CN110968178B - 针对锂离子和混合式电容器的自适应充电电压管理装置 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于自适应电容器充电电压管理的系统和技术，更具体地，用于锂离子电容器和混合式电容器的系统和技术。所述技术基于电容器的电容和等效串联电阻(ESR)中的一个或多个以及电容器工作温度来适配所述电容器充电电压，并且由此适配电容器存储的能量。

Description

针对锂离子和混合式电容器的自适应充电电压管理装置

附图说明

为了容易地标识对任何特定元素或动作的讨论，参考标号中最显著的一个或多个数字指代的是首次引入该元素的图号。

图1示出了根据一个实施例的存储器模块100。

图2示出了根据一个实施例的自适应电容器充电电压管理系统200。

图3示出了根据一个实施例的电容器充电电压分布曲线300。

图4示出了根据一个实施例的自适应电容器充电电压管理过程400。

图5示出了根据一个实施例的温度关联电压控制结构500。

图6示出了根据一个实施例的温度关联电压控制结构600。

具体实施方式

“控制结构”是指机器存储器区域，其被配置为使得与来自传感器、换能器或时钟的测量相对应的值或值的范围与电容器上的电压的控制设置相关联。

“混合式电容器”是指具有电容器和电池两者的特性的电源。

“锂离子电容器”是指通常利用活性炭作为阴极的电容器类型。阳极通常利用预先掺杂有锂离子的碳材料。与其他超级电容器相比，这种预先掺杂过程降低了阳极的电势并允许相对较高的输出电压。

“系统内测试”是指在主机系统内对系统的部件进行的测试，与利用外部自动测试设备进行的测试相反。

“超级电容器”是指一种电容值比传统电容器高得多(但具有较低的电压限制)的电容器，可以填补电解电容器和可充电电池之间的空白。它们通常每单位体积或质量存储比电解电容器多10到100倍的能量，可以比电池快得多地接受和传递电荷，并且可以承受比可充电电池多得多的充电和放电循环。

除非上下文中定义或指示了另一种含义，否则本文所使用的术语应符合其在本领域中的普通含义。

本文公开了用于自适应电容器充电电压管理的系统和技术，更具体地，用于锂离子电容器和混合式电容器的系统和技术。该技术基于电容器的电容和等效串联电阻(ESR)中的一个或多个以及电容器工作温度来适配电容器充电电压，并且由此适配电容器存储的能量。

快速控制回路用于使电容器充电电压适配电容器工作温度的变化，而慢速控制回路(相对于快速控制回路的监测率而言较慢)用于使电容器充电电压适配电容和/或等效串联电阻的变化。电容性电源的一个或多个电容器被充电到最小的安全启用电压，以在至设备部件的主电力失效时执行它们可能被需要的潜在电力功能，在设备的操作期间，快速控制回路和慢速控制回路会随着电容器工作温度变化并且同样随着电容和ESR中的一个或多个变化而自适应地调整电容器充电电压。

图1示出了根据一个实施例的存储器模块100。存储器模块100包括混合式存储器102，混合式存储器102包括易失性存储器104和非易失性存储器106。存储器模块100进一步包括控制器108、电力管理器110和电容器电源112。存储器模块100经由主机电源114接收电力。

存储器模块100通过结合使用低成本易失性存储器104(例如，SRAM)和低成本非易失性存储器106(例如，闪存)来提供低成本、高密度、非易失性存储器。其他元件和/或元件之间的耦合件对于相关领域的技术人员可以是显而易见的。除了一个或多个电容器之外，电容器电源112可以包括一个或多个电池。电容器可以是所谓的“超级电容器”，诸如锂离子电容器和混合式电容器(具有较慢的电池能量释放能力的电容器)。

易失性存储器104可以包括SDRAM(同步动态随机存取存储器)。也可以使用其他类型的易失性随机存取存储器。非易失性存储器106可以包括NAND闪存，并且同样，可以使用其他类型的非易失性存储器。

电力管理器110以模块化形式(例如DIMM可插拔形式)将存储器模块100接合到外部能源，例如，包含并使用存储器模块100的较大系统(例如，“主机”系统)的主机电源114。例如，主机电源114可以是包含存储器模块100的个人或商业计算机系统的电力。

电力管理器110也接合到电容器电源112。电容器电源112可以包括一个或多个电力电容器和/或一个或多个电池。当主机电源114发生故障时，电容器电源112在临时的时间内向存储器模块100提供备用电力。电容器电源112可以在足够长以将数据块从易失性存储器104复制到非易失性存储器106的时间内提供电力。

在主机电源114故障的情况下，存储器模块100可以作为主机设备的隔离子系统操作。电力管理器110或控制器108可以检测到主机电源114已经发生故障。然后，控制器108可以开始将当前存储在易失性存储器104中的数据备份到非易失性存储器106中。本文中，术语“备份”意味着易失性存储器104的数据被存储到非易失性存储器106。在恢复主机设备电力时，控制器108可以开始将备份的数据从非易失性存储器106恢复到易失性存储器104。本文中，术语“恢复”意味着非易失性存储器106的数据被存储到易失性存储器104。

控制器108因此可以包括当主机电源114发生故障时将数据从易失性存储器104备份到非易失性存储器106，以及当主机设备电力再次变得可用时将数据从非易失性存储器106恢复到易失性存储器104的逻辑。

注意这不意味着存储器模块100必须在主机设备电力可用时操作主机设备电力。在一些实现中，存储器模块100可以始终对由电力管理器110供应的电力进行操作，其中在主机设备电力可操作时电力管理器110从主机设备电力进行补充。

本领域技术人员将理解，各种功能组件(诸如，电力管理器110和控制器108以及甚至是易失性存储器104和非易失性存储器106)实际上可以一起实现为一个或多个集成电路器件(例如，片上系统)或封装为一个或多个分立的物理部件。

甚至当主机设备的电力故障时，存储在存储器模块100内的数据仍然留存。主机设备可以与存储器模块100交互，就像与易失性存储器104交互一样(并且，在一些情况下，主机设备可以将易失性存储器104“视为”与易失性存储器104实际类型不同的类型的易失性存储器技术)，即使，显然地，在不存在主机设备电力的情况下，数据被存储器模块100永久地内部存储在非易失性存储器106中。

存储器模块100可以仅在主机设备电力故障的情况下将数据写入非易失性存储器106。因此，如果每次写入数据是从主机设备写入存储器模块100，非易失性存储器106经历比将发生的少很多的写入周期。当非易失性存储器106是低成本、有限占空比NAND闪存时，导致了非易失性存储器106的使用寿命的延长。

控制器108为主机设备提供存储器接口。存储器接口可以包括用于一些特定种类的易失性存储器的标准数据和控制接口。例如，即使当易失性存储器104不是SDRAM时，控制器108可以向外部系统提供SDRAM数据、地址和控制接口。提供给主机设备的接口可以是或可以不是用于由主机设备实际使用的易失性存储器的类型的接口。

控制器108可以另外提供接口，主机设备可以由该接口将命令发送到存储器模块100以控制存储器模块100或获得状态。例如，在一些实施例中，即使主机设备电力仍然可用，主机设备可以命令存储器模块100开始从易失性存储器104到非易失性存储器106的数据备份。附加地或替代地，存储器模块100或主机设备可以在图形用户界面上提供直接用户界面(诸如，开关或控制)，由此主机设备的用户可以直接开始从易失性存储器104到非易失性存储器106的数据复制。可以在一些实施例中在存储器模块100上开始的另一个动作是将数据从非易失性存储器106恢复到易失性存储器104。在一些实施例中，主机设备可以对存储器模块100操作其系统界面以开始存储器模块100的系统内测试。

如先前所述，控制器108可以包括将易失性存储器104接合到主机设备(诸如，个人计算机系统或商业计算机系统)的逻辑。存储器模块100的应用的其他示例是嵌入式控制应用、通信、和消费产品。

控制器108可以向主机设备呈现接口，使得易失性存储器104对于由主机设备对数据的读取和写入是可寻址的。

电力管理器110的逻辑可以检测何时来自主机设备的电力发生故障。例如，主机设备可能遭受电源中断或电池故障。当主机设备电力故障时，电力管理器110可以向易失性存储器104、非易失性存储器106和控制器108提供备用电源长达实现数据从易失性存储器104备份到非易失性存储器106的足够长的时间。当主机设备电力“开启”时，电力管理器110可以充当该备用电力的来源和来自主机设备的电力的导管。

在一些实施例中，控制器108可以包括实现主机设备开始从易失性存储器104到非易失性存储器106的数据的备份的逻辑，而不是等待电源故障以开始备份。控制器108也可以包括用于向主机设备仿真除了易失性存储器的实际类型之外的类型的易失性存储器的逻辑。例如，在内部，存储器模块100可以将SDRAM用于易失性存储器104。然而，控制器108可以包括用于向主机设备仿真同步动态RAM(SDRAM)、双数据速率RAM(DDRAM)、DDR2、异步SRAM、C-F卡、或串行总线(其他示例中)的逻辑。

存储器模块100的一些或全部部件可以以各种方式实现。例如，这些部件可以被实现为多芯片组、板子系统或甚至单芯片中的一个。

数据的备份和恢复可以被实现为数据从易失性存储器104通过控制器108移动到非易失性存储器106以及从非易失性存储器106通过控制器108移动到易失性存储器104。在其他实施例中，备份和恢复可以通过数据从易失性存储器104直接移动到非易失性存储器106而不经过控制器108实现，并且控制器108作为数据备份或恢复的协调控制器来操作。

图2示出了一个实施例中的用于电容器电源112的自适应电容器充电电压管理系统200。自适应电容器充电电压管理系统200包括利用热传感器210的快速控制回路202以及利用电容测量设备206和ESR测量设备208中的一个或两个的慢速控制回路204。控制器108通过快速控制回路202从热传感器210接收电容器工作温度的测量值，并通过慢速控制回路204从电容测量设备206和ESR测量设备208接收电容和/或ESR的测量值。控制器108利用存储器214中的控制结构212来操作开关216，以基于施加到控制结构212(可以是存储器表或算法或两者)的这些测量值对电容器电源112的一个或多个电容器进行充电。控制器108进一步利用时钟218设备(可以在控制器108内部或外部)来设置快速控制回路202和慢速控制回路204的速率。在一些实施例中，控制结构212可以位于混合式存储器102中。

图3示出了一个实施例的电容器充电电压分布曲线300。电容器充电电压曲线300图示了在最小低温安全使能电压306下到低温使能点304的低温电容器充电斜坡302，在最小低温安全使能电压306下可以安全地将电容器用作在较低温度的一些设备操作(诸如，将数据从易失性存储器备份到非易失性存储器)的电源。电容器充电电压曲线300进一步示出了在经调整的最小高温安全使能电压312下到高温使能点310的高温电容器充电斜坡308，在经调整的最小高温安全使能电压312下可以安全地将电容器用作在较高温度的一些设备操作的电源。

在没有低温使能点304或经调整的最小高温安全使能电压312的情况下，将使用折衷的固定使能电压(未调整的绝对最小电容器充电电压318或最小低温安全使能电压306)。固定的、未调整的绝对最小电容器充电电压318或最小低温安全使能电压306，不受温度和老化的影响，会由于以高于其温度环境和能量存储电容所需电压的较高电压操作电容器而加速电容器的老化从而损害产品寿命，或者由于在使用寿命终止时没有足够的能量来延长其功能而过早地缩短产品寿命。

图4示出了根据一个实施例的自适应电容器充电电压管理过程400。在电源开启时(开始框402)，测量电容性电源的电容和/或ESR(框404)。基于该测量值(判定框406)，可以基于电容关联电压控制结构和/或ESR关联电压控制结构来调整电容器充电电压(框408)，之后测量电容器工作温度(框410)，并且基于温度(并且在一些实施例中也进一步基于电容器工作寿命)、基于温度关联电压控制结构进一步增加或减小电容器充电电压。如果电容器充电电压的慢速控制回路(具有比快速控制回路较慢的响应时间)的配置的时间间隔已经过去(判定框414)，或者响应于主机命令，自适应电容器充电电压管理过程400以电容和/或ESR的另一个测量在框404处重复。否则，在框410处接合快速控制回路以重复对电容器工作温度的测量(通常也在一些较短的配置的时间间隔之后，该较短的配置的时间间隔比接合慢速控制回路的配置的时间间隔短例如至少10倍)。

图5示出了在一个实施例中用于设置电容器充电电压的温度关联电压控制结构500。温度关联电压控制结构500以存储器结构表格格式示出，但是在一些实施例中可以通过执行算法的逻辑(例如，机器指令)来实现。温度关联电压控制结构500包括基于电容器的寿命(由慢速控制回路中的电容的测量代理)和温度区域的适应的电容器充电电压设置。图6示出了在一个实施例中用于设置电容器上限充电电压的温度关联电压控制结构600。温度关联电压控制结构600包括基于电容器的寿命(由慢速控制回路中的等效串联电阻的测量代理)和温度区域的适应的电容器充电电压设置。因此，除了快速控制回路基于温度区域设置电容器充电电压之外，接合慢速控制回路基于可以代理电容器工作寿命的电容和等效串联电阻中的一个或两个来设定电容器充电电压。温度关联电压控制结构500可以被划分为温度区域，其中仅跨温度区域而不在温度区域内对电容器充电电压进行调节。

Claims (10)

1.一种用于自适应充电电压管理的装置，所述装置包括：

电容性电源；

电压调整电路，所述电压调整电路用于设置所述电容性电源的电容器充电电压；

用于所述电容性电源的电容测量部件或等效串联电阻测量部件；

温度传感器；

控制器，所述控制器用于在慢速控制回路上操作所述电容测量部件或所述等效串联电阻测量部件以设置所述电容器充电电压，其中，所述慢速控制回路用于使所述电容器充电电压适配电容和/或等效串联电阻的变化；以及

所述控制器用于在快速控制回路上操作所述温度传感器以设置所述电容器充电电压，其中，所述快速控制回路用于使所述电容器充电电压适配电容器工作温度的变化。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电容性电源包括至少一个锂离子电容器。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电容性电源包括至少一个混合式电容器。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电容性电源包括至少一个电池。

5.根据权利要求1所述的装置，其还包括混合式存储器，其中，所述混合式存储器包括易失性存储器和非易失性存储器。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述电容性电源被配置为向所述混合式存储器提供操作电力，使得在所述装置的电源故障期间，所述易失性存储器中的数据被复制到所述非易失性存储器。

7.根据权利要求1所述的装置，其还包括设置在电源和所述电容性电源之间的电力开关，其中，所述电力开关由所述电压调整电路控制。

8.根据权利要求7所述的装置，其还包括控制结构，所述控制结构具有存储器表和算法中的至少一个，其中，所述电压调整电路利用所述控制结构来调整所述电力开关的操作。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述电源被配置为对所述电容性电源进行充电。

10.根据权利要求1所述的装置，其还包括时钟设备，所述时钟设备被配置为设置所述慢速控制回路和所述快速控制回路的速率。

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