接收的射频信号转换为电的射频信号，以供接收机309使用。接收机309解调该电的射频信号，恢复出利用射频信号发送的数据。无线电接收机309还把该数据输出给处理器311。处理器311含有：至少一个主微处理器，例如摩托罗拉公司生产的MC68040；有关的存储器；以及含有集成电路的其它控制电路，和其它已知的技术。处理器311将从无线电接收机309接收的数据输出格式化成为可识别的话音或消息信息，以供无线电通信设备中包括用户接口313的其它电路部分使用。用户接口313将格式化的数据输出，通过扬声器、显示器或任何其它通信媒体传送给用户。
射频信号从无线电通信设备303传送到固定现场收发信机301时，用户接口313就把用户输入数据传送给处理器311。这样的数据可包括话音数据和/或消息信息。处理器311格式化从用户接口313得到的信息，再把格式化的信息传送给无线电发射机307。无线电发射机307把格式化的信息转换成为电的射频已调制信号，并把这些信号输出给天线305，以便发送给固定现场收发信机301。
在优选实施例中，电池317是锂离子型电池。虽然，其它电池例如镍镉电池、镍金属氢化物电池和任何其它已知的电池类型可以替代，但可以相信，本发明对于使用线性放电型电池例如锂离子电池的那些便携式电子设备是最有益的。电池317输出一个地电位信号和一个正电池输出信号(B+)。B+信号具有电池电压，由电能控制电路315监视。在优选实施例中，电能控制电路315监视B+信号电压，或是将B+信号电压与三个独立的阈值信号比较。第一阈值是一个软休关断(shutdown)电压阈值。为了比较，由一个ADC数字化B+信号，该ADC利用由升压调节器产生的一个内部基准。利用该升压调节器，允许软件欠电压阈值处在无线电通信设备的最低工作点上，它低于传统的硬件欠电压阈值。如上文论述的，传统的硬件欠电压阈值设定得比调节器工作点高出200-300毫伏。这个传统的阈值之所以需要，是因为电池电压一旦下降到调节的输出电压之下，未提升的基准电压将与电池电压一起下降。为此，在传统的系统中，如果使用这种较低的软件欠电压阈值关断，则传统的系统将再不指示一个关断状态。当无线电通信设备处于加电状态而降低关断的阈值时，关断阈值下降允许使用电池中未用的能量，而这种未用的能量在传统的硬件欠电压电路中是不能使用的。这允许无线电通信设备303增加其工作时间，明显地比先有技术中可得到那些电话多些。
此外，电能控制电路315还包含有与两个附加的硬件欠电压阈值的硬件比较。当无线电通信设备303处于加电状态时，B+信号的电压与第一硬件欠电压阈值比较，后者低于软件欠电压阈值。在优选实施例中，第一硬件欠电压阈值设定等于2.7伏。
当便携式无线电通信设备303处于断电状态时，B+信号的电压与第二硬件欠电压阈值比较，后者高于软件欠电压阈值。在优选实施例中，第二硬件欠电压阈值设定等于3.1伏。第二硬件欠电压阈值设定在一个电平上，该电平能防止无线电通信设备303不致加电处于禁用状态并保证无线电通信设备303在加电状态下工作一段合理的时间量。电能控制电路315的细节情况在图4中示出。
图4示出图3所示的电能控制电路315的方框图例子。在优选实施例中，电能控制电路315包含一个定标器401、模/数变换器(ADC)403、一个处理器405、一个升压调节器407、一个基准发生器409、一个线性调节器411、一个硬件比较器413、一个阈值发生器415和一个硬件关断电路417。
当无线电通信设备303处于加电状态时，B+信号321的电压输入到定标器401。定标器401并不是本发明的必需部分，但它是优选的部分。定标器401把B+信号321的电压定标，以便最佳地适配ADC403的输入电压范围。B+信号321还输入到升压调节器407、线性调节器411和硬件比较器413。升压调节器407可以是Maxim Integrated Products公司生产的一种升压调节器型号为MAX631。升压调节器的作用是提供一个输出电压高于其输入电压。虽然，电能控制电路315只含有一个线性调节器411，但无线电通信设备中使用的线性调节器的实际数量是可变的，这取决于具体的无线电通信设备设计的特定需要。线性调节器411用来向无线电通信设备303中所包括的一部分无线电通信设备电路提供一个调节的电压。线性调节器411的正常工作要求B+信号的电压比线性调节器411的输出电压至少高出0.2伏。
升压调节器407的调节输出电压423携带有一个提升的调节器电压，并输入到基准发生器409。在优选实施例中，基准发生器409用来控制提升的调节器输出信号423中的变动，以向ADC403以及无线电通信设备303内的其它电路提供一个稳定的内部基准信号425。基准发生器409并不是本发明的一个基本单元，它只不过是一种器具，用以在优选实施例中提供一个平滑的基准。其它的完全等同的装置包括一种改进的提升调节器可以取代基准发生器409。
ADC403利用该基准信号，对B+信号的电压取样，产生一个数字化的电池电压427。数字化电池电压427输入到处理器405。处理器405可以与图3的处理器311是共用电路，或是一个单独的处理电路，这取决于本发明的实施，在优选实施例中，处理器405含有一个存储器装置和一个微处理器，前者用以存储计算机程序，后者用以执行计算机程序的步骤。关于计算机存储器装置中存储的计算机程序的细节示例在图5的流程图中。通常，当无线电通信设备处于加电状态时，将数字化电池电压信号427与一个预定的软件欠电压阈值比较。如果数字化电池电压下降到预定的软件欠电压阈值之下，则无线电通信设备按照许多种已知的方式之一断电。一种这样的方式已叙述在1987年2月10日公开的美国专利4,642,479中，该专利已转让给本发明的受让人。一旦软件关断结束，处理器405输出一个断电信号429，它输入到硬件关断电路417。硬件关断电路417切断对其余的无线电通信设备电路的电能。
如果由于不可预见的事件而使软件关断程序不能执行，则在电能控制电路315的优选实施例中提供一个备用的硬件关断电路。具体地说，阈值发生器415向比较器413输出一个第一硬件欠电压阈值。电池电压B+也输入到比较器413，它与第一硬件欠电压阈值比较。如果电池电压B+下降到第一硬件欠电压阈值之下，则比较器413向硬件关断电路417输出一个断电信号，硬件关断电路417切断对其余的无线电通信设备电路的电能。在优选实施例中，第一硬件欠电压阈值设定等于2.7伏，它低于软件欠电压阈值。利用一个硬件关断电路作为电能关断的一种故障保护或辅助方法，增加了电能控制电路315的可靠性。因用来关断无线电通信设备的硬件可以工作在比软件控制关断显著低的电压上，故硬件关断电路能保证电池和无线电通信设备303正常地被关断。
优选实施例还包括一个第二硬件欠电压阈值，用以当无线电通信设备处于断电状态时与电池电压B+比较。具体地说，当位于图3用户接口313中的一个无线电通信设备的电源键由用户按压、而使无线电通信设备303通电时，比较器413的电池电压B+与阈值发生器415产生的第二硬件欠电压阈值比较。如果电池电压B+超过第二硬件欠电压阈值，则其余的无线电通信设备电路按照一种已知的方式加电。在正常的加电过程结束时，阈值发生器415向比较器413输出第一硬件欠电压阈值。如上所述，在比较器41 3中电池电压B+不断地与阈值发生器415产生的阈值之一相比较。在优选实施例中，第一硬件欠电压阈值低于第二硬件欠电压阈值。具体地说，第二硬件欠电压阈值设定等于3.1伏，第一硬件欠电压阈值设定等于2.7伏。第二硬件欠电压阈值设定等于3.1伏可防止无线电通信设备不致加电处于禁用状态。这保证无线电通信设备303一通电，含在无线电通信设备303之内的所有部件将正常地工作足够长的时间，而对无线电通信设备303的用户不会出现麻烦。
图5示出图4所示的处理器405的存储器内含的程序流程图的例子。在步骤501，程序提供一个数字化电池电压和一个软件欠电压阈值。在步骤503，程序是将数字化电池电压B+与软件欠电压阈值比较。如果电池电压B+大于软件欠电压阈值，则在步骤505程序向无线电通信设备303中的其余电路不断地提供电能。如果数字化电池电压B+小于软件欠电压阈值，则在步骤507程序使无线电通信设备303断电。典型地，在步骤507，表明的断电作用是将无线电通信设备303来的一个信号传送给固定现场收发信机301，该信号表明与固定现场收发信机301的通信结束，其中包括现在进行着的通信；并请求向无线电通信设备303返送回一个确认信号。接着，无线电通信设备303等候一段预定的时间，直到从固定现场收发信机301返回一个确认信号时为止。接收到确认信号之后，在步骤507，将处理器405来的断电信号429传送给硬件关断电路417。硬件关断电路417提供出一种机构，用以切断无线电通信设备303中其余电路的电能。
图6的部分1示出先有技术中各种欠电压阈值和可得到的一些有关阈值的例子。轴601表示先有技术中可用的电池的电池电压值，单位为伏(V)，变化范围是0V与6V之间。图6的部分1表明了如下的阈值：如标号603指示的，软件欠电压阈值等于5.15V；如标号605指示的，先有技术的硬件欠电压阈值等于5.05V；又如标号607指示的，无线电通信设备内的调节器阈值为4.75V。据此，在先有技术中，如图6中部分1所示的，软件欠电压阈值和硬件欠电压阈值设定得明显高于无线电通信设备中调节器的工作电压。
图6的部分2示出优选实施例中各种欠电压阈值和有关的一些阈值例子。图中，轴609表示图3所示的电池317的电池电压。轴609指明的电池电压在0V与7V之间变化。图6的部分2示出如下阈值：如标号613指示的软件欠电压阈值设定等于2.85V；如标号615指示的，无线电通信设备303内含的调节器的标称调节阈值安全地工作在2.75V上；如标号617指示的，第一硬件欠电压阈值设定等于2.7V；如标号611指示的，第二硬件欠电压阈值设定等于3.1V。如标号619指示的，基准发生器409输出端产生的内部基准信号设定等于2.65V。据此，如图6部分2所指示的，本发明在无线电通信设备303断电之前，允许电池电压B+放电到低到2.7V。选择2.7V，以确保包括任何容差在内的硬件关断不侵犯软件关断，从而保证有序的关断顺序。据此，电能控制电路315由于允许电池电压放电比先前可使用的电能控制电路放电更多，因而延长了无线电通信设备303的工作时间。此外，如标号611指明的，第二硬件欠电压阈值保证无线电通信设备303正常地加电。

Claims (10)

1．一种电能控制装置，用以控制由电池向便携式电子设备的供电，其特征在于，该电能控制装置包含：
一个升压调节器，该升压调节器连接到电池输出信号接触端，用于接收电池电压信号，用于产生调节器输出信号，该调节器输出信号甚至当电池电压信号小于调节器输出信号时仍是恒定电压；
一个连接到升压调节器的基准发生器，用于从调节器输出信号中产生内部基准信号；
一个连接到电池输出信号接触端和基准发生器的模/数变换器(ADC)，用于根据电池电压信号和内部基准信号产生数字化电池电压信号；和
一个连接到模/数变换器的处理器，用于将数字化电池电压信号与一个软件欠电压阈值进行比较，根据比较结果，该处理器有选择性地使便携式电子装置处于断电状态。
2．权利要求1的电能控制装置，其特征在于，还包含一个硬件比较器，被连接到电池输出信号接触端，用以将电池电压信号与一个硬件欠电压阈值比较，其中，该硬件欠电压阈值低于软件欠电压阈值。
3．权利要求1的电能控制装置，其特征在于，还含有一个硬件比较器，被连接到电池输出信号接触端，当便携式电子装置处于加电状态时，该硬件比较器将电池电压信号与一个第一硬件欠电压阈值比较，而当便携式电子装置处于断电状态时，该硬件比较器将电池电压信号与一个第二硬件欠电压阈值比较。
4．权利要求3的电能控制装置，其特征在于，第一硬件欠电压阈值低于软件欠电压阈值，第二硬件欠电压阈值高于软件欠电压阈值。
5．权利要求4的电源控制装置，其特征在于，第一硬件欠电压阈值为2.7伏，第二硬件欠电压阈值为3.1伏。
6．权利要求1的电能控制装置，其特征在于，还包含一个电压定标器，它耦合在电池输出信号接触端与ADC之间，该电压定标器用以对电池电压作出标度。
7．权利要求1的电能控制装置，其特征在于，该电能控制装置是配置在一个无线电通信设备内的。
8．一种电能控制装置，用以控制由电池向便携式电子设备的供电，该电池提供出具有一个电压的输出信号，其特征在于，该电源控制装置包含：
一个第一硬件欠电压阈值；
一个第二硬件欠电压阈值；
一个比较器，当一部分便携式电子设备电路处于加电状态时，比较器将输出信号的电压与第一硬件欠电压阈值比较，当一部分便携式电子设备电路处于断电状态时，比较器将输出信号的电压与第二硬件欠电压阈值比较；
一个控制电路，用于当该输出信号的电压小于第一硬件欠电压阈值时使一部分便携式电子设备电路处于断电状态，只有当该输出信号的电压大于第二硬件欠电压阈值时根据供电按键信号使一部分便携式电子设备电路处于加电状态。
9．权利要求8的电能控制装置，其特征在于，第一硬件欠电压阈值低于第二硬件欠电压阈值。
10．权利要求8的电能控制装置，其特征在于，该电能控制装置配置在一个无线电通信设备内，且便携式电子设备的至少一部分电路是无线电电路。
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