DE102015216809B4

DE102015216809B4 - Energieversorgungsvorrichtung und Digitales Temperatursteuerverfahren für eine Energieversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102015216809B4
Application number: DE102015216809.3A
Authority: DE
Inventors: Tonarelli Marco; Andrea Lazzeri
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2035-09-03
Also published as: US20170063121A1; DE102015216809A1; US10038328B2

Abstract

Digitales Temperatursteuerverfahren für eine Energieversorgungsvorrichtung, das aufweistMessen einer internen Chip-Temperatur der Energieversorgungsvorrichtung; Umwandeln der gemessenen Temperatur in eine digitalisierte Temperatur; Vergleichen der digitalisierten Temperatur mit zumindest einer Temperaturschwelle;Auswählen eines digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus aus einer Vielzahl von programmierbaren digitalen Regelungsalgorithmen basierend auf dem Ergebnis des Vergleichens mit der zumindest einen Temperaturschwelle und Anwenden des ausgewählten digitalen Regelungsalgorithmus auf eine geregelte Systemvariable der Energieversorgungsvorrichtung, die mit dem ausgewählten digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus assoziiert ist, dadurch Erlangen einer Stellgröße, wobei zumindest ein digitaler Temperatur-Regelungsalgorithmus aus der Vielzahl von digitalen programmierbaren Regelungsalgorithmen eine Ziel-Temperatur und programmierbare Regelungskoeffizienten für unterschiedliche Temperaturbereiche hat und wobei das Auswählen eines digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus das Auswählen zumindest eines Regelungskoeffizienten für den zumindest einen digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus basierend auf der gemessenen Temperatur aufweist;Verifizieren der erlangten Stellgröße; undAnwenden der verifizierten Stellgröße, um die Leistung zu regeln, die an eine externe Vorrichtung geliefert wird.

Description

Technisches Gebiet
Das vorliegende Dokument betrifft ein digitales Energieversorgungssteuerverfahren zum Regeln einer Temperatur von Vorrichtungen, die mit Energie versorgt werden, und eine Energieversorgungsvorrichtung, insbesondere ein Batterieladegerät oder eine Energieverwaltungs-integrierte-Schaltung (PMIC - power management integrated circuit).
Hintergrund
Integrierte Energieversorgungsvorrichtungen liefern Energie bzw. Leistung an andere Vorrichtungen und/oder steuern den Energieverbrauch dieser Vorrichtungen, die Batterien, CPUs, Regelungsvorrichtungen etc. sein können. Ein wichtiger Punkt bei einer Energielieferung ist die Temperatur, die aus einem Verbrauch von Energie in der Energieversorgungsvorrichtung selbst oder der versorgten Vorrichtung resultiert. Diese Temperatur muss gesteuert werden, da eine zu hohe Temperatur eine Beschädigung der Energieversorgungsvorrichtung oder der versorgten Vorrichtung verursachen kann. Typischerweise werden analoge und kundenspezifische Temperatursteuerschemen verwendet, zum Beispiel in Batterieladegeräten. Bekannte digitale Implementierungen bieten nur eine sehr einfache Steuerung, zum Beispiel durch Ein- oder Ausschalten von Energie bzw. Leistung.
Die DE 102011107 913 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schnellladung von Akkumulatoren. Darin wird der elektrochemische Anteil in der Klemmspannung unter Berücksichtigung des maximalen Ladestroms geregelt. Die elektrochemische Spannung wird aus der Differenz der Klemmenspannung und dem Produkt aus dem gemessenen Innenwiderstand der Batterie und dem Ladestrom ermittelt. Die WO 92/11680 A1 beschreibt ein Schema und eine Vorrichtung zur Erfassung von einer Batteriecharakteristik. Danach weist mindestens eine Zelle mit einem positiven und einem negativen Anschluss ein elektrisches Element zum Liefern eines Komponentenwerts an eine Ladeeinrichtung auf. Der Komponentenwert gibt eine Batteriekapazität und damit verknüpfte Batteriechemie an. Zudem ist das elektrische Element mit einem der Anschlüsse verbunden. Die US 2007/0 052 461 A1 beschreibt ein lineares Ladegerät, bei dem die Materialtemperatur die Schaltungstemperaturreglung direkt beeinflusst.
Kurzfassung
Das vorliegende Dokument schlägt ein digitales, programmierbares thermisches Regelungsschema vor zum Steuern einer Leistung, die an eine Last geliefert wird, um die Leistung zu regeln, die von der Energieversorgung selbst oder durch die Last verbraucht wird. Es ermöglicht ein Vorsehen von Leistung mit dem höchstmöglichen Strom, was verhindert, dass eine Überbelastungstemperatur für die Energieversorgungsvorrichtung und/oder die versorgte Vorrichtung erreicht wird. Die vorgeschlagene Lösung ist in hohem Maße programmierbar und kann für verschiedene Vorrichtungen und Anwendungen angepasst werden. Zum Beispiel reduziert die vorgeschlagene Lösung eine Ladezeit in einer Batterieladeanwendung. Das thermische Regelungsschema vermeidet eine Überhitzung, wenn die Batterie stark entladen ist, aufgrund eines hohen Energieverbrauchs eines linearen Ladegeräts und überwindet suboptimale Ladestromeinschränkungen, die andernfalls angewendet werden, um das obige Überhitzen zu vermeiden. Das vorgeschlagene thermische Regelungsschema ist eine digital geregelte thermische Regelung für zumindest eine geregelte Systemvariable.
Das Regelungsschema ist eine geschlossene Schleife. In einer grundlegenden Implementierung kann eine integrierende Regelungsvorrichtung verwendet werden, das heißt eine Regelungsvorrichtung, die das Fehlersignal integriert. In anderen Implementierungen kann zum Beispiel ein proportionaler und/oder ein ableitender Faktor als Regelungsansatz (d.h. eine PI-Typ- oder PID-Regelungsvorrichtung) verwendet werden. Jedoch können auch andere Lösungen implementiert werden, zum Beispiel ein Hinzufügen weiterer Regelungsbeiträge.
Die angewendeten Regelungskoeffizienten können programmierbar sein. Somit kann die vorgeschlagene Lösung einfach angewendet werden, um verschiedene Signale oder Variablen zu regeln, und in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. In anderen Worten, es ist keine Ad-hoc-Lösung zum Regeln nur eines Ladestroms oder nur eines Eingangsstroms (von zum Beispiel einem USB-Eingang).
Der Haupteingang der Regelschleife ist eine interne Temperatur der Energieversorgungsvorrichtung oder der Vorrichtung, die mit Energie versorgt wird. Jedoch ermöglicht die vorgeschlagene Lösung, die Temperatur von verschiedenen Quellen (normalerweise über interne Temperatursensoren) zu lesen, wodurch die Temperatur lokaler zu regeln ist. Somit kann, als Beispiel, die digitale Regelschleife, die ein Systemsignal oder eine Variable in einem Ladegerät-Abwärtswandler (und somit hauptsächlich die Temperatur des Ladegerät-Abwärtswandlers) regelt, Information verwenden, die von einem Sensor in der Nähe des Ladegerät-Abwärtswandlers kommt, wodurch eine lokale Überhitzung des Ladegerät-Abwärtswandlers selbst vermieden wird. Dies ist nützlich, da die Temperatur im Inneren einer IC an verschiedenen Positionen der IC selbst verschieden sein kann. In anderen Worten, es besteht die Möglichkeit zur Verwendung von verschiedenen Temperatursensoren, wobei jeder Temperatursensor nahe an der Wärmequelle positioniert werden kann, die durch ein assoziiertes geregeltes Signal geregelt wird. Dies ermöglicht ein Steigern der Leistung, da mehr Leistung ohne eine lokale Überhitzung geliefert werden kann.
Das vorgeschlagene thermische Regelungsschema kann adaptiv sein, d.h. verschiedene Koeffizienten können für verschiedene Temperaturbereiche verwendet werden. Dies ermöglicht ein Steigern der dynamischen Leistung, während die Leistung maximiert wird, die geliefert werden kann, und die Temperatur weiter effizient geregelt wird.
Das vorgeschlagene thermische Regelungsschema kann programmierbar sein. Aufgrund der Programmierbarkeit und der vorgeschlagenen Architektur kann die Lösung leicht zum Regeln von unterschiedlichen Signalen/Variablen in verschiedenen Anwendungen angewendet werden. Es kann mehrere verschiedene Optionen zum Programmieren geben, zum Beispiel eine Solltemperatur, die geregelt werden soll, eine Temperatur, unter der die Regelung nicht wirkt, einen Minimum- und Maximumwert für die geregelte Variable, eine Temperaturakquisitionsrate, eine Auswahl von gelesenen Temperatursensoren, eine Anzahl von Temperatursensoren, die gelesen werden können, eine geregelte Signalaktualisierungsrate, ein Aktivieren/Deaktivieren der Regelschleife abhängig von der Ladephase. Nicht alle diese Programmierbarkeitsoptionen sind wesentlich für einen korrekten Betrieb, aber sie können die Leistung und Wiederverwendbarkeit des vorgeschlagenen thermischen Regelungsschemas erhöhen.
Dasselbe thermische Regelungsschema kann auf verschiedene Signale oder Variablen von geregelten Systemen angewendet werden. Dies ermöglicht ein Anwenden der vorgeschlagenen Lösung auf verschiedene ICs/Anwendungen, nicht nur ein Batterieladegerät während des Ladens, sondern auch während anderer Phasen eines Betriebs des Batterieladegeräts, oder allgemein auf alle Leistungsverwaltungs-ICs. In der Tat könnte das thermische Regelungsschema nicht nur einen Ladegerät-Abwärtswandler (zum Beispiel seinen Eingangsstrom oder Ladestrom) und einen Energieverbrauch eines linearen Ladegeräts in einem Batterieladegerät steuern, sondern auch den Energieverbrauch von anderen Abwärtswandlern, Aufwärtswandlern, LDOs etc. Die vorgeschlagene Lösung gewährleistet die Möglichkeit, die Regelung einfach zu erweitern und diese auf eine andere Variable anzuwenden. Dies ermöglicht, dass komplexere Regelungsschemen aufgebaut werden. Zum Beispiel können verschiedene Regelschleifen eine andere Solltemperatur haben, die sie regeln, und die Schleifen können mit einer definierten Priorität beginnen. Zum Beispiel kann in einem Ladegerät-Abwärtswandler die Ladestromregelung eine höhere Priorität haben in Bezug auf den Eingangsstrom, so dass zuerst der Ladestrom verringert wird und nur als zweite Wahl der Eingangsstrom (und somit der Strom, der an die Last geliefert werden kann) begrenzt wird.
In einem breiten Aspekt wird ein digitales Temperatursteuerverfahren gemäß dem Hauptanspruch offenbart. Das beanspruchte Verfahren weist ein Messen einer internen Chip-Temperatur der Energieversorgunsvorrichtung und Umwandeln der gemessenen Temperatur in eine digitalisierte Temperatur auf. Die digitalisierte Temperatur wird mit zumindest einer Temperaturschwelle verglichen.
Das Verfahren weist weiter ein Auswählen eines digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus aus einer Vielzahl von programmierbaren digitalen Regelungsalgorithmen basierend auf dem Ergebnis des Vergleichens mit der zumindes einen Temperaturschwelle und Anwenden des ausgewählten digitalen Regelungsalgorithmus auf eine geregelte Systemvariable der Energieversorgunsvorrichtung, die mit dem ausgewählten digitalen Temperatur-Regelungssalgorithmus assoziiert ist. Durch Anwenden des ausgewählten digitalen Regelungsalgorithmus auf die geregelte Systemvariable (das heißt Regeln der geregelten Systemvariablen) wird eine Stellgröße erlangt. Zumindest ein digitaler Temperatur-Regelungsalgorithmus aus der Vielzahl von digitalen programmierbaren Regelungsalgorithmen hat eine Ziel-Temperatur und programmierbare Regelungskoeffizienten für unterschiedliche Temperaturbereiche. Das Auswählen eines digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus weist das Auswählen zumindest eines Regelungskoeffizienten für den zumindest einen digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus basierend auf der gemessenen Temperatur auf. Die Vielzahl von digitalen Regelungsalgorithmen kann verschiedene digitale Regelschleifen für verschiedene Systemvariablen implementieren. Die geregelten Systemvariablen können Signale oder Variablen zum Steuern der Energieversorgungsvorrichtung sein, wie Eingangs- oder Ausgangsströme, und/oder Signale oder Variablen, die einen Energieverbrauch der versorgten Vorrichtung steuern. Der Regelungsalgorithmus kann ein Modifizieren der Systemvariablen durch einen gegebenen Regelungsansatz modifizieren, wie ein Anwenden einer PID-Regelung oder andere.
Das Verfahren weist weiter ein Verifizieren der erlangten Stellgröße auf. So kann sichergestellt werden, dass sich dieser innerhalb bestimmter Arbeitsbereiche der Systemvariablen befindet. Zum Beispiel kann die Stellgröße auf innerhalb von gegebenen Minimum- und Maximumwerten begrenzt sein. Schließlich wird die verifizierte Stellgröße angewendet, um die Leistung zu regeln, die an eine externe Vorrichtung geliefert wird. Somit wird die Leistung geregelt, die intern von der Energieversorgung selbst verbraucht wird. Die externe Vorrichtung kann eine externe Vorrichtung sein, die Leistung von der Energieversorgungsvorrichtung empfängt, oder deren Energieverbrauch durch die Energieversorgungsvorrichtung gesteuert wird.
Ein Auswählen eines digitalen Regelungsalgorithmus kann auf einem Status einer Energieversorgungsvorrichtung basieren, die verwendet wird, um Leistung an die externe Vorrichtung zu liefern. Zum Beispiel kann in einer Batterieladegerätanwendung der Energieversorgungsstatus der Ladegerätstatus sein, zum Beispiel Laden, Schnellladung, Vorladen, etc. Jeder Energieversorgungsstatus kann einen oder mehrere assoziierte digitale Regelungsalgorithmen haben zum Regeln der Temperatur, während die Energieversorgungsvorrichtung in dem jeweiligen Energieversorgungsstatus arbeitet. Dies ermöglicht eine Auswahl eines zugewiesenen digitalen Regelungsalgorithmus für jeden Vorrichtungsstatus.
Die gemessene Temperatur kann mit einer Vielzahl von Temperaturschwellen verglichen werden und ein Auswählen eines digitalen Regelungsalgorithmus kann auf dem Vergleichsergebnis mit den Temperaturschwellen basieren. So kann, abhängig davon, ob die Temperatur eine oder mehrere Schwellen übersteigt, ein jeweiliger digitaler Regelungsalgorithmus ausgewählt werden. In anderen Worten, eine Auswahl des digitalen Regelungsalgorithmus kann von der Temperatur abhängen.
Die Auswahl eines digitalen Regelungsalgorithmus kann auf einer Priorität basieren, die jedem digitalen Regelungsalgorithmus zugewiesen ist. Dies ermöglicht ein auf Priorität basierendes Auswahlschema für die Regelungsalgorithmen, wobei die Reihenfolge zum Aktivieren der digitalen Regelungsalgorithmen durch Zuweisen von jeweiligen Prioritäten vorgegeben werden kann.
Die Auswahl eines digitalen Regelungsalgorithmus kann auf einer Solltemperatur basieren, die jedem digitalen Regelungsalgorithmus zugewiesen ist. Zum Beispiel kann die Schleife mit der niedrigsten Solltemperatur ausgewählt werden, zuerst zu handeln. Im Allgemeinen können die Schleifen in der Reihenfolge ihrer assoziierten Solltemperaturen aktiviert werden. In Ausführungsbeispielen kann mehr als eine Schleife abhängig von ihren assoziierten Solltemperaturen aktiviert werden.
Eine Vielzahl von Chiptemperaturen kann gemessen werden und jede Temperatur kann mit einem digitalen Regelungsalgorithmus assoziiert werden. Die Auswahl eines digitalen Regelungsalgorithmus kann auf den gemessenen Temperaturen basieren. Zum Beispiel kann die Schleife, mit der die höchste gemessene Temperatur assoziiert ist, als erste zum Handeln ausgewählt werden. Im Allgemeinen können die Schleifen in der Reihenfolge ihrer assoziierten gemessenen Temperaturen aktiviert werden. In Ausführungsbeispielen kann mehr als eine Schleife abhängig von ihren gemessenen Temperaturen aktiviert werden.
Die obigen Auswahlmechanismen für den angewendeten digitalen Regelungsalgorithmus können weiter kombiniert werden, um komplexere Regelungsalgorithmen zu implementieren.
Es ist anzumerken, dass einige oder alle der digitalen Regelungsalgorithmen basierend auf einem generischen Regelungsalgorithmus implementiert werden können, der parametrisiert werden kann zum Implementieren verschiedener Regelungsstrategien abhängig von dem Ergebnis der Auswahl. Zusätzlich hat jeder Regelungsalgorithmus eine oder mehrere assoziierte Systemvariablen, die durch den jeweiligen Regelungsalgorithmus geregelt werden. In anderen Worten, ein Auswählen des Regelungsalgorithmus bestimmt auch, welche Systemvariable geregelt wird, um die Temperatur zu regeln.
In Ausführungsbeispielen kann eine Vielzahl von Chiptemperaturen gemessen werden. Jede Temperatur kann mit einem zugewiesenen digitalen Regelungsalgorithmus assoziiert sein. Somit können mehrere Regelschleifen durchgeführt werden und möglicherweise mehrere Systemvariablen geregelt werden. Weiter kann ein oder mehrere Regelungsalgorithmen, wie oben beschrieben, basierend auf den verschiedenen Auswahlkriterien ausgewählt werden und folglich können mehrere Systemvariablen geregelt werden. Zum Beispiel kann die Auswahl eines digitalen Regelungsalgorithmus darauf basieren, dass die gemessene(n) Temperaturen) Temperaturschwellen übersteigt/übersteigen, die mit den digitalen Regelungsalgorithmen assoziiert sind.
Die digitalen Regelungsalgorithmen können programmierbare Regelungs-(geschlossene-Schleife-) algorithmen sein zum Implementieren verschiedener Regelungsansätze. Jeder Regelungsalgorithmus kann zumindest einen programmierbaren Regelungsparameter haben, der einen generischen Regelungsalgorithmus anpassen kann. Somit wird eine hohe Wiederverwendbarkeit und Portabilität der vorgeschlagenen Lösung erreicht.
Zumindest ein digitaler Regelungsalgorithmus kann verschiedene Regelungsparameter für unterschiedliche Temperaturbereiche haben. Ein Auswählen eines digitalen Regelungsalgorithmus kann dann teilweise ein Auswählen von Regelungsparametern für zumindest einen digitalen Regelungsalgorithmus basierend auf der gemessenen Temperatur aufweisen. Somit ist die angewendete Regelschleife bezüglich der Temperatur adaptiv und eine genauere Regelung ist möglich.
Die geregelten Systemvariablen können eine interne Spannung oder einen Strom der Energieversorgungsvorrichtung betreffen, wie eine Eingangsspannung eines linearen Ladegeräts oder eines Low-Dropout-Reglers (LDO) oder einen Eingangsstrom eines Abwärtswandlers. Die Systemvariablen können auch eine Spannung oder einen Strom betreffen, der an die externe Vorrichtung geliefert wird, wie ein Ladestrom oder eine Ausgangsspannung eines Batterieladegeräts. Zum Beispiel kann die Systemvariable eine Systemfrequenz sein, zum Beispiel ein interner Takt, der den Betrieb der Energieversorgungsvorrichtung oder der externen Vorrichtung steuert. Ein Steuern der Frequenz kann dann den Stromverbrauch der Schaltung steuern und somit kann die Frequenz als eine Systemvariable in Bezug auf den Strom betrachtet werden. Andere Beispiele für Systemvariable werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.
Die gemessene(n) Temperatur oder Temperaturen betreffen mindestens eine interne Temperatur einer Energieversorgungsvorrichtung, wie eine Temperatur eines Leistungswandlers oder linearen Ladegeräts. Zusätzlich kann/können die gemessene(n) Temperatur oder Temperaturen eine externe Temperatur der externen Vorrichtung betreffen, gemessen zum Beispiel durch die externe Vorrichtung und an die Energieversorgungsvorrichtung geliefert.
Ein Verifizieren der erlangten Stellgröße kann ein Vergleichen der Stellgröße mit einem Minimum- und/oder Maximumwert der Systemvariablen aufweisen, die mit dem ausgewählten digitalen Regelungsalgorithmus assoziiert ist, um sicherzustellen, dass bestimmte Grenzen für die Stellgröße erfüllt sind.
Ein weiterer breiter Aspekt dieser Offenbarung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem Nebenanspruch 9. Die Energieversorgungsvorrichtung kann konfiguriert sein zum Durchführen eines bzw. jeder der Verfahren, wie oben beschrieben.
Die Energieversorgungsvorrichtung kann einen analogen Abschnitt mit einer Energieversorgungseinheit und zumindest einem Temperatursensor aufweisen, um eine lokale Die-Temperatur der Energieversorgungseinheit zu messen. Die Energieversorgungsvorrichtung kann weiter einen Analog-Digital-Wandler aufweisen, um die gemessene Temperatur in einen digitalen Wert zur Verarbeitung durch eine digitale Regelschleife umzuwandeln. Die Energieversorgungsvorrichtung kann weiter einen digitalen Abschnitt mit einer Steuereinheit und einen Speicher aufweisen zum Speichern von Schwellenwerten und programmierbaren Parametern der digitalen Regelungsalgorithmen. Die Steuereinheit kann einen digitalen Regelungsalgorithmus auswählen, wie oben beschrieben, und die entsprechende digitale Regelschleife durchführen, möglicherweise durch Anwenden von Regelungsparametern, die mit dem ausgewählten digitalen Regelungsalgorithmus assoziiert sind. Die Energieversorgungsvorrichtung kann weiter einen Digital-Analog-Wandler aufweisen zum Umwandeln einer Stellgröße, die durch die Steuereinheit bestimmt wird, in die analoge Domäne zum Anwenden der Stellgröße bei einem Regeln der Temperatur der geregelten Vorrichtung.
In Ausführungsbeispielen kann die Energieversorgungseinheit ein Batterieladegerät sein und zum Beispiel einen Abwärtswandler aufweisen. Die Energieversorgungseinheit kann weiter ein lineares Ladegerät oder einen Batterieschalter aufweisen. Die Systemvariable(n) kann/können zumindest den Eingangsstrom zu dem Abwärtswandler und/oder den Ladestrom umfassen, der durch das lineare Ladegerät oder durch den Batterieschalter an die externe Vorrichtung vorgesehen wird. In diesem Fall kann die externe Vorrichtung eine wiederaufladbare Batterie sein.
In Ausführungsbeispielen kann die Energieversorgungseinheit ein Batterieladegerät sein und ein lineares Ladegerät und einen optionalen Batterieschalter aufweisen. Die Systemvariable(n) kann/können zumindest den Eingangsstrom zu dem linearen Ladegerät und den Ladestrom umfassen, der durch das lineare Ladegerät oder durch den optionalen Batterieschalter an die externe Vorrichtung vorgesehen wird. In diesem Fall kann die externe Vorrichtung eine wiederaufladbare Batterie sein.
In Ausführungsbeispielen kann die Energieversorgungsvorrichtung eine Energieverwaltungssteuereinheit für eine tragbare Vorrichtung sein zum Steuern von Leistung, die durch die tragbare Vorrichtung abgegeben wird, zum Beispiel eine Energieverwaltung-IC-integrierte-Schaltung (PMIC - power management integrated circuit). Zumindest eine gemessene Temperatur kann einer Last der tragbaren Vorrichtung entsprechen, wie eine CPU, eine Anzeige oder ein drahtloser Transceiver. Die Energieverwaltungssteuereinheit kann den Betrieb der tragbaren Vorrichtung durch Vorsehen von Steuersignalen an die tragbare Vorrichtung abhängig von der gemessenen Temperatur und durch Anwenden des oben offenbarten Steuerverfahrens steuern. Zum Beispiel können die Steuersignale die Last der tragbaren Vorrichtung durch Ein- oder Ausschalten der Last abhängig von der gemessenen Temperatur steuern. Die Steuersignale können auch einen Leistungsverbrauch der Last auf komplexere Weise steuern.
Das offenbarte digitale programmierbare thermische Regelungsschema hat die folgenden Vorteile im Vergleich zu den derzeitigen Praktiken und dem Stand der Technik. Es bietet eine höhere Programmierbarkeit und eine höhere Skalierbarkeit. Jede Regelschleife kann unabhängig aktiviert/deaktiviert werden und ist unabhängig konfigurierbar. Es kann einfach erweitert werden, zum Beispiel auf mehrere verschiedene Signale angewendet werden. Es besteht die Möglichkeit, das Regelungsschema für verschiedene Anwendungen zu konfigurieren und es bietet eine bessere Regelung in Bezug auf andere digitale Implementierungen.
Die vorgeschlagene Lösung kann auf einer bereits existierenden Energieversorgungs-IC versucht werden. In der Tat, in jeder IC, bei der die Temperaturinformation von außerhalb verfügbar ist und die gesteuerte Variable (zum Beispiel Ladestrom) extern gesteuert werden kann, kann die vorgeschlagene Regelschleife vor ihrer Implementierung in der nächsten IC-Version getestet und abgestimmt werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber rein analogen Steuerungslösungen, die Ad-hoc sind und nicht auf einer bereits existierenden IC ohne einen erneuten Spin getestet oder prototypisiert werden können.
Die vorgeschlagene Lösung ist technologieunabhängig. Die digitale Lösung ist allgemeiner und erfordert kein Ad-hoc-Design für jede gesteuerte Variable. Dieselbe Implementierung (HDL(Hardware Description Language)-Code, d.h. Code, der zum Gestalten von digitalen Schaltungen verwendet wird) kann für mehr Schleifen verwendet werden und zum Steuern von unterschiedlichen Variablen.
Es sollte angemerkt werden, dass die Verfahren und Systeme, einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele, wie in dem vorliegenden Dokument beschrieben, eigenständig oder in Kombination mit den anderen Verfahren und Systemen verwendet werden können, die in diesem Dokument offenbart werden. Zusätzlich sind die Merkmale, die in dem Kontext eines Systems dargelegt werden, ebenso auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Weiter können alle Aspekte der Verfahren und Systeme, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt werden, beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
In dem vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander sind, entweder direkt zum Beispiel über Drähte oder in anderer Weise verbunden.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei

1 ein illustratives Diagramm eines grundlegenden Regelungsschemas zeigt;
2 zusätzliche Details eines Ausführungsbeispiels eines thermischen Steuermoduls zeigt;
3 ein Ausführungsbeispiel zeigt, in dem zwei Regelschleifen in einer Batterieladegerätanwendung verwendet werden;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt, in dem zusätzliche Regelschleifen verwendet werden, um weitere mögliche Signale und Variablen zu regeln;
5 ein schematisches Diagramm ist, um die Verwendung von programmierbaren Temperaturschwellen darzustellen, um komplexe Regelungsschemen zu erzeugen;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt, um weitere Variationen in Bezug auf eine Anzahl von Regelschleifen darzustellen;
7 verschiedene thermische Regelungsansätze vergleicht; und
8 einen Ablauf für ein Ausführungsbeispiel einer digitalen Regelschleife zeigt.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Steuerung einer Energieverwaltungs-IC und im Besonderen einer Batterieladegerät-IC, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Einsatzgebiet eines Batterieladegeräts ist typischerweise tragbare Vorrichtungen (zum Beispiel Smartphones), jedoch kann die vorgeschlagene Schaltung/das Verfahren auf andere verschiedene Anwendungen angewendet werden.
Die Grundidee ist, eine programmierbare Anzahl von Signalen zu steuern, die in der gesteuerten Vorrichtung (zum Beispiel eine Hochspannungs-Batterieladegerät-IC) intern sind, um die Die-Temperatur unter Kontrolle zu halten. Jedes Signal wird durch eine zugewiesene Regelschleife geregelt.
1 zeigt ein illustratives Diagramm einer grundlegenden Regelungsvorrichtung 1 mit einem analogen Abschnitt 10 und einem digitalen Abschnitt 20 zum Implementieren eines thermischen Steuermoduls. Jeder Regelschleife (1) umfasst ein Die-Temperatur-Lesen, (2) implementiert einen thermischen Regelungsalgorithmus, und (3) wirkt auf eine Variable, die den Energieverbrauch der Vorrichtung beeinflusst, um die Die-Temperatur regeln zu können. Der thermische Regelungsalgorithmus wird durch eine digitale Steuerschaltung 21 implementiert. Ein Temperatursensor 11 misst die Die-Temperatur und liefert den Messwert an einen Analog-Digital-Wandler ADC 12, jedoch können auch andere Verfahren zum Akquirieren der Temperatur verwendet werden. Ein oder mehrere Temperatursensor(en) kann/können vorgesehen werden. Jede Regelschleife kann die Temperaturinformation von verschiedenen Sensoren verwenden. Die digitale Steuerschaltung 21 ist programmierbar und Regelungsparameter zum Programmieren der Regelschleife sind in einem Speicher 22 gespeichert, wie zum Beispiel Regelungskoeffizienten, Maximum- und Minimumwerte für geregelte Variablen, Solltemperaturen, etc.
Die vorgeschlagene Lösung kann auch verwendet werden zum Regeln der Die-Temperatur lokal, d.h. in einer spezifischen Die-Zone, wie zum Beispiel Verwenden der Temperatur in der Nähe eines Ladegerät-Abwärtswandlers (zum Beispiel durch Lesen eines Temperatursensors in der Nähe) als Eingang der Schleife und Regeln einer Variablen/ eines Signals des Ladegerät-Abwärtswandlers (zum Beispiel der Abwärtswandler-Eingangs- und/oder -Ausgangsstrom).
Die Temperaturinformation kann mit einer programmierbaren digitalen Eingangsaktualisierungsrate gelesen werden. Die Die-Temperaturinformation, die durch den ADC 12 in digitale Daten umgewandelt wird, wird mit einer Solltemperatur verglichen, um eine Temperaturfehlerinformation zu berechnen. Diese wird in dem digitalen Steuerblock 21 in 1 implementiert. Die Solltemperatur ist die Die-Temperatur Tdie, die das Steuerverfahren zu halten versucht und handelt, wenn diese überschritten wird. Die Solltemperatur kann ein programmierbarer Wert sein. Mehrere andere Parameter können ebenfalls programmiert werden, wie im Folgenden dargestellt wird. Zum Beispiel können Maximum- und Minimumwerte für die geregelte Variable in dem Speicher 22 gespeichert werden und durch einen Minimum-Operator 28 und einen Maximum-Operator 27 angewendet werden.
Die Temperaturfehlerdaten werden durch das digitale Steuermodul 21 verarbeitet, um einen Korrekturfaktor zu berechnen, der auf den tatsächlichen Wert der geregelten Variablen anzuwenden ist. Ein einfaches digitales Steuermodul könnte nur durch eine integrierende Regelungsvorrichtung implementiert werden, aber in der vorgeschlagenen Regelungsarchitektur können mehrere unterschiedliche Regelungsverfahren verwendet werden. Als Beispiel können die Regelungsbeiträge proportional, integral und derivativ sein, sind aber nicht darauf beschränkt.
Der Korrekturfaktor wird dann auf die zu regelnde Systemvariable angewendet, zum Beispiel kann er auf den letzten Wert der zu regelnden Variablen durch einen Integrator angewendet werden (dies ist ein Beispiel, siehe folgende Beschreibung von 2). Der berechnete Wert wird dann mit einem Maximum- und Minimumwert für die geregelte(n) Variable(n) verglichen. Diese Werte (Maximum und Minimum) sind programmierbare Werte und können deaktiviert werden, so dass das geregelte Signal nicht gesättigt ist.
Der berechnete Wert für das geregelte Signal (möglicherweise verifiziert, innerhalb von Grenzen zu sein) wird an den analogen Abschnitt 10 mit einer programmierbaren digitalen Ausgangsaktualisierungsrate vorgesehen und wird durch die analoge Schaltung verwendet, um den neuen Wert des geregelten Signals zu setzen (siehe 1). Zum Beispiel wird der aktualisierte Wert des Ladestroms eines Batterieladegeräts oder die Eingangsstrombegrenzung oder ein anderes geregeltes Signal gesetzt.
2 zeigt einige zusätzliche Details eines möglichen Implementierungsbeispiels eines thermischen Steuermoduls. Dies ist nur ein Implementierungsbeispiel, verschiedene andere Implementierungen können verwendet werden: zum Beispiel kann der Steuerblock ein proportionaler Block (Anwenden eines Werts proportional zu dem Temperaturfehler T_error) mit adaptiven Koeffizienten (d.h. Koeffizienten K(T_die) verschieden für verschiedene Temperaturbereiche) sein, kann aber auch andere Regelungsbeiträge (integral, derivativ) oder eine andere unterschiedliche Regelung (wenn möglich) umfassen. Der Korrekturfaktor kann auf den zuvor geregelten Variablenwert durch einen Integrator angewendet werden (wie in dem Beispiel) oder die geregelte Variable kann direkt durch den Steuerblock erzeugt werden.
Die zu regelnden Signale sind die Signale, die den Energieverbrauch der Vorrichtung beeinflussen. Die Signale, die von dem vorgeschlagenen Verfahren/der Schaltung geregelt werden, sind der Ladestrom; der Versorgungsstrom (V_bus Strom); digitale Schaltungsfrequenz; Ausgangsspannungen von DC-DC-Wandler(n), LDOs, etc; Eingangs- und/oder Ausgangsströme von DC-DC-Wandler(n), LDOs, etc.; DC-DC-Wandler-Schaltfrequenz etc., sind aber nicht darauf beschränkt.
Jede geregelte Variable hat eine zugewiesene Regelschleife. Jeder Regelschleife kann unabhängig programmiert und aktiviert/deaktiviert werden. Die Programmierbarkeit jeder Schleife kann eine signifikante Anzahl von Parametern beinhalten, die in dem Speicher 22 gespeichert werden können. Die programmierbaren Parameter sind Regelungskoeffizientenwerte (zum Beispiel proportionale, integrale, derivative Beiträge, aber nicht darauf beschränkt) und die Möglichkeit, verschiedene Regelungskoeffizienten für jeden Temperaturbereich zu setzen (um eine adaptive Regelung zu haben), zu steuernde Solltemperatur(en), Temperatur(en), bei der/denen der Algorithmus/ die Algorithmen zu wirken beginnt/beginnen, Regelschleifenbandbreite, Regelungsaktualisierungsrate, Regelungsakquisitionsrate, gelesener Temperatursensor oder -sensoren zum Akquirieren der IC-internen Temperatur, Hysterese für den Temperaturbereich der Regelungskoeffizienten, Maximumwert der geregelten Variable, der nicht überschritten werden kann, Minimumwert für die geregelte Variable (der 0 sein kann), sind aber nicht darauf beschränkt.
Jede Regelschleife kann dieselbe Architektur haben, wodurch eine hohe Skalierbarkeit für die vorgeschlagene Lösung vorgesehen wird. Die Programmierbarkeit garantiert, dass die Regelschleifen auf die verschiedenen geregelten Variablen angepasst werden können. Während 2 nur eine Regelschleife zeigt, ist offensichtlich, dass andere Schleifen auf dieselbe Weise arbeiten. In einer Implementierung der vorgeschlagenen Regelung, wenn mehr als eine Regelschleife implementiert ist und mehr als eine Schleife aktiviert ist, kann jede Regelschleife auf eine andere Weise programmiert werden, somit unterschiedliche Aktualisierungsraten, Regelungskoeffizientenwerte, Solltemperaturen etc. verwenden.
Die Möglichkeit, verschiedene Solltemperaturen zu setzen, ermöglicht eine Zuweisung einer Priorität zu den geregelten Signalen und einen Aufbau von komplexen Regelungsschemen. Wie zum Beispiel in einer Implementierung der vorgeschlagenen Lösung, die N verschiedene Regelschleifen verwendet, wenn die Solltemperaturen gesetzt sind, wie in 5 gezeigt, beginnt die Regelung auf dem geregelten Signal 1 zu wirken, wenn die Solltemperatur 1 angenähert wird, dann, wenn die Temperatur weiter zunimmt, zum Beispiel aufgrund der Tatsache, dass die Energieverbrauchsreduktion, die bei einem Steuern des Signals 1 erlangt wird, nicht ausreichend ist zum Begrenzen der internen Temperatur, oder aufgrund der Tatsache, dass die Umgebungs(umgebende)-Temperatur zunimmt, beginnt die Regelung, die auf dem Signal 2 wirkt, zu arbeiten. Wenn die interne Temperatur weiter zunimmt, kann die Regelung beginnen, auf weiteren Signalen 3, ..., Signal N zu wirken.
Detaillierter, unter Bezugnahme wiederum auf 2, weist der analoge Abschnitt 10 der Regelungsvorrichtung 1 eine Vielzahl N von Temperatursensoren 11 zum Ablesen der Temperaturen T_die1 bis T_dieN und einen Multiplexer 15 auf, der gesteuert wird, um eines der Sensorsignale auszuwählen und das ausgewählte Temperatursignal an den ADC 12 weiterzuleiten, der das Signal in einen digitalen Wert umwandelt, der an den digitalen Abschnitt 20 geliefert wird, der ein thermisches Steuermodul implementiert.
In dem digitalen Abschnitt 20 ist eine optionale Vorverarbeitung/Filtereinheit 25 vorgesehen, um die digitalen Temperatursignale zu filtern. Dann wird das ausgewählte Temperatursignal (actual_T_die) mit einem negativen Vorzeichen dem ersten Additionspunkt 24-1 zugeführt, wo es zu der Solltemperatur T_target für den jeweiligen Sensor hinzugefügt wird, um ein Fehlersignal T_error zu erzeugen. Die Solltemperaturen T_target für die Vielzahl von Temperatursensoren sind in dem internen Speicher 22 gespeichert, wo auch andere Parameter gespeichert werden können. Zum Beispiel sind Solltemperaturen, Regelungskoeffizienten, Temperaturbereiche, Hysteresewerte, Maximum- und Minimumwerte für geregelte Variablen, Temperaturwerte, bei denen die Regelung aktiviert werden soll, und HauptRegelung-Ein-Flag Parameter, die programmiert werden können und für die vorliegende Anwendung gespeichert werden. Das Fehlersignal T_error wird dann an eine Regelungsvorrichtung 23 geliefert, eine Verstärkungsstufe in dem gezeigten Beispiel, die eine Konstante K auf das Fehlersignal anwendet. Die Konstante K kann von der gemessenen Temperatur T_die:K(T_die) abhängig sein. Der berechnete Wert T_error * K(T_die) wird dann zu dem zweiten Additionspunkt 24-2 zugeführt, wo er zu einem Rückkopplungswert der geregelten Variable hinzugefügt wird, wodurch ein Integrator für eine integrative Regelung implementiert wird. Die gezeigte Regelungsvorrichtung ist somit eine I-Typ-Regelungsvorrichtung. Es sollte angemerkt werden, dass Regelungsvorrichtungen anderer Typen ebenfalls implementiert werden können, zum Beispiel durch Hinzufügen eines proportionalen und eines derivativen Beitrags zum Erlangen einer Regelungsvorrichtung eines PID-Typs. Ein Multiplexer 26-1 ermöglicht eine Auswahl eines festen Werts aus einem Register 40-1 oder des berechneten Werts T_error * K(T_die) zur Lieferung an den Additionspunkt 24-2 abhängig von einem Steuersignal, das an den MUX 26-1 geliefert wird.
T_error kann auch als T_target - actual_T_die berechnet werden und dann mit einem negativen K(T_die) multipliziert werden, so dass das Vorzeichen des berechneten Werts T_error * K(T_die) gleich bleibt.
Ein Maximum-Selektor 27 wird mit dem Ausgang des Addierers 24-2 und mit dem Wert eines programmierten Minimumwerts beliefert und wählt dessen Maximum, wodurch sichergestellt wird, dass das Signal nicht unter den Minimumwert fällt. Ein Minimum-Selektor 28 wird mit dem Ausgang des Maximum-Selektors 27 und mit dem Wert eines programmierten Maximumwerts beliefert und wählt dessen Minimum, wodurch sichergestellt wird, dass das Signal den Maximumwert nicht übersteigt. Beide Selektoren verifizieren, dass der erzeugte Wert der geregelten Variable innerhalb programmierbarer Grenzen liegt.
Ein weiterer Multiplexer 26-2 empfängt den Ausgang des Minimum-Selektors 28 und einen programmierbaren Wert, zum Beispiel den gespeicherten Maximumwert für die geregelte Variable, als Eingänge. Der Auswahleingang des Multiplexers 26-2 bestimmt, ob die Regelungsschleife aktiv ist (durch Auswählen des Ausgangs des Minimum-Selektors 28) oder auf einen festen Wert geklemmt ist, der typischerweise der Maximumwert für die geregelte Variable ist. Dies wird durch einen Aktivierungssteuerblock 29 gesteuert, der von dem Speicher 22 einen Temperaturwert algoTmin, an dem die Regelschleifen zu arbeiten beginnen sollen, ein Steuerungs-Flag algo_on und den tatsächlichen Temperaturmesswert T_die empfängt. Der Aktivierungssteuerblock 29 kann eine folgende logische Operation durchführen, um das Auswahlsignal algo_act für den Multiplexer 26-2 zu erzeugen: $If ((algo_on = = 1) and (T_{die} > algoTmin)) then algo_act = 1 else algo_act = 0$
Schließlich empfängt der Multiplexer 26-3 als Eingang den Ausgang des Multiplexers 26-2 (oder ein davon abgeleitetes Signal) oder einen festen Wert von dem Register 40-3, abhängig von einer Stellgröße, der an MUX 26-3 geliefert wird. Das Register 45 wird mit der programmierten Aktualisierungsrate für die Regelschleife aktualisiert und speichert Abtastwerte für die geregelte Variable, einen für jeden Aktualisierungszeitpunkt. Diese Abtastwerte werden dann an den analogen Abschnitt 10 vorgesehen, um die jeweiligen Systemvariablen zu steuern. In einigen Instanzen wird ein Digital-Analog-Wandler vorgesehen, um den Wert in einen analogen Wert (wie eine Referenzspannung) umzuwandeln. In anderen Fällen kann der digitale Wert direkt zugeführt werden, um eine Komponente der Energieversorgung (wie eine Schaltfrequenz) zu steuern, oder wird an eine externe Vorrichtung geliefert, um deren Betrieb zu steuern basierend auf der gemessenen (internen/externen) Temperatur.
Ein weiteres Register 40 kann vorgesehen werden zum Speichern der assoziierten Werte und um diese für externe Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen. Zum Beispiel können der (optional gefilterte) Temperaturmesswert T_die und das Fehlersignal T_error in dem Register 40 gespeichert werden und für eine externe Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Auf dieselbe Weise können die Register 40-1 und 40-3 Werte von einer externen Vorrichtung empfangen, die an die Regelungsschleife geliefert werden können basierend auf assoziierten Steuersignalen.
3 zeigt ein Beispiel einer Implementierung, bei der zwei Regelschleifen in einem Batterieladegerät verwendet werden: eine Schleife zum Regeln des Ladestroms; die zweite Schleife zum Regeln des Eingangsstroms. Der analoge Abschnitt 10 weist einen Ladegerät-Abwärtswandler 13 auf zum Erzeugen einer Spannung V_system aus einer Eingangsspannung Vbus; und ein lineares Ladegerät oder einen Batterieschalter 14 zum Vorsehen eines geregelten Ladestroms i_chg zum Laden einer Batterie 30. Der Eingangsstrom des Ladegerät-Abwärtswandlers ist ibus; der Ausgangsstrom des Ladegerät-Abwärtswandlers ist i_buck; i_load ist der Strom, der an eine externe Last vorgesehen wird (i_buck - i_load ist der Eingangsstrom des linearen Ladegeräts/Batterieschalters) und der Strom des linearen Ladegeräts/Batterieschalters ist i_chg. Drei Temperatursensoren 11 sind vorgesehen: einer 11-1 zum Messen der Temperatur T_die1 des Ladegerät-Abwärtswandlers; ein zweiter 11-2 zum Messen der allgemeinen IC-Temperatur T_die2; ein anderer 11-3 zum Messen der Temperatur T_die3 des linearen Ladegeräts/Batterieschalters. Das digitale Steuermodul 21 hat zwei Teile: ein thermisches Steuermodul 21-1, das auf den Abwärtswandler-Eingangsstrom i_bus als geregelte Variable wirkt; und ein thermisches Steuermodul 21-2, das auf den Ladestrom i_chg als geregelte Variable wirkt. Der Aktivierungssteuerblock 29 aktiviert die einzelnen Regelschleifen, wenn die jeweiligen Bedingungen erfüllt sind (siehe unten).
4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Implementierung, bei der zusätzliche Regelschleifen verwendet werden, um weitere mögliche Signale und Variablen zu regeln. Die Energieversorgungsvorrichtung (zum Beispiel Batterieladegerät) hat N Temperatursensoren 11-1 bis 11-N, um die Temperaturen T_die1 bis T_dieN zu messen. Eine Anzahl von digitalen Steuermodulteilen 21-1 bis 21-N ist vorgesehen zum Implementieren von N Regelschleifen, die auf den Ladegerät-Abwärtswandler 13, das lineare Ladegerät/den Batterieschalter 14 und weitere Module wirken, wie zusätzliche Abwärtswandler oder Aufwärtswandler, LDOs etc..
5 ist ein schematisches Diagramm, um die Möglichkeit zu erläutern, verschiedene Regelungsschemen basierend auf der Programmierbarkeit des vorgeschlagenen Systems aufzubauen; in diesem Fall der Solltemperatur für jede Schleife. 5 zeigt ein Beispiel mit drei (N = 3) Temperaturschwellen von 120 Grad C, 130 Grad C und 140 Grad C, die entsprechende Solltemperaturen für unterschiedliche Signale 1, 2, 3 angeben. Sobald eine jeweilige Schwellentemperatur erreicht ist, wird das entsprechende Signal aktiviert, um darauf zu reagieren, zum Beispiel bei 120 Grad C wird die Regelschleife zum Einwirken auf das Signal (geregelte Variable) 1 aktiviert, um die Temperatur zu reduzieren. Wenn dies nicht erfolgreich ist und die Temperatur 130 Grad C (Schwelle 2) erreicht, wird die Regelschleife zum Einwirken auf das Signal (geregelte Variable) 2 als Alternative oder zusätzlich zu der Regelschleife für Signal 1 aktiviert. In gleicher Weise, wenn die Temperatur über 140 Grad C (Schwelle 3) steigt, wird die Regelschleife zum Einwirken auf das Signal (geregelte Variable) 3 aktiviert.
6 zeigt ein weiteres Implementierungsbeispiel, um weitere Variationen darzustellen, zum Beispiel in Bezug auf die Anzahl von implementierten Regelschleifen, Typen von Modulen (interne und externe), die gesteuert werden, etc. In dem Beispiel von 6, werden auch externe Module 41, 42 gesteuert. Ihre jeweiligen Temperaturen werden durch die Energieversorgungsvorrichtung empfangen und an entsprechende thermische Steuermodule 21 geliefert, die jeweils eine Regelschleife zum Regeln der Temperatur des entsprechenden externen Moduls implementieren. Die thermischen Steuermodule erzeugen geregelte Variable für ihr jeweiliges externes Modul, die von der Energieversorgungsvorrichtung ausgegeben werden und an die externen Modulen geliefert werden.
Im Folgenden werden weitere Details über Ausführungsbeispiele für das thermische Regelungsverfahren vorgesehen, das in den obigen Beispielen verwendbar ist. Das Verfahren kann zum Beispiel zum Steuern und Regeln der internen Temperatur von Batterieverwaltungsschaltungen für tragbare Vorrichtungen verwendet werden. Das Verfahren kann auf Energieverwaltungs-integrierte-Schaltungen für tragbare Vorrichtungen erweitert werden.
In allgemeiner Notation wird das Verfahren auf ein System S mit einer internen Temperatur T angewendet. Das System S kann ein Batterieladegerät oder eine PMIC für tragbare Vorrichtungen sein. Im Allgemeinen ist die Temperatur T eine Funktion von n Variablen (Ladestrom, Systemeingangsstrom, Eingangsspannung, Umgebungstemperatur, ...) und k Konstanten (thermischer Widerstand, etc.). Wenn das Ergebnis des Betriebs von System S unter den n Variablen und k Konstanten die interne Temperatur T> = T_target bewirkt, wirkt das Regelungsverfahren auf m der n Variablen, mit m <= n, um die Systemtemperatur T zu regeln (zum Beispiel T = T_target). Wenn der Systemstatus (n Variable und k Konstanten) die Temperatur auf T < T_target veranlasst, handelt das Regelungsverfahren nicht.
Die m steuerbaren Variablen können zum Beispiel sein:

• Ladestrom _chg eines Batterieladegeräts
• digitale Schaltungsfrequenz
• Abwärts- oder Aufwärtsschaltfrequenz
• Versorgungsstrom (zum Beispiel Vbus Eingangsstrom in ein Batterieladegerät)
• Ausgangsspannung eines Abwärts- oder Aufwärtswandlers
• Eingangsspannung eines Abwärts- oder Aufwärtswandlers
• Eingangsstrom eines Abwärts- oder Aufwärtswandlers
• Eingangsspannung eines Batterieladegeräts
• Ausgangsspannung eines LDOs oder eines linearen Ladegeräts
• Eingangsspannung eines LDOs oder eines linearen Ladegeräts
• Ausgangsstrom eines LDOs oder eines linearen Ladegeräts oder eines Batterieschalters

Jede einzelne steuerbare Variable (wenn verwendet) wird durch eine zugewiesene geschlossene Schleife geregelt. Die zugewiesene geschlossene Schleife bettet einen digitalen Regelprozess ein. Die digitale Regelung kann zum Beispiel durch eine PID- Regelvorrichtung implementiert werden (aber sie kann auch auf andere Verfahren erweitert werden).
Derselbe digitale Steuerblock (zum Beispiel selber HDL-Code) kann für alle Variablen verwendet werden, aber jede Variable hat ihre eigene Regelschleife aufgrund der Programmierbarkeit des generischen Steuerblocks. Die Folgenden sind Beispiele von programmierbaren Aspekten der Regelschleife: Regelkoeffizienten, Solltemperaturen, die geregelt werden sollen, Temperatur-Aktivieren-Schwellen, Minimum- und Maximumwerte für die geregelte Variable, Temperaturakquisitionsrate, geregelte Signalaktualisierungsrate, Aktivieren/Deaktivieren einer Regelschleife abhängig von der Ladephase, etc.
In Ausführungsbeispielen weist das Verfahren der digitalen Regelschleife die folgenden Schritte auf, die in dem Ablaufdiagramm von 8 gezeigt werden:

S1. Messen der Temperatur intern der IC. (Die Temperatur kann durch einen oder mehrere Temperatursensor(en) gemessen werden, die ein analoges Signal in Bezug auf die Temperatur vorsehen. Die Temperatur kann intern zu der IC sein oder extern).
S2. Umwandeln des analogen Signals in Bezug auf den Temperaturwert in ein digitales Signal. (Dies kann mit einem ADC durchgeführt werden).
S3. Vergleichen der umgewandelten Temperaturdaten mit einigen programmierbaren Temperaturschwellen, um zu bestimmen, ob eine Regelschleife handeln sollte und welcher Temperaturbereich zu verwenden ist.
S4. Auswählen von Verhalten, Koeffizienten, Daten, die die Regelschleifen entsprechend den Schwellen definieren. (Parameter können basierend auf dem bestimmten Temperaturbereich bestimmt werden, wodurch eine adaptive Regelung vorgesehen wird, wenn die Regelparameter von einer gemessenen Temperatur abhängig sind).
S5. Berechnen eines Temperaturfehlers zwischen der gemessenen Temperatur und einer Solltemperatur. (Die Solltemperatur kann von den Regelschleifen abhängen).
S6. Anwenden eines Regelalgorithmus basierend auf den ausgewählten Koeffizienten, dem berechneten Temperaturfehler und dem letzten Signalwert, der auf die analoge Schaltung angewendet wird, und Berechnen des neuen Steuersignals/der Variable. (Verschiedene Typen von Regelalgorithmen können verwendet werden).
S7. Vergleichen des neuen Steuer/Signalwerts mit dem „Standard“-Wert, der durch das System gesetzt wird, wenn keine thermische Regelung vorhanden ist, und Auswählen des Minimums der zwei Signale. (Typischerweise ist der Standardwert die maximale Stellgröße, zum Beispiel ein maximaler Strom, der durch die neue Stellgröße reduziert/ersetzt wird, wenn die Regelschleife aktiv ist, um die Temperatur zu reduzieren).
S8. Vergleichen des Ergebnisses des vorherigen Vergleichs mit dem programmierten Minimumwert und Auswählen des Maximums der zwei Werte. (Die Minimum-Stellgröße, der verwendet werden kann, stellt einen einwandfreien Betrieb des Systems sicher. Falls erforderlich, kann eine weitere Regelschleife aktiviert werden, wenn die Minimum-Stellgröße erreicht ist).
S9. Umwandeln des digitalen Signals in ein analoges Signal.
S10. Anwenden des analogen Signals auf die analoge Schaltung. (Das analoge Signal kann ein Systemverhalten steuern und dadurch die Temperatur beeinflussen).

Es ist anzumerken, dass die obigen Schritte nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden müssen und Fachleute werden erkennen, dass verschiedene Reihenfolgen möglich sind und einige Schritte parallel durchgeführt werden können. Zum Beispiel können die Schritte S7 und S8 getauscht werden.
Die Art und Weise, wie die Vielzahl von Regelschleifen arbeitet und miteinander interagiert, kann durch einen Freigabemechanismus gesteuert werden. Der Freigabemechanismus wählt die Schleifen, die aktiviert sind (EIN), basierend auf einem bestimmten Vorrichtungs(IC)-Status. Welche Schleife effektiv handelt, wird durch einen Aktivierungsmechanismus bestimmt (siehe unten). Der Freigabemechanismus kann die folgenden Schritte aufweisen:

• Lesen des IC-Status: zum Beispiel Schnellladen, kein Laden, Vorladen auf einem Batterieladegerät; oder der generische Vorrichtungsstatus einer generischen IC.
• Freigeben einer oder mehrerer der Regelschleifen, die in der Vorrichtung implementiert sind, abhängig von dem IC-Status.

Hinweis: Diese freigegebenen Schleifen werden als „laufend“ bezeichnet, sie sind aktiv, somit bereit zum Regeln, aber dies bedeutet nicht, dass sie wirklich regeln. Ob sie wirklich regeln, hängt von dem/den gemessenen Temperaturwerten) ab und ob sie durch einen Aktivierungsmechanismus aktiviert sind, im Folgenden beschrieben.
Eine oder mehrere der freigegebenen thermischen Regelschleifen ist/sind gemäß den folgenden Aktivierungsmechanismen aktiviert. Der Aktivierungsmechanismus definiert die Reihenfolge, in der die Schleifen handeln, wenn mehr als eine Schleife durch den obigen Freigabemechanismus freigegeben ist. Im Allgemeinen handelt eine aktive Schleife auf der geregelten Variable, um die interne Temperatur zu reduzieren, nur, wenn die gemessene Temperatur die assoziierte Solltemperatur übersteigt.
Die Aktivierungsreihenfolge kann auf einem Prioritätsmechanismus basieren oder kann sich während der Laufzeit entsprechend dem IC-Status ändern. Die folgenden Aktivierungsmechanismen können verwendet werden:

1. Solltemperatur-basierender Aktivierungsmechanismus: die Schleife, die zuerst handelt, ist die mit niedrigerer Solltemperatur.
2. Feste-Priorität-Aktivierungsmechanismus: die Schleifen werden entsprechend einer programmierten Reihenfolge aktiviert. Zum Beispiel kann in einem Batterieladegerät mit zwei implementierten Regelschleifen (zum Regeln von Ladestrom und Eingangsstrom) die Priorität programmiert werden durch Festlegen, dass die Ladestromschleife zuerst handelt und die Eingangsstromschleife als zweite. Alle Schleifen können dieselbe Solltemperatur haben.
3. Temperatur-Karte-Aktivierungsmechanismus: die aktivierten Schleifen sind diejenigen, die den Leistungsverbrauch des Moduls (oder des lokalen IC-Bereichs) mit höherer lokaler Temperatur regeln. Wenn mehr als eine geregelte Variable den Leistungsverbrauch des Moduls (oder des lokalen IC-Bereichs) beeinflusst, kann eine Prioritätsreihenfolge vorgesehen werden.

Im Folgenden wird eine detailliertere Beschreibung von beispielhaften Implementierungen für die drei Aktivierungsmechanismen vorgesehen:

Der Solltemperatur-basierende Aktivierungsmechanismus basiert auf der Verwendung von verschiedenen Solltemperaturen für die verschiedenen Schleifen. Die Schleife mit der niedrigsten Solltemperatur wird ausgewählt, als erste zu handeln.

Der feste-Priorität-Aktivierungsmechanismus kann als ein Verfahren implementiert werden, das die folgenden Schritte aufweist:

1. Setzen der Prioritätsreihenfolge zwischen den Regelschleifen (zum Beispiel Ladestrom zuerst, dann Eingangsstrom, dann Ausgangsspannung). Die Prioritätsreihenfolge ist eine der möglichen programmierbaren Optionen des digitalen Steuermoduls.
2. Wenn T_target überschritten ist, ist die erste Variable, die geregelt wird, um die interne Temperatur T<= T_target zu halten, die geregelte Variable mit der höheren Priorität (zum Beispiel Ladestrom).
3. Die geregelte Variable mit der Priorität i+1 (Priorität i > Priorität i+1) beginnt, geregelt zu werden, erst nachdem die geregelte Variable mit der Priorität i einen vorgegebenen Wert erreicht hat, der für diese Variable programmiert ist (zum Beispiel, wenn die geregelte Variable mit Priorität i auf einen Minimumwert für diese Variable reduziert wurde, aber die interne Temperatur weiter über T_target steigt).
4. Wenn die geregelte Variable mit der Priorität i+1 die geregelte Variable ist, sind die Variablen mit der Priorität < i+1 alle auf ihrem Minimumwert festgelegt. Die Variable mit der Priorität i kann wieder erhöht werden, nachdem die Variable mit der Priorität i+1 zurück auf ihren maximalen Wert erhöht wurde (zum Beispiel, da das System abkühlt).

Der Temperatur-Karte-Aktivierungsmechanismus kann als ein Verfahren implementiert werden, das die folgenden Schritte aufweist:

1. Lesen aller oder eines Teils (je nach Konfiguration) der internen Temperatursensoren.
2. Umwandeln des analogen Signals/der analogen Signale in Bezug auf einen Temperaturwert in (ein) digitale(s) Signal(e).
3. Lesen des Status von Teilmodulen (vor allem, wenn sie EIN oder AUS sind), die Teil der geregelten IC sind und die durch die geregelte Signalvariable beeinflusst werden.
4. Elaborieren der Temperaturinformation, Prioritätslisten und des Teilmodul-Status, um die handelnde Schleife auszuwählen (zum Beispiel ist die ausgewählte Schleife die Schleife, die eine Variable regelt, die den Energieverbrauch des Moduls beeinflusst, das eingeschaltet ist und das eine höhere Temperatur hat).

7 zeigt einen Effekt der vorgeschlagenen Lösung in Bezug auf eine thermische Regelung, die nach dem Stand der Technik implementiert ist. In der Figur werden geregelte Ströme, die durch verschiedene Regelungsansätze auf zwei Temperaturbetriebspunkte gesetzt sind (T₁ und T_target), durch Quadrat-, Punkt- und Dreieck-Symbole hervorgehoben.
In einer analogen Regelung (gestrichelte Linie mit Punkt markiert) beginnt das Regelungsverfahren ein Verringern der geregelten Variablen (in einem Batterieladegerät wird zum Beispiel nur der Ladestrom oder nur der Eingangsstrom geregelt) vor einem Erreichen der Solltemperatur. Die Variable (Strom) wird auf 0 gesetzt, wenn T_target erreicht ist. In einer digitalen Regelung (horizontale gestrichelte Linien mit Dreieck markiert) führt das Regelungsverfahren etwas Ähnliches durch, aber mit diskreten Temperaturschwellen und Stromstufen. In beiden Verfahren des Standes der Technik wird ein Betriebspunkt erreicht, der in Bezug auf die vorgeschlagene Lösung suboptimal ist, die 100% Strom bei T₁ hält und Strom nur für T_target reduziert (siehe Linie mit Quadraten markiert).
Wie bereits angeführt, kann dieselbe Regelschleife verwendet werden, um andere externe Vorrichtungen zu regeln, die von einer Energieversorgung versorgt werden, die die vorgeschlagene Lösung implementiert (siehe zum Beispiel 6). Die einzige Information, die diese externe Vorrichtung an die Energieversorgungs-IC liefern sollte, die die vorgeschlagene Lösung implementiert, ist die Temperaturinformation. Sobald die Temperaturinformation akquiriert ist, wie zum Beispiel durch einen Analog-Digital-Wandler, eine digitale Kommunikationsschnittstelle etc., aber nicht darauf beschränkt, kann die Temperatur durch Regeln zum Beispiel des gelieferten Stroms oder der Spannung geregelt werden (aber auch alle anderen Signale, die den Leistungsverbrauch regeln können). Ein mögliches Beispiel ist eine Batterie, die mit einem Batterieladegerät verbunden ist. Der Ladestrom kann geregelt werden, um zu vermeiden, dass eine programmierte Solltemperatur der Batterie überschritten wird.
Die vorgeschlagene Lösung hat einen weiteren Vorteil, das ist die Möglichkeit zum Zugreifen auf die Regelschleife durch eine externe Vorrichtung (zum Beispiel eine externe CPU, FPGA, etc., aber nicht darauf beschränkt) sowohl als Ausgang als auch als Eingang durch Lesen von Daten intern in der IC oder Schreiben von Daten in die IC. Daten, die aus den Registern 40 in 2 gelesen werden, können zum Beispiel die interne Temperatur, ein vorverarbeiteter interner Wert, etc. sein, aber nicht darauf beschränkt. Daten, die in die Register 40 geschrieben werden, können die geregelte Variable, vorverarbeitete Daten, die durch die Schleife verwendet werden, etc. sein. Mögliche Zugriffspunkte (Eingang oder Ausgang) für eine Schleifeninteraktion können die Register 40 in 2 sein. Dieser Ansatz kann für mehrere unterschiedliche Anwendungen sehr nützlich sein:

• Implementieren einer neuen digitalen Regelung zur Verwendung in der nächsten Generation der IC.
• Implementieren der Regelschleife ganz oder teilweise extern, zum Beispiel auf einer externen CPU oder einem FPGA. Teilweise bedeutet, dass die Hauptregelung intern angewendet werden kann, aber in bestimmten Fällen kann eine externe Vorrichtung eine Aktualisierung durchführen (zum Beispiel Koeffizienten, etc).

Claims

Digitales Temperatursteuerverfahren für eine Energieversorgungsvorrichtung, das aufweist Messen einer internen Chip-Temperatur der Energieversorgungsvorrichtung; Umwandeln der gemessenen Temperatur in eine digitalisierte Temperatur; Vergleichen der digitalisierten Temperatur mit zumindest einer Temperaturschwelle; Auswählen eines digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus aus einer Vielzahl von programmierbaren digitalen Regelungsalgorithmen basierend auf dem Ergebnis des Vergleichens mit der zumindest einen Temperaturschwelle und Anwenden des ausgewählten digitalen Regelungsalgorithmus auf eine geregelte Systemvariable der Energieversorgungsvorrichtung, die mit dem ausgewählten digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus assoziiert ist, dadurch Erlangen einer Stellgröße, wobei zumindest ein digitaler Temperatur-Regelungsalgorithmus aus der Vielzahl von digitalen programmierbaren Regelungsalgorithmen eine Ziel-Temperatur und programmierbare Regelungskoeffizienten für unterschiedliche Temperaturbereiche hat und wobei das Auswählen eines digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus das Auswählen zumindest eines Regelungskoeffizienten für den zumindest einen digitalen Temperatur-Regelungsalgorithmus basierend auf der gemessenen Temperatur aufweist; Verifizieren der erlangten Stellgröße; und Anwenden der verifizierten Stellgröße, um die Leistung zu regeln, die an eine externe Vorrichtung geliefert wird.
Steuerverfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Auswählen eines digitalen Regelungsalgorithmus weiter auf einem Energieversorgungsstatus basiert, der angewendet wird zum Liefern von Leistung an die externe Vorrichtung.
Steuerverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die gemessene Temperatur mit einer Vielzahl von Temperaturschwellen verglichen wird, und das Auswählen eines digitalen Regelungsalgorithmus auf dem Vergleichsergebnis mit den Temperaturschwellen basiert.
Steuerverfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Auswählen eines digitalen Regelungsalgorithmus weiter auf einer Priorität basiert, die jedem digitalen Regelungsalgorithmus zugewiesen ist.
Steuerverfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Auswählen eines digitalen Regelungsalgorithmus weiter auf einer Solltemperatur basiert, die jedem digitalen Regelungsalgorithmus zugewiesen ist.
Steuerverfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Vielzahl von Chiptemperaturen gemessen wird, wobei jede Temperatur mit einem digitalen Regelalgorithmus assoziiert ist, wobei das Auswählen eines digitalen Regelungsalgorithmus auf den gemessenen Temperaturen basiert.
Steuerverfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Systemvariablen eine interne Spannung oder einen Strom einer Energieversorgungsvorrichtung betreffen oder eine Spannung oder einen Strom, der an die externe Vorrichtung geliefert wird.
Steuerverfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verifizieren der erlangten Stellgröße ein Vergleichen der Stellgröße mit einem Minimum- und/oder Maximumwert der Systemvariablen aufweist, die mit dem ausgewählten digitalen Regelungsalgorithmus assoziiert ist.
Energieversorgungsvorrichtung zum Vorsehen von Leistung an eine externe Vorrichtung, wobei die Energieversorgungsvorrichtung konfiguriert ist zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, die aufweist einen analogen Abschnitt mit einer Energieversorgungseinheit und zumindest einem Temperatursensor, um eine lokale Die-Temperatur der Energieversorgungseinheit zu messen, einen Analog-Digital-Wandler und einen digitalen Abschnitt mit einer Steuereinheit und einem Speicher zum Speichern der programmierbaren Koeffizienten der digitalen Regelungsalgorithmen.
Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Energieversorgungseinheit einen Abwärtswandler und ein lineares Ladegerät oder einen Batterieschalter aufweist, wobei die Systemvariablen zumindest den Eingangsstrom in den Abwärtswandler und den Ladestrom umfassen, der an die externe Vorrichtung durch das lineare Ladegerät oder durch den Batterieschalter geliefert wird, wobei die externe Vorrichtung eine wiederaufladbare Batterie ist.
Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Energieversorgungseinheit ein lineares Ladegerät und einen optionalen Batterieschalter aufweist, wobei die Systemvariablen zumindest den Eingangsstrom in das lineare Ladegerät und den Ladestrom umfassen, der an die externe Vorrichtung geliefert wird, wobei die externe Vorrichtung eine wiederaufladbare Batterie ist.