CN1636143A - 用于确定电池操作的设备的平均电流消耗的方法和电路装置 - Google Patents

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Abstract

为了确定电子设备的平均电流消耗，在设备1的典型操作程序期间并且在设定的测量时间T内，能量存储器C通过设备1在设定的上电压阈值Uso和设定的下电压阈值Usu之间反复地充电和放电。计数在测量时间T发生的充电过程的数目N，从数目N计算平均电流消耗，计算中还要考虑设定的值。

Description

用于确定电池操作的设备的平均电流消耗的方法和电路装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定通过能源操作的电子设备的平均电流消耗的方法，具体讲能源是电池或蓄电池，具体来说电子设备一种由微控制器和/或信号处理器控制的设备。本发明还涉及用于实现该方法的电路装置。
背景技术
为了对于电池操作的设备如蜂窝电话设备进行技术描述，必须显示出每次电池充电的可能的操作周期，从而用户可以形成一个概念：在两次电池充电之间设备的可能运行时间有多少。
在许多电池操作的设备中都使用微控制器和/或信号处理器。这些设备的电流消耗取决于所用的硬件，并且在相当大的程度上取决于所用的软件。电流消耗取决于设备的相应的操作状态以及运行的特定的程序码。
确定运行时间的一种可能的方式是，利用充满电的电池接通这个设备，并且测量设备接通和断开之间的时间，当电池放电到设备不再能再可靠工作的程度的时候设备的断开是自动发生的。这个时间就是设备的运行时间。在这方面的问题是，电池的运行时间可能非常长，超过几个星期、几个月、甚至于几年。测量时间也要随之延长，然而这样长的测量时间在实践中是不可接受的。
另一种选择是，在出现设备的主要操作状态的有限的时间周期内，测量平均电流消耗。然后，根据充满电的电池的标称容量和平均电流消耗计算设备的运行时间。按照这种现有技术，电流测量是使用在欧姆电阻器两端的电压降实现的，这个电压正比于流动的电流。为了进一步的数字处理，在这个时间周期必须测量大量的电压值。由于在电子设备中的电流消耗通常是以大的幅度动态地迅速涨落，小误差测量值不容易获得。例如，在移动电话的情况下，在典型的操作状态中，电流消耗的涨落在大约2mA和2A之间。
在US5528136、US6291971、US5869960和EP 1 022 575中描述了测量设备的电流消耗的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种方法和电路装置，其中，即使设备的电流消耗随时间迅速涨落而且幅度变化相当大，也可以简单地、低误差率地确定设备的平均电流消耗。按照本发明，上述的目的是借助于权利要求1的特征所述的方法和权利要求6所述的电路装置来实现的。
对于所述的方法和所述的设备，待测量电流流过的测量电阻器不是必须的，因此没有提供。在设定的测量时间内能量存储器反复地充电，并且通过设备放电。放电过程持续时间的长、短取决于设备相应的电流消耗。将相应的电流转换成时间周期。对于在设定的测量时间内发生充电过程的数目进行计数，从这个数目和设定值计算平均电流消耗。
这样，即使在电流消耗阶段明显随时间发生针对幅度的涨落，也能极其准确地确定设备的平均电流消耗。
最好这样来设定测量时间，以致于在这个测量时间内将发生典型的操作序列。测量时间要明显短于能源、电池或蓄电池的运行时间。
设定上阈值和下阈值，使它们位于能源能够操作设备的范围之内。这样，在达到下阈值时设备还没有切断。
最好使用电容器作为能量存储器。上阈值和下阈值都是电容器两端电压降的电压阈值。然而，还可以使用电感，特别是线圈，作为能量存储器。
附图说明
下面参照附图中表示的实施例详细描述本发明，但是本发明不限于此。在附图中：
图1是用于确定电池操作的电子设备的平均电流消耗的电路装置的方块图；
图2表示能量存储器的充电分布曲线随测量时间变化的实例。
具体实施方式
对于电子设备1，例如移动电话，需要确定平均电流消耗Iavg。为了控制设备的功能，设备1要包括微控制器和/或信号处理器(未示出)。设备1的电流消耗按照各种不同的程序控制的操作序列有相当大的涨落，涨落的速度快慢也有所不同。例如，电流消耗在2mA和2A之间涨落。为了给设备提供电流，电池、尤其是可充电电池可作为能源提供。
为了确定平均电流消耗，可提供如图1中虚线所示的电路装置2。电路装置2连接到能源3。能源3可以是为设备1的操作提供的电池，或者是一个等效的电源单元。电路装置2的开关元件S可串联连接在设备1的连接终端1’和能源3的连接终端3’之间。电容器C作为能量存储器与设备1的连接终端1’和1”并联连接。电容器C的电容例如约为5mF-40mF，尤其是7mF-20mF。
电路装置2包括一个比较器组件4，比较器组件4具有两个比较器5、6，它们都连接到逻辑电路7。将分别在电容器C上存在的可调上电压阈值Uso和测量电压Um(t)加到比较器5上。将分别在电容器C上存在的可调下电压阈值Usu和测量电压Um(t)加到比较器6上。如果电压Um(t)变为大于Uso，则逻辑电路7将开关元件S切换到非导通状态。如果电压Um(t)变为小于电压阈值Usu，则逻辑电路7将开关元件S切换到导通状态。电压阈值在设备1连续操作的电压范围内。如果设备1的操作电压例如是4.2伏到3.0伏，则上阈值例如设在3.8伏，下阈值设在3.5伏。
如果开关元件S切换到导通状态，电容器C由能源3充电，电压Um(t)迅速上升到电压阈值Uso。当达到上阈值Uso时，开关元件S打开，这时电容器C通过设备1放电，一直到达到下电压阈值Usu时为止。以下假定，对于电容器C的充电时间是0，电容器C的放电以在电压阈值Uso和Usu之间的基本线性的方式进行(参见图2)。
在放电阶段，设备1操作，它的电流消耗对应于相应的操作状态。电容器C的放电时间取决于在对应的操作状态中的电流消耗。当达到下电压阈值Usu时，开关元件S切换回到导通状态，从而使电容器C重新充电。充电/放电过程重复进行。图2的电压曲线图表示出多个这样的充电过程，每个充电过程都有不同的放电时间t1、t2、t3、t4、...tN，这是因为设备有不同的操作阶段或者设备有不同的电流消耗。
为了计数在设定的测量时间T内发生的充电过程的数目N，电路装置2包括一个具有时钟发生器9的计数器8。计数器8响应开关元件S的接通和/或断开。对于测量时间T进行设置，以使设备1的典型操作状态发生在测量时间内。已经表明，从1秒到60秒、特别是从5秒到30秒的测量时间T是适用于常规的移动电话的情况的。然而，还可以按不同的方式选择测量时间T，使其对应于具有不同电流消耗的可能发生的操作过程。
电路装置2的计算单元10根据测量时间T中发生的切换过程或放电过程所计数的数目N、设定的测量时间T、和设定的上电压阈值Uso和下电压阈值Usu以及电容器C的已知电容来确定平均电流消耗。每个时间周期t1、t2、t3、t4、...tN的电流In是：
In＝C×Ud/tn
其中：
In是对应的放电过程的平均电流，
C是电容器C的电容，
Ud是上电压阈值Uso和下电压阈值Usu之间的电压差，
tn是对应的放电过程的持续时间。
从以下公式通过计算单元10计算在整个测量时间T内的平均电流Iavg：
I avg × T = Σ i = 1 n I n × Tn = Σ l = 1 n C × Ud = N × C × Ud
从而得到：
Iavg＝(N×C×Ud)/T.
把电池容量除以平均电流Iavg，就可以从平均电流Iavg计算出期望的电池运行时间。
优选的作法是，如果测量时间T、电容器电容C、和在上电压阈值Uso和下电压阈值Usu之间的电压差都保持为常数，要想确定平均电流Iavg，则必须确定的值只有一个，即在测量时间T内放电过程的数目N。于是，即使在电流消耗随时间并且针对幅度有相当大的变化的情况下，也能相当准确地检测到这个平均电流(与在测试设备中实际流动的电流相比，偏差小于5％)。由于测量用的电阻器不是必需的，所以根本不存在一旦出现大负载电流时有关设备的电压下降的问题。
若在模拟电路结构中利用部件4和C和在具有数字逻辑电路的分立结构中利用部件8、9、10，以及可编程的逻辑电路，如FPGA(可字段编程的门控阵列)、微控制器、或者可能进行模拟值处理的一个相连的计算机，可以产生上述的电路装置。

Claims (10)

1.一种确定通过能源操作的电子设备的平均电流消耗的方法，具体来说，电子设备是一种由微控制器和/或信号处理器控制的设备，具体讲，能源是电池或蓄电池，其特征在于：在设备(1)的典型操作序列期间并且在设定的测量时间(T)内，连接在能源(3)和该设备(1)之间的能量存储器(C)在设定的上阈值(Uso)和设定的下阈值(Usu)之间反复地充电和放电，
作为对应的电流消耗的结果，能量存储器(C)在设备(1)两端放电到下电压阈值，
其中，对在测量时间(T)发生的充电和/或放电过程的数目(N)进行计数，和
其中，从计数的充电和/或放电过程的数目(N)，并且从设定的测量时间(T)以及能量存储器(C)的容量、设定的上阈值(Uso)和设定的下阈值(Usu)计算平均电流消耗(Iavg)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对于测量时间(T)进行设置，以使设备(1)的典型操作状态发生在测量时间内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：对于上阈值(Uso)和下阈值(Usu)进行设置，以使它们处在能源(3)能够操作设备(1)的范围内。
4.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于：使用电容器(C)作为能量存储器。
5.根据前述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于：对于充电时间进行选择，以使与发生的放电时间(t1、t2、...tN)相比，充电时间非常短。
6.一种用于确定电池操作的电子设备的平均电流消耗的电路装置，其特征在于：开关元件(S)设置在能源(3)和设备(1)之间，并且
其特征还在于：提供一个能量存储器(C)，它可通过开关元件(S)从能源(3)充电，并可通过设备(1)放电，其特征在于：比较器组件(4)确定能量存储器(C)的充电状态，如果超过了预定的上电压阈值(Uso)，比较器组件(4)将开关元件(S)切换到非导通状态，如果落在了下电压阈值(Usu)以下，比较器组件(4)将开关元件(S)切换到导通状态，当开关元件(S)处在导通状态，能量存储器(C)充电，并且当开关元件(S)处在非导通状态时，能量存储器(C)按照它的对应的电流消耗通过设备(1)放电，并且
其中，提供一个计数器(8)，用于计数在预定的测量时间(T)内发生的充电和/或放电过程的数目(N)，
其中提供一个计算单元(10)，用于根据所说的数目(N)、测量时间(T)、能量存储器(C)的确定的容量、以及上电压阈值(Uso)和下电压阈值(Usu)计算平均电流消耗。
7.根据权利要求6所述的电路装置，其特征在于：能量存储器是一个电容器。
8.根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于：电容器的电容约为5mF-40mF，尤其是7mF-20mF。
9.根据前述权利要求6-8中任何一个所述的电路装置，其特征在于：测量时间(T)为从1秒到45秒，尤其是5秒到30秒，
电容器(C)的电容是如此之大，以致于在典型的操作序列的情况下，在测量时间(T)期间内可发生多个充电和放电过程，具体来说有100-1000次放电过程。
10.根据前述权利要求6-9中任何一个所述的电路装置，其特征在于：上电压阈值约在4.2伏和3.6伏之间，特别是在3.8伏，下电压阈值约在3.5伏和3.0伏之间，特别是在3.5伏。
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