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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Batterieladegeräte und Stromversorgungssysteme, und spezieller auf Stromversorgung für Plattformen mit aufladbaren Versorgungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Erfindungsgemäße Ausführungsformen werden beispielhaft und in keiner Weise einschränkend in den Figuren der begleitenden Zeichnungen dargestellt, wobei gleiche Bezugsnummern sich auf ähnliche Elemente beziehen.
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1 ist ein Schaltdiagramm, das ein herkömmliches Adapter-Batterie-Ladegerätsystem für eine Computerplattform zeigt.
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2A veranschaulicht einen traditionellen Modus mit einem Adapter, der Strom an sowohl eine Batteriepackung als auch an die Plattformladung bereitstellt.
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2B veranschaulicht einen Boostmodus für einen Adapter und eine Batteriepackung, die beide Strom an eine Plattformladung bereitstellen sollen.
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3 ist ein Schaltdiagramm, das ein Adapter-Batterie-Ladegerätstromsystem mit einer Boostmodusleistungsfähigkeit für eine Computerplattform zeigt.
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4 ist ein vereinfachtes Diagramm des Stromsystems von 3.
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5 zeigt das Diagramm von 4, das gezeichnet ist, um die Schaltkonfiguration zu demonstrieren, wenn der Adapter mit dem System verbunden ist.
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6 zeigt einen Teil einer beispielhaften Ladegerätcontrollerschaltung mit Boostleistungsfähigkeit in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen.
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7 zeigt Simulationsergebnisse für das Adapter-Ladegerät-Batteriesystem von 6, wenn die Plattformenergieverbrauchslevel sich von dem Level unter der Adapterleistungsfähigkeit zu dem Level über der Adapterleistungsfähigkkeit ändern.
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8 zeigt Ergebnisse von 7, fokussiert darauf, dass der Adapter Strom an die Batterie und die Plattform bereitstellt.
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9 zeigt Ergebnisse von 7, fokussiert darauf, dass die Batterie den Adapter ergänzt, um Strom an die Plattform bereitzustellen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 ist ein Schaltdiagramm, das ein herkömmliches Adapter-Batterie-Ladegerätsystem zum Bereitstellen von Strom an eine Computerplattform zeigt. Es umfasst im Allgemeinen einen AC/DC-Adapter 102, Adapterschutzschalter (adapter protection switches, APS) 103, Batterieladegerät 104, Selektor 108, System-Management-Controller (system management controller, SMC) 110, Stromschalter-(power switch, PS)-Netzwerk 112, und Batteriepackungen 114, 116, die miteinander wie gezeigt verbunden sind. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Computerplattform” auf jedes prozessorbasierte Gerät, das für die hierin vorgestellten Prinzipien zugänglich ist, u. a. ein Laptop, ein Netbook, ein Tablet, oder ein Mobiltelefon, obwohl ein tragbarer PC, wie z. B ein sogenannter Notebook-PC, als ein primäres Beispiel für Zwecke hinsichtlich des Beschreibens der hierin vorgestellten Technologien verwendet werden kann. Es ist selbstverständlich, dass die dargestellten Stromsystemblöcke in die Computerplattform gesamtheitlich oder teilweise aufgenommen werden können, und bei einigen Ausführungsformen sind die Komponenten, außer dem Adapter, tatsächlich Teil der Plattform zum Bereitstellen von Strom an die Plattformladung 120, z. B. die verschiedenen Teile der Computerplattform, wie z. B. der Prozessor, das Display, Kühlsystem, etc., bilden die Plattformladung 120.
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Der Adapter ist mit der Plattform durch zwei Schutzschalter Qad1 und Qad2 innerhalb der APS 103 verbunden. Der Adapter stellt eine DC-Versorgungsspannung an die Plattform 120 bereit, die diese typischerweise sodann umwandelt, wie intern innerhalb der Plattform benötigt sein kann, unter Verwendung eines oder mehr DC-zu-DC-Wandlern innerhalb der Plattform. Beispielsweise kann, für Plattformen, wie z. B. Tablets, Netbooks oder Notebook-tragbare Computerplattformen, ein Adapter eine DC-Versorgung von ca. 19 bis 20 VDC direkt an die Computerplattformladung 120 bereitstellen. Andererseits können die Batteriepackungen eine niedrigere Versorgungsspannung, z. B. von 9 bis 12 VDC in dem vorliegenden Beispiel, bereitstellen. Die Plattform ist typischerweise in der Lage, eine breite Palette von Eingangsversorgungsspannungen zu empfangen (z. B. höhere Spannungen von Adaptern und niedrigere Spannungen von den Batteriepackungen), und diese zu geeigneten internen Leveln umzuwandeln. In vielen Fällen wandelt die Plattform sowohl die Adapter- als auch die Batterieversorgungen zu Leveln abwärts, z. B. im Bereich zwischen weniger als 1,0 V und 5 VDC.
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Das Batterieladegerät 104 stellt Strom von dem Adapter 102 an die Batteriepackungen 114, 116 bereit, wenn der Adapter verfügbar ist. Da, wie gerade eben erörtert, die Ausgangsspannung des Adapters typischerweise größer ist, als die Versorgungen von den Batteriepackungen, umfasst das Batterieladegerät typischerweise einen DC-DC-Abwärtswandler, um die höhere Adapterspannung (z. B. 19–20 V) zu der niedrigeren Batteriespannung (z. B. 9–12 V) zu wandeln. In der dargestellten Figur umfasst das Batterieladegerät 104 einen synchronen Abwärtswandler, der von Schaltern QCHRHS/QCHRLS, Induktor LCHR (mit Reihenwiderstand angezeigt als RCHR) und Kondensator C gebildet wird, die zusammen verbunden und betrieben werden, wie herkömmlicherweise im Stand der Technik bekannt ist.
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Der Selektor 108, der typischerweise von dem SMC 110 gesteuert wird, steuert verschiedene Stromschalter, einschließlich derjenigen in dem Stromschalternetzwerk 112, um die angemessene Batteriepackung mit dem Ladegerät 104 und/oder der Plattform 106 zu koppeln. Er kann ebenfalls die APS 103 steuern, um den Adapter mit der Plattformladung 120 zu koppeln. Wenn der Adapter 102 entfernt wird, stellt eine Batteriepackung, 114 oder 116, volle Plattformleistung durch Schalter Qd1 oder Qd2 innerhalb des PS 112 bereit. (Es ist anzumerken, dass es ebenfalls einen eingebetteten Leistungscontroller geben kann, nicht gezeigt, um Gesamtplattformleistung sowie möglicherweise andere umgebungstechnische Parameter zu verwalten.)
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Innerhalb Computerplattformen kann es manchmal wünschenswert sein (z. B. wenn Betriebstemperaturen niedrig genug sind), dass einige Plattformkomponenten (z. B. ein oder mehr Prozessorkerne und/oder Grafikprozessoren) zu Modi mit höherer Leistung gefahren werden. Beispielsweise kann während solcher Modi (hierin nachstehend „Boost” modi genannt) eine oder mehr Komponenten für Zeiträume, die z. B. im Bereich zwischen Hundertstel von Mikrosekunden und Zehntel von Sekunden liegen, härter gefahren werden. Leider kann dies größere Mengen an Strom erfordern, als der Adapter in der Lage ist, zuverlässig bereitzustellen.
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Dementsprechend sind hierin Ansätze offenbart, die das gleichzeitige Verwenden sowohl des Adapters als auch der Batterie (oder anderer Energiespeichergeräte oder eine Kombination aus Energiespeichergeräten) involvieren, um Strom an die Plattform während solcher Boostmodi bereitzustellen. Der Fachmann versteht, dass solch ein Betriebsmodus ermöglicht werden kann, wenn das System bestätigt, dass die Batterie ausreichend geladen ist, um es zu unterstützen.
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2A und 2B zeigen diesen Ansatz in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen. 2A zeigt, dass in einem normalen Modus (z. B. ein Lademodus), wenn der Plattformeingangsstrom unter der Leistungsfähigkeit des Adapters ist, der Betrieb des Adapter- und Batterieladegerätsystems gleich heutiger Schemata sein kann. Der Adapter stellt Strom an die Plattform bereit, sowie möglicherweise an das Batterieladegerät, um die Batterie aufzuladen.
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Andererseits stellt 2B ein System mit einer Boostmodusleistungsfähigkeit dar, wobei sowohl der Adapter als auch die Batteriepackung Strom an die Plattform bereitstellen. Bei einigen Ausführungsformen, wenn der Adapterstromausgang von der Plattformabnahme überschritten wird, und die Batteriepackung mit der Plattform verbunden ist, und einen ausreichenden Ladezustand aufweist, dann wird das Batterieladegerät in einem reversierten Modus von dem Plattformcontroller als ein synchroner Aufwärtswandler verwendet, um den Adapterstrom an die Plattformladung 120 zu ergänzen, wie in 2B dargestellt.
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3 zeigt ein Stromsystem für eine Plattform in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen. Es ist ähnlich dem Stromsystem von 1, mit der Ausnahme, dass es u. a. einen Batterieladegerätcontroller 306 beinhaltet, der konfiguriert ist, um die Ladegerätwandlerkomponeten zu steuern, um sowohl in Abwärtswandel-(Ladung abwärtswandeln) als auch Boost-(Aufwärtswandeln, Powerboost)-Modi betrieben zu werden. Andere Blöcke können modifiziert und/oder erweitert werden, um bestimmte Designüberlegungen zu erleichtern.
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4 und 5 sind vereinfachte Diagramme des Stromsystems von 3, um relevante Aspekte der Erfindung leichter zu verstehen. Hinsichtlich des Stromschalter-(power switch, PS)-Blocks 312 kann angenommen werden, dass die QD1-, QD2-Schalter, ohne die QB1-, QB2-, QC1- und QC2-Schalter, beinhaltet sind. Die Figuren stellen das Ladegerät 204, Controller 306 und die Komponenten des synchronen Abwärtswandlers des Ladegeräts hervor. Wie angezeigt, ist der synchrone Abwärtswandler (QCHRHS, QCHRLS, LCHR) grundsätzlich ein zweiquadrant Netzteil, d. h. seine Leistungsstufe kann als eine Stromquelle und eine Stromsenke betrieben werden, ohne dass die essentiellen Leistungselemente des Stromschaltkreises geändert werden müssen.
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Unter Bezugnahme auf 4, wenn die Plattformladungsleistungsabnahme unterhalb des oberen Ausgangsstromlevels des Adapters liegen soll, dann kann es dem Adapter ermöglicht werden, die Batterie zu laden, und das Ladegerät befindet sich im Lademodus. Das Ladegerät agiert als ein synchroner Abwärtswandler. Seine Eingangsspannung kommt von der Adapterversorgung, und ist deshalb gleich der Ausgangsversorgungsspannung des Adapters. Seine Ausgangsspannung ist die Batteriespannung, und die Aussteuerung für den Schalter QCHRHS kann bei einigen Ausführungsformen das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung und Eingangsspannung sein (Schalter QCHRHS und QCHRLS sind komplementär).
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Andererseits, unter Bezugnahme auf 5, wenn die Plattformleistung die Leistungsfähigkeiten des Adapters überschreitet, geht das Ladegerät in Boostmodus, und die Batterie agiert als eine ergänzende Energiequelle für die Plattformladung. In diesem Modus agiert das Ladegerät als ein synchroner Aufwärtswandler. Seine Eingangsspannung ist die Batteriespannung, und seine Ausgangsspannung ist die Adapterspannung. Die Aussteuerung für den Schalter QCHRHS kann das Verhältnis zwischen der Eingangsspannung und Ausgangsspannung sein (Schalter QCHRHS und QCHRLS sind komplementär).
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6 zeigt eine Schaltung, die für zumindest einen Teil von Controller 306 geeignet sein kann, und die verwendet wird, um die Erfindung zu demonstrieren. Sie ermöglicht einen nahtlosen Übergang des Ladegeräts zwischen dem Laden der Batterie in normalem Lademodus und Boosten der Plattformladungsleistung, indem sie die batteriegespeicherte Energie während eines Boostmodus verwendet. Diese Schaltung umfasst einen Summierer (Fehlerverstärker) 602, einen Kompensator 604, einen Differentialverstärker 606, und ein RS-Flip-Flop 608, gekoppelt, wie gezeigt, mit den Ladegerätkomponenten, Adapter und Batterie. Die Schaltung beinhaltet einen wohlbekannten PWM-Controller zum Steuern eines synchronen Abwärts- oder Aufwärtswandlers. Die Takt- und Rampen-(Sägezahn)-Signale sind typischerweise in Phase und bei gleicher Frequenz, z. B. circa 100 KHz. Der Kompensator 604 kann einen Filter umfassen (z. B. einen Tiefpassfilter mit einem Pol bei oder nahe der Taktfrequenz), um das Fehlersignal von dem Ausgang des Summierers 602 zu glätten, um das System zu stabilisieren, notwendige Verstärkung des Fehlersignals bereitzustellen, und ein gewünschtes Einschwingverhalten zu generieren.
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Der Summierer und Kompensator steuern die Ladegerätaussteuerung, basierend auf dem Unterschied zwischen dem erkannten Adapterstrom (z. B. über Erfassungswiderstand, wie z. B. der Erfassungswiderstand RS in 3) und dem Adapterreferenzstrom, der in diesem Fall so gewählt ist, dass er der eingestufte durchschnittliche Maximalbetriebsstrom des Adapters ist. Das Flip-Flop und der Takt steuern die Aussteuerung und die Schaltfrequenz der Schalter (QCHRHS, QCHRLS), sodass der durchschnittliche Adapterstrom (IAD) bei maximalem Einstellungswert ist. Selbstverständlich können spezifische Zusatzdetails der Steuerimplementierung variieren, um so bessere Einschwingcharakteristika aufzunehmen, z. B. hysteretische Steuerung, konstant pünktliche und konstant unpünktliche Steuerung, etc. – sowie unterschiedliche Modi hinsichtlich Batterieladen, System-, Batterie- und Adapterschutz, etc.
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Da der Controller den Adapterstrom so steuert, dass er zu seinem maximalen Level getrieben wird, funktionieren die Schalter, in Kooperation mit dem Induktor (LCHR), derart, dass Ladegerätstrom (ICharger) in der Richtung befindlich ist, wie durch den Pfeil angezeigt, wenn die Plattformladungsabnahme größer ist, als der maximale Level des Adapters, und in der entgegengesetzten Richtung ist (um die Batterie zu laden), wenn die Plattformladungsabnahme geringer ist, als der maximale Level des Adapters. Im Übrigen, da der maximale Stromlevel des Adapters, der gesetzte Referenzeingang in Summierer 602, durch Design definiert wird, sollte die maximale Stromeinstufung des AC-Adapters identifiziert oder angenommen werden.
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(Es ist anzumerken, dass kompliziertere Ladeschemata für die Batterie aufgenommen werden können, und dass spezifische Ladestromprofile leicht von einem Fachmann aufgenommen werden können.)
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7, 8 und 9 demonstrieren eine computersimulierte Leistung des Stromsystems mit einem Steuerschemata, wie demjenigen von 6. 7 zeigt das System bei unterschiedlichen Plattformenergieverbrauchsleveln. Sie zeigt die Systemleistung, wenn der Plattformeingangsstrom von 2 Amps zu 6 Amps übergeht, und das Batterieladegerät beginnt, den Plattformstrom zu boosten, indem es die Batterie entlädt, wenn der Plattformstrom über 4 Amps geht (die gesetzte Begrenzung für den durchschnittlichen Ausgangsstrom des Adapters in diesem Beispiel).
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8 und 9 vergrößern verschiedene Teile von 7, um den stationären Betrieb des Systems für einen stationären Plattformstrom für die Dauer von 2 Schaltkreisen zu demonstrieren. Es ist anzumerken, dass der durchschnittliche Adapterausgangsstrom konstant bei 4A verbleibt, bei allen Leveln des Plattformeingangsstroms, sogar wenn es in 7 so aussieht, als ob sich der Adapterausgangsstrom bei verschiedenen Instanzen ändert. 8 zeigt den Betrieb des Systems, wenn der Plattformstrom unterhalb der Adapterstromeinstufung ist (Adapterstrom maximal bei 4A), und der Adapter Strom an die Plattform und um die Batteriepackung zu laden bereitstellt. Der Batteriestrom ist negativ (sie wird geladen), mit einer Sägezahnform, wie für den Abwärtswandler erwartet wird. Der Adapterstrom ist eine Kombination aus sägezahn- und rechteckwellenähnlichen Formen, da sein Strom die Summe des Plattformeingangsstroms und des schwingenden Eingangsstroms des Ladegeräts ist, das als ein Abwärtswandler verwendet wird.
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9 zeigt den Betrieb des Systems, wenn der Plattformstrom über der Adapterstromeinstufung ist, und der Adapter und die Batteriepackung Strom an die Plattform bereitstellen. Der Batteriestrom ist positiv (die Batterie liefert ihre Energie an die Plattform). Es ist eine Sägezahnform, wie für den Aufwärtswandler erwartet wird. Der Adapterstrom ist eine Kombination aus sägezahn- und rechteckwellenähnlichen Formen, da sein Strom die Differenz des Plattformeingangsstroms und des schwingenden Ausgangsstroms des Ladegeräts ist, das als ein Aufwärtswandler verwendet wird.
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In der vorstehenden Beschreibung wurden zahlreiche spezifische Details erläutert. Es ist jedoch selbstverständlich, dass erfindungsgemäße Ausführungsformen ohne diese aufgelisteten spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen wurden allgemein bekannte Schaltungen. Strukturen und Techniken eventuell nicht im Detail dargestellt, um ein Verständnis der Beschreibung nicht zu erschweren. In diesem Sinne haben Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform”, „bestimmte Ausführungsformen”, „verschiedene Ausführungsformen” usw. die Bedeutung, dass die Ausführungsform(en) bestimmte Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften umfassen können, aber dass nicht unbedingt jede Ausführungsform die besonderen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften umfassen muss. Weiter können einige Ausführungsformen einige, alle oder keine der Merkmale aufweisen, die für andere Ausführungsformen beschrieben sind.
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In der vorstehenden Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen sind die folgenden Begriffe wie unten beschrieben auszulegen: Die Begriffe „gekoppelt” und „verbunden” und deren Ableitungen können verwendet werden. Es sollte selbstverständlich sein, dass diese Begriffe nicht als Synonyme füreinander zu verstehen sind. Bei bestimmten Ausführungsformen wird „verbunden” verwendet, um anzuzeigen, dass zwei oder mehrere Elemente durch direkten physischen oder elektrischen Kontakt miteinander verbunden sind. „Gekoppelt” bedeutet dagegen, dass zwei oder mehr Elemente zusammenarbeiten oder interagieren, jedoch nicht unbedingt durch einen direkten physischen oder elektrischen Kontakt miteinander verbunden sind.
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Der Begriff „PMOS-Transistor” bezieht sich auf einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor des Typs P. Genauso bezieht sich „NMOS-Transistor” auf einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor des Typs N. Es ist zu verstehen, dass die Verwendung der Begriffe „MOS-Transistor”, „NMOS-Transistor” oder „PMOS-Transistor” exemplarisch ist, außer wenn ausdrücklich anderweitig angegeben oder durch die Art ihrer Verwendung vorgegeben. Sie umfassen die verschiedenen Varianten von MOS-Geräten, u. a. auch Geräte mit verschiedenen VT, Materialarten, Isolatorstärken, Gate-Konfigurationen, um nur einige zu nennen. Wenn nicht spezifisch auf MOS oder einen ähnlichen Begriff Bezug genommen wird, kann der Begriff Transistor auch andere geeignete Transistorarten umfassen, z. B. Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren, MES-Feldeffekttransistoren, verschiedene dreidimensionale Transistortypen, MOS oder andere, die heute bekannt oder noch nicht entwickelt sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern kann mit Modifizierungen und Änderungen im Rahmen des Umfangs der angehängten Ansprüche realisiert werden. Es ist z. B. zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung für die Verwendung mit allen Arten von Halbleiterchips mit integrierter Schaltung (IC) anwendbar ist. Beispiele dieser IC-Chips beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Prozessoren, Controller, Chipsatz-Komponenten, Programmable Logic Arrays (PLA), Speicherbausteine, Netzwerkbausteine und dergleichen.
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Es ist auch zu verstehen, dass bei bestimmten Zeichnungen die Signalleiter durch Linien dargestellt werden. Einige davon können dicker sein, um maßgeblichere Signalwege darzustellen, andere können eine Beschriftung enthalten, um eine Anzahl von dazugehörigen Signalwegen anzuzeigen, und/oder sie können Pfeile an einem oder an mehreren Enden enthalten, um die primäre Flussrichtung der Daten anzuzeigen. Dies soll jedoch in keiner Weise als eingrenzend ausgelegt werden. Solche zusätzlichen Details können in Verbindung mit einer oder mit mehreren beispielhaften Ausführungsformen verwendet werden, um ein besseres Verständnis einer Schaltung zu ermöglichen. Alle dargestellten Signalleitungen, ob mit oder ohne zusätzliche Informationen, können eines oder mehrere in mehrere Richtungen abgehende Signale umfassen und können mit jedem geeigneten Signalschema implementiert werden, z. B. können digitale oder analoge Leitungen mit Differential-Paaren, Lichtwellenleitern und/oder asymmetrischen Leitungen implementiert werden.
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Es ist zu verstehen, dass Größen/Modelle/Werte/Bereiche als Beispiele angegeben werden und keinerlei Eingrenzung der vorliegenden Erfindung darstellen. Mit der Ausreifung von Fertigungstechniken (z. B. Fotolithografie) im Laufe der Zeit ist zu erwarten, dass immer kleinere Geräte hergestellt werden können. Des Weiteren ist es möglich, dass allgemein bekannte Strom-/Masseanschlüsse mit den IC-Chips und anderen Komponenten in den FIGUREN gezeigt bzw. nicht gezeigt werden, was aus Gründen der Vereinfachung der Darstellung und Erklärung der Erfindung geschieht. Des Weiteren können Anordnungen im Blockdiagrammformat gezeigt werden, um eine klare Darstellung der Erfindung zu ermöglichen, und auch um aufzuzeigen, dass bestimmte Details in Bezug auf die Implementierung solcher Blockdiagrammanordnungen in hohem Maß von der Plattform abhängen, in die die Erfindung implementiert werden soll, d. h., dass die fachkundige Person mit solchen spezifischen Details vertraut sein sollte. Wo spezifische Details (z. B. Schaltungen) angeführt werden, um beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zu beschreiben, sollte eine fachkundige Person erkennen, dass die Erfindung mit oder ohne Variationen dieser spezifischen Details realisiert werden kann. Die Beschreibung ist daher als eine nicht einschränkende Veranschaulichung zu verstehen.
