CN116210134A - 具有双向电池理想化的电源架构 - Google Patents

Abstract

一种用于在包括电池(22)和被配置为从电池汲取电能的一个或多个组件(18)的设备中使用的功率管理系统(1)可以包括：第一功率转换器，其被配置为电耦合在被配置为提供用于对电池(22)进行充电的电能的充电电路(16)和一个或多个下游组件(18)之间，以及双向功率转换器(20A)，其被配置为电耦合在所述充电电路和所述电池之间，其中，双向功率转换器被配置为基于一个或多个组件的功率需求和来自第一功率转换器的可用功率从所述电池转移电荷或从电池转移电荷。

Description

具有双向电池理想化的电源架构

相关申请

本公开要求于2020年8月14日提交的美国临时专利申请序列号63/065,759和2021年2月11日提交的美国临时专利申请序列号63/148,352的优先权，该两个申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及用于电子设备的电路，包括但不限于诸如无线电话和媒体播放器的个人音频设备，并且更具体地，涉及具有双向电池理想化的电源架构。

背景技术

便携式电子设备，包括诸如移动/蜂窝电话的无线电话，平板电脑、无绳电话、mp3播放器、智能手表、健康监视器和其他消费设备，正在广泛使用。这样的便携式电子设备可以包括用于实施用于将(例如，由锂离子电池提供的)电池电压转换成输送到便携式电子设备的一个或多个组件的供电电压的升压转换器的电路。电力输送网络也可以调节这种供电电压，并且在操作过程中将这些一个或多个设备的下游负载与电池的输出电压的波动隔离。

发明内容

根据本公开的教导，可以减少或消除与电源架构的现有方法相关联的一个或多个缺点和问题。

根据本公开的实施例，用于在包括电池和被配置为从电池汲取电能的一个或多个组件的设备中使用的功率管理系统可以包括：第一功率转换器，其被配置为电耦合在充电电路和一个或多个下游组件之间，充电电路被配置为提供用于对电池进行充电的电能，以及双向功率转换器，其被配置为电耦合在充电电路和电池之间，其中，双向功率转换器被配置为基于一个或多个组件的功率需求和来自第一功率转换器的可用功率从电池转移电荷或从电池转移电荷。

根据本公开的这些实施例和其他实施例，一种方法可以包括，在包括电池和被配置为从电池汲取电能的一个或多个组件的设备中，该电池从充电电路接收电能，该充电电路被配置为在第一功率转换器处提供用于对电池进行充电的电能，该第一功率转换器被配置为电耦合在充电电路和一个或多个下游组件之间。该方法还可以包括基于一个或多个组件的功率需求和来自第一功率转换器的可用功率，通过被配置为电耦合在充电电路和电池之间的双向功率转换器，从电池转移电荷或从电池转移电荷。

根据本公开的这些实施例和其他实施例，一种方法可以包括，设备可以包括电池、被配置为从电池汲取电能的一个或多个组件以及功率管理系统。功率管理系统可以包括：第一功率转换器，其被配置为电耦合在充电电路和第二功率转换器之间，该充电电路被配置为提供用于对电池进行充电的电能，以及双向功率转换器，其被配置为电耦合在充电电路和电池之间，其中，双向功率转换器被配置为基于一个或多个组件的功率需求和来自第一功率转换器的可用功率从电池转移电荷或从电池转移电荷。

本公开的技术优点对于本领域技术人员来说，从本文所包括的附图、描述和权利要求可以很容易地显而易见。实施例的目的和优点将至少通过权利要求中特别指出的元件、特征和组合来实现和达到。

应当理解，前面的一般描述和以下的详细描述都是示例和解释性的，并且不限制本公开中阐述的权利要求。

附图说明

通过参考以下结合附图进行的描述，可以获得对本实施例及其优点的更完整的理解，其中相同的附图标记指示相同的特征，并且其中：

图1示出了根据本公开的实施例的示例便携式电子设备；

图2示出了根据本公开的实施例的便携式电子设备内部的选定组件的框图；

图3示出了根据本公开的实施例的示例功率转换器的选定组件的框图；

图4示出了根据本公开的实施例的便携式电子设备的替代实施例中的便携式电子设备内部的选定组件的框图；以及

图5示出了根据本公开的实施例的另一示例功率转换器的选定组件的框图。

具体实施方式

图1示出了根据本公开的实施例的示例便携式电子设备1。图1描绘了耦合到耳机3的便携式电子设备1，耳机3的形式为一对耳塞扬声器8A和8B。图1中所示的耳机3仅仅是一个示例，并且应当理解，便携式电子设备1可以与各种音频换能器结合使用，包括但不限于耳机、耳塞、入耳式耳机和外部扬声器。插头4可以提供耳机3到便携式电子设备1的电端子的连接。便携式电子设备1可以向用户提供显示器并使用触摸屏2接收用户输入，或者可替选地，标准液晶显示器(LCD)可以与设置在便携式电子设备1的正面和/或侧面上的各种按钮、滑块和/或转盘相结合。

图2示出了根据本公开的实施例的集成到便携式电子设备1的选定组件的框图。如图2所示，便携式电子设备1可以包括电池充电器16、功率转换器10、电池22、功率转换器20A和一个或多个下游组件18。

电池充电器16可以包括被配置为对电池进行充电的任何系统、设备或装置，例如通过向电池输送电能，以便该电池将电能转换为存储在该电池中的化学能。在一些实施例中，电池充电器16可以包括有线充电器，其被配置为从电源插座或从移动电源汲取电能。在其他实施例中，电池充电器16可以包括无线充电器，该无线充电器被配置为经由电感耦合从无线充电板或类似设备汲取电能。在一些实施例中，便携式电子设备1可以包括有线充电器和无线充电器。

功率转换器10可以包括被配置为接收由电池充电器输出的充电器电压V_CHARGE(例如，5伏、9伏、20伏)，并将这种充电器电压V_CHARGE转换成供电电压(supply voltage)V_SUPPLY(例如，5伏)的任何系统、设备或装置。在一些实施例中，功率转换器10可以包括降压转换器，该降压转换器可以将充电器电压V_CHARGE转换为等于或小于充电器电压V_CHARGE的供电电压V_SUPPLY。在这些实施例和其他实施例中，功率转换器10可以包括电容式功率转换器或“电荷泵”。在其他实施例中，功率转换器10可以包括基于电感器的功率转换器。

电池22可以包括被配置为将存储在电池22内的化学能转换成电能以向便携式电子设备1的下游组件18供电的任何系统、设备或装置。此外，电池22还可以被配置为再充电，其中，它可以将电池22接收的电能转换成化学能，以存储用于稍后转换回电能。例如，在一些实施例中，电池22可以包括锂离子电池。

功率转换器20A可以包括被配置为在升压模式下操作以接收由电池22生成的电池电压V_BAT并将这种电池电压V_BAT转换成大于或等于电池电压V_BAT的供电电压V_SUPPLY的任何系统、设备或装置。此外，如下面更详细描述的，功率转换器20A还可以双向操作，包括降压模式，其中功率转换器20A可以将供电电压V_SUPPLY转换为小于或等于供电电压V_SUPPLY的电池电压V_BAT，以便对电池22进行再充电。

便携式电子设备1的下游组件18可以包括便携式电子设备1的任何合适的功能电路或设备，包括但不限于处理器、音频编码器/解码器、放大器、显示设备等。如图2所示，下游组件18可以由功率转换器10和功率转换器20A中的一个或两个生成的供电电压V_SUPPLY供电。

图3示出了根据本公开的实施例的示例功率转换器20A的选定组件的框图。功率转换器20A可以被用于实施图2中所示的功率转换器20A。

如图3所示，功率转换器20A可以包括多个感应相(inductive phase)24(例如，相24A和24B)。如图3所示，每个感应相24可以包括功率电感器32、第一开关34和第二开关36。尽管为了清楚和说明的目的，图3仅描绘了两个感应相24，但是在一些实施例中，功率转换器20A可以具有单个感应相24或者可以具有多于两个的感应相24。

在升压模式下操作时，控制电路30可以通过生成适当的控制信号P1、

P2和

周期性地使感应相24的第一开关34(例如，在感应相24的充电状态期间)和第二开关36(例如，在感应相24的转移状态期间)换向(commutate)，以将电池电压V_BAT升压到输出电容器38处的较高供电电压V_SUPPLY，以便将供电电压V_SUPPLY调节在期望的电压水平。

此外，在降压模式下操作时，控制电路30可以通过生成适当的控制信号P1、

P2和/>

周期性地使感应相24的第二开关36(例如，在感应相24的充电状态期间)和第一开关34(例如，在感应相24的转移状态期间)换向，以将供电电压V_SUPPLY降压到较低的电池电压V_BAT，以便对电池(例如电池22)进行充电，将供电电压V_SUPPLY调节在期望的电压水平。

因此，控制电路30可以感测充电器电压V_CHARGE、电池电压V_BAT、供电电压V_SUPPLY和/或与便携式电子设备1相关联的另一个合适的参数，并基于此确定其将以哪种模式操作，并且然后以这种模式操作。例如，当来自电池充电器16和功率转换器10的可用功率超过下游组件18所需的功率时，控制电路30可以在降压模式下操作功率转换器20A，以将这些多余的功率输送到电池22。作为另一个示例，当来自电池充电器16和功率转换器10的可用功率不足以供应下游组件18所需的功率时，控制电路30可以在升压模式下操作功率转换器20A以从电池22汲取功率。

使用诸如上述的这种电源架构，其中充电器路径(例如，电池充电器16和功率转换器10)的输出被耦合到供电电压V_SUPPLY，功率转换器20A可以在电池22放电期间升压到下游组件18，并且在电池22充电期间降压到电池22。如上所述的将双向功率转换器20A放置在供电电压V_SUPPLY和电池电压V_BAT的电节点之间的灵活性在于，它可以为下游组件18和充电器路径(例如，电池充电器16和功率转换器10)两者提供供电电压V_SUPPLY的理想固定电压，从而向下游组件18和充电器路径两者呈现理想化版本的电池行为。因为功率转换器20A可以在充电和放电期间将电池22理想化，所以功率转换器20A可以能够处理复杂情况中的功率分配，诸如当下游组件18所需的功率超过来自充电器路径的可用功率时可能发生的情况。

图4示出了根据本公开的实施例的便携式电子设备1的替代实施例1B中的便携式电子设备1内部的选定组件的框图。在替代实施例1B中，代替功率转换器10直接生成供电电压V_SUPPLY，功率转换器10可以生成中间供电电压V_SUPPLY’，其可以由功率转换器20B接收作为输入。同样如图4所示，可以使用功率转换器20B代替功率转换器20A。

图5示出了根据本公开的实施例的示例功率转换器20B的选定组件的框图。功率转换器20B可以在许多方面类似于功率转换器20A，除了在功率转换器20B中，中间供电电压V_SUPPLY’的节点可以被耦合到至少一个感应相24A的升压输出，供电电压V_SUPPLY的节点可以被耦合到至少一个感应相24B的升压输出，并且旁路开关40可以被连接在中间供电电压V_SUPPLY’和供电电压V_SUPPLY的节点之间。

在图4和图5所示的实施例中，当电池22具有不足的充电状态时，可能无法以足够高的电压从电池22升压，以匹配功率转换器10生成的中间供电电压V_SUPPLY’。因此，在其中功率转换器10的输出被耦合到功率转换器20A的升压输出的便携式电子设备1的情况下，由功率转换器10和功率转换器20A生成的电压的结果差可能导致不受控制的电流从充电器路径(例如，电池充电器16和功率转换器10)流出。

为了克服这个问题，控制电路30可以在功率转换器20B的旁路模式(bypass mode)或分离模式(split mode)下控制旁路开关40。在旁路模式下，功率转换器20B可以作为单个多相降压或升压转换器操作(例如，在如上关于功率转换器20A描述的升压模式或降压模式中的任一种下)。在可以在电池22处于低充电状态时被激活的分离模式中，功率转换器20B可以被有效地分离为两个单独的转换器，以允许从中间供电电压V_SUPPLY’降压至电池电压V_BAT(以便对电池22进行充电)，并且然后将电池电压V_BAT升压到至少供电电压V_SUPPLY的最小电压水平。因此，在电池22的充电状态不足以支持升压到更高电压的状况下，功率转换器20B能够在升压模式下操作。以较低电压操作供电电压V_SUPPLY可以减少下游组件18的电流需求。

如本文所使用的，当两个或更多个元件被称为彼此“耦合”时，该术语指示这两个或更多个元件处于电子通信或机械通信(如适用)中，无论是间接连接还是直接连接，有还是没有中间元件。

本公开包括本领域普通技术人员将理解的对本文示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。此外，在所附权利要求中，对适于、被布置成、能够、被配置成、启用于、可操作地或可运转地执行特定功能的装置或系统或装置或系统的组件的引用包括该装置、系统或组件，无论其或该特定功能是否被激活、开启或解锁，只要该装置、系统或组件被如此适应、布置、能够、配置、启用、可操作或运转。因此，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文描述的系统、装置和方法进行修改、添加或省略。例如，系统和装置的组件可以被集成或分离。此外，本文公开的系统和装置的操作可以由更多、更少或其他组件执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其他步骤。此外，可以以任何合适的顺序执行步骤。如本文件中使用的，“每个”是指集合的每个成员或集合子集的每个成员。

尽管示例性实施例在附图中示出并在下文中描述，但是可以使用任何数量的技术来实施本公开的原理，无论当前是否已知。本公开决不应被限于附图中所示和上文所述的示例性实施方式和技术。

除非另有特别说明，否则附图中描绘的物品不一定按比例绘制。

本文中所列举的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解本公开和发明人为推进本领域所贡献的概念，并且被解释为不限于这些具体列举的示例和条件。尽管已经详细描述了本公开的实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。

尽管上面已经列举了具体的优点，但是各种实施例可以包括一些、没有或所有枚举的优点。此外，在回顾前述附图和描述之后，其他技术优点对于本领域普通技术人员来说可能变得显而易见。

为了帮助专利局和就本申请发布的任何专利的任何读者解释本申请所附的权利要求，申请人希望注意，他们不旨在任何所附权利要求或权利要求要素援引35U.S.C.§112(f)，除非在特定权利要求中明确使用词语“手段用于”或“步骤用于”。

Claims (18)

1.一种用于在设备中使用的功率管理系统，所述设备包括电池和被配置为从所述电池汲取电能的一个或多个组件，所述功率管理系统包括：

第一功率转换器，其被配置为电耦合在充电电路和所述一个或多个组件之间，所述充电电路被配置为提供用于对所述电池进行充电的电能；以及

双向功率转换器，其被配置为电耦合在所述充电电路和所述电池之间，其中，所述双向功率转换器被配置为基于所述一个或多个组件的功率需求和来自所述第一功率转换器的可用功率从所述电池转移电荷或从所述电池转移电荷。

2.根据权利要求1所述的功率管理系统，其中，所述双向功率转换器被配置为：

当所述功率需求小于来自所述第一功率转换器的所述可用功率时，以第一模式操作以向所述电池转移电荷；以及

当所述功率需求大于来自所述第一功率转换器的所述可用功率时，以第二模式操作以从所述电池转移电荷。

3.根据权利要求2所述的功率管理系统，其中，所述双向功率转换器被配置为：

在所述第一模式下作为降压转换器操作；以及

在所述第二模式下作为升压转换器操作。

4.根据权利要求1所述的功率管理系统，其中，所述双向功率转换器被配置为在多种模式下操作，所述多种模式包括：

旁路模式，其中所述双向功率转换器作为单个多相功率转换器操作；以及

分离模式，其中所述双向功率转换器作为两个单独的功率转换器操作。

5.根据权利要求4所述的功率管理系统，其中，所述两个单独的功率转换器包括降压转换器和升压转换器。

6.根据权利要求5所述的功率管理系统，其中：

所述降压转换器将由所述充电电路生成的充电电压转换为用于对所述电池进行充电的电池电压；以及

所述升压转换器将所述电池电压转换为用于向所述一个或多个组件供电的供电电压。

7.一种方法包括，在包括电池和被配置为从所述电池汲取电能的一个或多个组件的设备中：

从充电电路接收电能，所述充电电路被配置为在第一功率转换器处提供用于对所述电池进行充电的电能，所述第一功率转换器被配置为电耦合在所述充电电路和所述一个或多个组件之间；以及

基于所述一个或多个组件的功率需求和来自所述第一功率转换器的可用功率，通过被配置为电耦合在所述充电电路和所述电池之间的双向功率转换器从所述电池转移电荷或从所述电池转移电荷。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

当所述功率需求小于来自所述第一功率转换器的所述可用功率时，以第一模式操作所述双向功率转换器以向所述电池转移电荷；以及

当所述功率需求大于来自所述第一功率转换器的所述可用功率时，以第二模式操作所述双向功率转换器以从所述电池转移电荷。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

在所述第一模式下将所述双向功率转换器作为降压转换器操作；以及

在所述第二模式下将所述双向功率转换器作为升压转换器操作。

10.根据权利要求7所述的方法，还包括在多种模式下操作所述双向功率转换器，所述多种模式包括：

旁路模式，其中所述双向功率转换器作为单个多相功率转换器操作；以及

分离模式，其中所述双向功率转换器作为两个单独的功率转换器操作。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述两个单独的功率转换器包括降压转换器和升压转换器。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述降压转换器将由所述充电电路生成的充电电压转换为用于对所述电池进行充电的电池电压；以及

所述升压转换器将所述电池电压转换为用于向所述一个或多个组件供电的供电电压。

13.一种设备，包括：

电池；

一个或多个组件，其被配置为从所述电池汲取电能；以及

功率管理系统，包括：

第一功率转换器，其被配置为电耦合在充电电路和所述一个或多个组件之间，所述充电电路被配置为提供用于对所述电池进行充电的电能；以及

双向功率转换器，其被配置为电耦合在所述充电电路和所述电池之间，其中，所述双向功率转换器被配置为基于所述一个或多个组件的功率需求和来自所述第一功率转换器的可用功率从所述电池转移电荷或从所述电池转移电荷。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述双向功率转换器被配置为：

当所述功率需求小于来自所述第一功率转换器的所述可用功率时，以第一模式操作以向所述电池转移电荷；以及

当所述功率需求大于来自所述第一功率转换器的所述可用功率时，以第二模式操作以从所述电池转移电荷。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述双向功率转换器被配置为：

在所述第一模式中作为降压转换器操作；以及

在所述第二模式中作为升压转换器操作。

16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述双向功率转换器被配置为在多种模式下操作，所述多种模式包括：

旁路模式，其中所述双向功率转换器作为单个多相功率转换器操作；以及

分离模式，其中所述双向功率转换器作为两个单独的功率转换器操作。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述两个单独的功率转换器包括降压转换器和升压转换器。

18.根据权利要求17所述的设备，其中：

所述降压转换器将由所述充电电路生成的充电电压转换为用于对所述电池进行充电的电池电压；以及

所述升压转换器将所述电池电压转换为用于向所述一个或多个组件供电的供电电压。

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