CN110829832B - 用于集成电池电源调节的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于集成电池电源调节的方法和设备。在一些方面中，本公开涉及用于将电压调节和瞬态抑制从电池提供到集成电路的方法和系统。源电源与所述集成电路之间的电阻器可耗散功率，且在所述集成电路的内部调节器的控制下通过穿过所述电阻器的电流减小所述集成电路的输入端处的电压。

Description

用于集成电池电源调节的方法及设备
相关申请案
本申请案要求2018年8月13日申请的题为“用于集成电池电源调节的方法及设备(Method and Apparatus for Integrated Battery Supply Regulation)”的美国临时申请案第62/718,243号的权益及优先权，所述临时申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及用于功率调节的系统和方法。具体地说，本发明涉及用于电池供电装置中的电压及电流调节的系统和方法。
背景技术
在移动及/或汽车系统的多个实施方案中，集成电路经由外部电池供电。在一些实施方案中，外部电池可具有不一定符合现代集成电路技术的电压。举例来说，许多汽车电池具有12伏特输出，但现代处理器通常要求更低输入电压，诸如5伏特、3.3伏特、2.5伏特、1.8伏特等。另外，许多外部电池电源可具有可能损坏敏感集成电路的高振幅瞬态输出。
为了去除瞬态且调节集成电路或其它装置的电力，一些系统可将昂贵且大型的组件用于滤波及电压调节。除增加制造成本以外，这类实施方案还可限制集成电路或其它车载组件的大小。举例来说，在一些实施方案中可能需要大型车载调节器以降低施加到更敏感组件的输入电压，要求额外隔离且增加功率耗散，可能的大型散热器等，且增加相当大的成本和大小。
发明内容
在一个方面中，本申请提供一种用于集成电池电源调节的系统，其包括：备用电源调节器，其经配置以从电源接收输入电压且将输出电压提供到集成电路，其中备用电源调节器的第一部分在集成电路外部，且备用电源调节器的第二部分在集成电路内部。
在另一方面中，本申请提供一种用于集成电池电源调节的方法，其包括：通过包括在集成电路外部的第一部分和在集成电路内部的第二部分的备用电源调节器在第一电压下从电源接收电流；通过备用电源调节器的第二部分在第二电压下将电流的第一部分提供到集成电路；及通过备用电源调节器的第二部分调整电流的第二部分；其中备用电源调节器的第一部分耗散与电流乘以第一电压与第二电压之间的差值成比例的功率的量。
附图说明
通过参考结合附图进行的详细描述，本发明的各种对象、方面、特征和优点将变得更显而易见且更好理解，其中相同的参考标号通篇识别对应的元件。在该等图式中，类似参考标号通常指示相同、功能上相似及/或结构上相似的元件。
图1是用于集成电路的功率调节及滤波的实施方案的框图；
图2A是用于集成电路的集成功率调节及滤波的实施方案的框图；及
图2B是用于集成电路的备用电源调节器的实施方案的框图。
在附图和以下描述中阐述方法和系统的各种实施例的细节。
具体实施方式
在移动及/或汽车系统的多个实施方案中，集成电路经由外部电池供电。在一些实施方案中，外部电池可具有不一定符合现代集成电路技术的电压。举例来说，许多汽车电池具有12伏特输出，但通过现代过程制造的许多电路通常要求更低输入电压，诸如5伏特、3.3伏特、2.5伏特、1.8伏特等。类似地，许多集成电路可归因于电路元件大小和热耗散能力具有工作电压极限，所述工作电压极限可比由大型电源提供的电压低一数量级或更多。举例来说，较低功率集成电路可由较小电路元件或无法处置较高电流的较窄路径或更接近以使得高电压可导致电流在路径之间跳跃的路径构造。因此，许多这类装置可要求比可由外部电源提供的输入电压更低的输入电压。
另外，许多外部电池电源可具有可能损坏敏感集成电路的高振幅瞬态输出。具体地说，这可能是在汽车环境的情况下，其通常要求电池具有较大电流输出，从而限制可应用的内部滤波的量。
为了去除瞬态且调节集成电路或其它装置的电力，一些系统可将昂贵且大型的组件用于滤波及电压调节。除增加制造成本以外，这类实施方案还可限制集成电路或其它车载组件的大小。举例来说，在一些实施方案中可能需要大型车载调节器以降低施加到更敏感组件的输入电压，要求额外隔离且增加功率耗散，可能的大型散热器等，且增加相当大的成本和大小。
举例来说，首先参考图1，说明用于集成电路的功率调节及滤波的实施方案的框图。外部电池110，例如汽车电池，可向包含集成电路(IC)102的印刷电路板(PCB)100供电。集成电路102可包括处理器、记忆体、通信接口、输入/输出接口，或被称作数字核心122的一或多个任何其它类型及形式的装置，且在许多实施方案中可与外部装置通信。集成电路102可经由主供电单元104，及在许多实施方案中，备用供电单元106(例如，主芯片电源130及备用芯片电源132)供电。
主供电单元104及备用供电单元106中的每一个可包括瞬态电压抑制器(112、116)和电压调节器(114、118)。瞬态电压抑制器可包括电感式及/或电容式滤波器以抑制来自电池110的高振幅瞬态，所述高振幅瞬态对于若干毫秒的周期可为约数十伏特。经滤波输出可提供到电压调节器，所述电压调节器可各自包括针对IC 102和其它装置将传入电压降低到稳定电源电压130、132(在许多实施方案中通常约2.5到3.3伏特)的线性或切换电源。
在许多实施方案中，为了在汽车或装置不在使用中时降低功耗，在主电压调节器118不提供电力输出的情况下，主供电单元104可停用或关闭。在这类实施方案中，备用供电单元106可将电力供应到唤醒电路120，所述唤醒电路可从本地‘车载’控制装置108接收控制信号(例如，控制信号128)及/或从外部装置(例如，经由外部控制信号124或无线发射126)接收控制信号。备用供电单元106可将少量电流提供到唤醒电路120，所述唤醒电路可监测控制信号124到128。根据从外部源或车载控制装置108接收到唤醒请求或类似控制信号，唤醒电路120可启用或通电主供电单元104和主电压调节器118以提供主芯片电源130(以及将电力提供到其它装置，例如，数字核心122)。唤醒电路120可具有极低功率耗散(例如，具有约数十微安的电流)，使得在启用主供电单元104之前IC 102消耗极少电力。
瞬态电压抑制器112和备用电压调节器114可为相对昂贵的组件且占据PCB 100上的相当大的空间，即使仅将少量电力提供到唤醒电路120。另外，瞬态电压抑制器和备用电压调节器可使用比IC 102更大的工艺(例如，更大电路元件和内连线)构造，使得其无法直接集成于相同IC 102(可能并不能够处置电压抑制器112和电压调节器114的输入端处的较高电压)上。相应地，在一些实施方案中，用较小和较便宜车载装置取代这些组件可提供与常规系统相比较至关重要的成本和大小节省。
图2A是用于集成电路的集成功率调节及滤波的实施方案的框图。在IC 202外部的电阻器(Rreg)可在内部备用电压调节器214的控制下向IC提供减小的输入电压(Vreg)。可能不能够处置来自电源的输入电压的备用电压调节器214可通过调节穿过电阻器Rreg的电流(例如，Ireg)来控制Vreg，使得输入电压Vreg等于预定值。在一些实施方案中可包括分路电压调节器的电压调节器214可向唤醒电路220(例如，备用芯片电源232)提供预定和稳定的输出电压。在一些实施方案中，外部分路电容器(Cext)可用于抑制来自外部电源的极限瞬态(在一些实施方案中，通过点线连接展示为任选的)。在一些实施方案中，可包含次级小型内部瞬态电压抑制器212以进一步抑制瞬态电压(在一些实施方案中，通过点线展示为任选的)。
图2B是用于集成电路的备用电源调节器的实施方案的框图。如上文所论述，将来自外部电池210的电力提供到电阻器(Rreg)。穿过电阻器Ireg的电流可通过内部备用电源调节器214控制，从而引起穿过电阻器的电压降(即，Vbat-Vreg，或Rreg×Ireg)。举例来说，在一些实施方案中，电流Ireg可增大以引起电阻器中的更大压降，从而减小Rreg。类似地，在一些实施方案中，电流Ireg可减小以引起电阻器中的较小压降，从而增大Rreg。在一些实施方案中，外部分路电容器Cext(其可被称为分路电容器、分路滤波器、高通滤波器或类似术语)及/或内部瞬态电压抑制器212可提供额外瞬态滤波(在一些实施方案中，Cext还可放置在电阻器Rreg之前，但这可能需要较高电压极限的电容器)。抑制器212可包括一或多个二极管或箝位电路到接地或电压供应轨道，以预防大幅度正或负电压偏移或偏差，且可为用于集成电路的静电放电保护电路的部分。
在一些实施方案中，内部备用电源调节器214可包括带隙电压参考电路250。带隙电压参考电路250可不管温度或电池输出变化提供恒定电压Vref-，其可以是预定电压(例如，1.2V、1.5V，或任何类似幅值)。在一些实施方案中，可利用其它参考电路，例如齐纳二极管参考物，尽管具有可能较低的准确度及/或较高的功率耗散和热量。
经滤波电源电压Vreg可经由分压器(电阻器252、254)向下划分成类似幅值Vref+，且Vref-和Vref+可输入到放大器256。差分放大器256可比较两个电压且根据其差值将输出电压提供到晶体管258以调整电流Iamp，使得经调节电源的经划分版本Vref+等于带隙电压Vref-。带隙电压参考250因此提供对其利用的相同电源的参考。
因此，外部电阻器可提供压降，所述压降使输入电压减少到Vreg以供由唤醒电路利用。唤醒电路可始终使用少量电流以便维持对输入控制信号的监测状态，例如5微安。穿过电压调节器的电流Iamp可与到唤醒电路的电流(例如，35微安)(在本文中被称为I(唤醒电路))并行吸取，使得穿过电阻器的总电流(例如，Ireg＝Iamp+I(唤醒电路))可为固定的(例如，40微安)。如果唤醒电路所需的电流增大或减小(例如，举例来说归因于环境温度变化)，那么Iamp分别减小或增大，使得Ireg和穿过外部电阻器的对应压降是恒定的。举例来说，如果通过唤醒电路吸取的电流增大到10微安，那么电流Iamp可减小到30微安，从而使得总Ireg保持40微安不变，且Vreg(等于Vbat-Ireg×Rreg)类似地保持不变。在一些实施方案中，晶体管258可被称为电流旁路分流器，且在各种实施方案中，可包括任何类型和形式的晶体管(例如，双极结晶体管、JFET、MOSFET等)。
本文中所论述的系统及方法因此在相对于来自外部电源的源电压极低的电压下提供电流控制的电压调节，同时利用可能极小且低成本的并且与IC 202的其它低电压组件集成或使用与其它低电压组件相同的工艺制造的电路元件(除Rreg以外)。这些实施方案不可易于与使用外部电压调节器的常规系统集成，此是因为在外部电源与外部电压调节器(例如，图1的备用电压调节器114)之间放置电阻器将影响外部电压调节器的操作，所述操作出于效率起见要求外部电源与外部电压调节器之间的电阻尽可能小；较高电阻，例如Rreg，将引起穿过电阻器的显著功率消耗，且妨碍外部电压调节器的恰当操作。
因此，在一个方面中，本公开涉及一种用于集成电池电源调节的系统。所述系统包含备用电源调节器，所述备用电源调节器经配置以从电源接收输入电压且将输出电压提供到集成电路，其中所述备用电源调节器的第一部分在所述集成电路外部，且所述备用电源调节器的第二部分在所述集成电路内部。
在一些实施方案中，所述备用电源调节器的所述第二部分包括分路电压调节器。在一些实施方案中，所述备用电源调节器的所述第二部分经组态以调整穿过所述备用电源调节器的所述第一部分的电流。在另一实施方案中，所述备用电源调节器的所述第二部分经配置以增大穿过所述备用电源调节器的所述第一部分的电流以减小到所述集成电路的所述输出电压。在另一实施方案中，所述备用电源调节器的所述第二部分经配置以减小穿过所述备用电源调节器的所述第一部分的电流以增大到所述集成电路的所述输出电压。在又另一实施方案中，将穿过所述备用电源调节器的所述第一部分的所述电流的第一部分提供到所述集成电路，且将穿过所述备用电源调节器的所述电流的第二部分提供到所述备用电源调节器的所述第二部分。在再一实施方案中，所述备用电源调节器的所述第二部分经配置以调整穿过所述备用电源调节器的所述电流的所述第二部分。在另一实施方案中，所述备用电源调节器的所述第一部分包括电阻器。在又一实施方案中，所述电阻器经配置以耗散与所述输入电压与所述输出电压之间的差值成比例的功率的量。
在一些实施方案中，所述备用电源调节器的所述第二部分包括电压参考电路和分压器，以及差分放大器。在另一实施方案中，所述备用电源调节器的所述第二部分进一步包括通过所述差分放大器控制的电流旁路分流器。
在一些实施方案中，所述系统包含连接到所述备用电源调节器的所述第一部分的高通滤波器。在另一实施方案中，所述高通滤波器包括分路电容器。在一些实施方案中，所述系统包含连接到所述备用电源调节器的所述第一部分和所述备用电源调节器的所述第二部分中的每一个的瞬态电压抑制器。
在一些实施方案中，所述集成电路包括唤醒电路。在一些实施方案中，所述输入电压比所述输出电压大至少一数量级。在一些实施方案中，所述备用电源调节器的所述第二部分和所述集成电路具有小于所述输入电压的工作电压极限。
在另一方面中，本公开涉及一种用于集成电池电源调节的方法。所述方法包含：通过包括在集成电路外部的第一部分和在集成电路内部的第二部分的备用电源调节器在第一电压下从电源接收电流；通过所述备用电源调节器的所述第二部分在第二电压下将所述电流的第一部分提供到所述集成电路；及通过所述备用电源调节器的所述第二部分调整所述电流的第二部分。所述备用电源调节器的所述第一部分耗散与所述电流乘以所述第一电压与所述第二电压之间的差值成比例的功率的量。
在一些实施方案中，所述备用电源调节器的所述第一部分包括电阻器。在一些实施方案中，调整所述电流的所述第二部分包含：增大所述电流的所述第二部分以减小所述第二电压，或减小所述电流的所述第二部分以增大所述第二电压。
应注意，出于识别或区分一者与另一者或与其它者的目的，本公开的某些段落可结合装置、操作模式等提到例如“第一”和“第二”等术语。这些术语并不意图仅仅在时间上或根据序列使实体(例如，第一装置和第二装置)相关，但在一些情况下，这些实体可包含此关系。这些术语也不限制可在系统或环境内操作的可能实体(例如装置)的数目。
应理解，上文所描述的系统可提供那些组件中的任一者或每一者的多个组件，且这些组件可在独立机器或在一些实施例中在分布式系统中的多个机器上提供。
虽然所述方法和系统的前述书面描述使所属领域的一般技术人员能够制作并且使用目前被认为是最佳的模式，但是所属领域的一般技术人员将理解和了解，本文中的具体实施例、方法和实例存在变化、组合和等效物。因此，本发明的方法和系统不应受上文所描述的实施例、方法和实例限制，而是受在本公开的范围和精神内的所有实施例和方法限制。

Claims (20)

1.一种用于集成电池电源调节的系统，其包括：
备用电源调节器，其经配置以从电源接收输入电压且将输出电压提供到集成电路，其中所述备用电源调节器包括：
所述备用电源调节器的在所述集成电路外部的第一部分，及
所述备用电源调节器的在所述集成电路内部的第二部分，所述备用电源调节器的所述第二部分接收来自所述备用电源调节器的所述第一部分的电流，
其中所述备用电源调节器的所述第二部分包括电压调节器，所述电压调节器经配置以选择性地调节从所述备用电源调节器的所述第一部分接收的所述电流，
其中穿过所述备用电源调节器的所述第一部分的所述电流的第一部分经选择性地提供到所述集成电路以作为至所述集成电路的电源节点的所述输出电压，且其中穿过所述备用电源调节器的所述第二部分的所述电流的第二部分经第一电路提供以穿过所述备用电源调节器的所述第二部分且不跨越所述电源节点。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述备用电源调节器的所述第二部分包括分路电压调节器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述备用电源调节器的所述第二部分经配置以增大穿过所述备用电源调节器的所述第一部分的电流以减小到所述集成电路的所述输出电压。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述备用电源调节器的所述第二部分经配置以减小穿过所述备用电源调节器的所述第一部分的电流以增大到所述集成电路的所述输出电压。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述备用电源调节器的所述第二部分经配置以选择性地调整穿过所述备用电源调节器的所述第二部分的所述电流的所述第二部分。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述备用电源调节器的所述第一部分包括电阻器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述电阻器经配置以耗散与所述输入电压与所述输出电压之间的差值成比例的功率的量。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述备用电源调节器的所述第二部分包括电压参考电路和分压器，以及差分放大器。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述备用电源调节器的所述第二部分进一步包括通过所述差分放大器控制的电流旁路分流器。
10.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括连接到所述备用电源调节器的所述第一部分的低通滤波器。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述低通滤波器包括分路电容器。
12.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括连接到所述备用电源调节器的所述第一部分和所述备用电源调节器的所述第二部分中的每一个的瞬态电压抑制器。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述集成电路包括唤醒电路。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述输入电压比所述输出电压大至少一数量级。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述备用电源调节器的所述第二部分和所述集成电路具有小于所述输入电压的工作电压极限。
16.一种用于集成电池电源调节的方法，其包括：
通过备用电源调节器的第一部分在第一电压下从电源接收电流，所述备用电源调节器的所述第一部分在集成电路外部；
通过所述备用电源调节器的在所述集成电路内部的第二部分从所述备用电源调节器的所述第一部分接收所述电流；
通过所述备用电源调节器的所述第二部分的电压调节器调节从所述备用电源调节器的所述第一部分接收的所述电流；
通过所述备用电源调节器的所述第二部分在第二电压下将所述电流的第一部分提供到所述集成电路的电源输入；及
通过所述备用电源调节器的所述第二部分的电路选择性地提供所述电流的第二部分以穿过所述备用电源调节器的所述第二部分且不将所述电流的所述第二部分提供到所述电源输入。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述备用电源调节器的所述第一部分包括电阻器，且其中所述备用电源调节器的所述第一部分耗散与所述电流乘以所述第一电压与所述第二电压之间的差值成比例的功率的量。
18.根据权利要求16所述的方法，其中调整所述电流的所述第二部分包括：
增大所述电流的所述第二部分以减小所述第二电压，或
减小所述电流的所述第二部分以增大所述第二电压。
19.一种用于集成电池电源调节的系统，其包括：
印刷电路板PCB，其经配置以从电源接收输入电压且为集成电路提供输出电压，其中所述PCB包括：
所述PCB的在所述集成电路外部的第一部分；及
所述PCB的在所述集成电路内部的第二部分，所述PCB的所述第二部分从所述PCB的所述第一部分接收电流，
其中所述PCB的所述第二部分的电压调节器经配置以选择性地调节从所述PCB的所述第一部分接收的所述电流以提供所述输出电压，
其中穿过所述PCB的所述第一部分的所述电流的第一部分被提供到所述集成电路的电源输入，且
其中穿过所述PCB的所述第二部分的所述电流的第二部分由电路选择性地提供以穿过所述PCB的所述第二部分且避免将所述电流的所述第二部分提供到所述集成电路的所述电源输入。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述PCB的所述第二部分经配置以选择性地调节穿过所述PCB的所述第二部分的所述电流的所述第二部分。
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