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HINTERGRUND
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Der Markt für Rauchmelder erfordert eine Vielzahl von Stromversorgungsplattformen, um den Anforderungen einer Vielzahl von Anwendungen nachzukommen, sodass Anbieter von Rauchmeldern oft unterschiedliche Stromversorgungsversionen ihrer Produkte entwickeln und verkaufen. Jede Plattform verwendet eine andere Hardwarekonfiguration, indem entweder diskrete Komponenten oder IC-Chips (IC: Integrated Circuit - Integrierte Schaltung) geändert werden. Es ist wünschenswert, mehrere Stromversorgungsoptionen in denselben Komponenten zur Verfügung zu haben.
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KURZDARSTELLUNG
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Beschriebene Ausführungsformen stellen einen Analog-Front-End(AFE)-Chip für einen Rauchmelder bereit. Der AFE-Chip kann einen großen Bereich von Stromversorgungseingaben akzeptieren und unterstützt gleichzeitig die 2020 veröffentlichten UL-Anforderungen für Rauchmelder. Ein Vorregler auf dem AFE-Chip kann eine Stromversorgungseingabe mit einer Spannung zwischen etwa zwei (2) Volt und etwa fünfzehn (15) Volt akzeptieren und eine sichere Spannung an andere Schaltungen auf dem AFE-Chip liefern. Diese Fähigkeit sorgt dafür, dass der Ausgang eines DC/DC-Aufwärtswandlers auf dem AFE-Chip mit dem AFE-Stromversorgungseingang gekoppelt wird. Der DC/DC-Aufwärtswandler ist standardmäßig freigegeben, kann jedoch erfassen, wenn eine höhere Eingangsspannung bereitgestellt wird, und schaltet den DC/DC-Aufwärtswandler aus, wenn er nicht benötigt wird. Diese beiden Fähigkeiten sorgen dafür, dass der AFE-Chip mit einer Vielzahl von Rauchmelder-Leistungskonfigurationen verwendet werden kann.
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In einem Aspekt wird eine Ausführungsform eines AFE-Chips für einen Rauchmelder beschrieben. Der AFE-Chip umfasst einen DC/DC-Aufwärtswandler mit einem Aufwärtswandlungseingang, einem Aufwärtswandlungsausgang und einem oberen Aufwärtswandlungsstromversorgungseingang, wobei der Aufwärtswandlungseingang mit einem ersten Pin gekoppelt ist und der Aufwärtswandlungsausgang mit einem zweiten Pin gekoppelt ist, wobei der erste Pin zum Koppeln mit einer Batterie über eine Induktivität eingerichtet ist und wobei der DC/DC-Aufwärtswandler dazu ausgelegt ist, nicht zu schalten, wenn eine Spannung an dem zweiten Pin größer als eine programmierte Aufwärtswandlungsspannung ist; und einen Satz von Leistungsreglerschaltungen mit einem Leistungseingang und einem Leistungsausgang, wobei der Leistungseingang mit einem dritten Pin gekoppelt ist, wobei der dritte Pin zum Empfangen einer Eingangsspannung eingerichtet ist, wobei der Leistungsausgang gekoppelt ist, um eine interne Spannung an den digitalen oberen Versorgungseingang zu liefern, wobei der Satz von Leistungsreglerschaltungen ferner mit dem oberen Aufwärtswandlungsstromversorgungseingang gekoppelt ist.
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In einem anderen Aspekt wird eine Ausführungsform einer Rauchdetektionsvorrichtung beschrieben. Die Rauchdetektionsvorrichtung umfasst einen AFE-Chip mit einem DC/DC-Aufwärtswandler mit einem Aufwärtswandlungseingang, einem Aufwärtswandlungsausgang und einem oberen Aufwärtswandlungsstromversorgungseingang, wobei der Aufwärtswandlungseingang mit einem ersten Pin gekoppelt ist und der Aufwärtswandlungsausgang mit einem zweiten Pin gekoppelt ist, und einen Satz von Leistungsreglerschaltungen mit einem Leistungseingang und einem Leistungsausgang, wobei der Leistungseingang mit einem dritten Pin gekoppelt ist, wobei der dritte Pin zum Empfangen einer Eingangsspannung eingerichtet ist, wobei der Leistungsausgang gekoppelt ist, um eine interne Spannung bereitzustellen; und eine Leiterbahn, die den zweiten Pin mit dem dritten Pin koppelt.
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In noch einem weiteren Aspekt wird eine Ausführungsform eines Prozesses zum Betreiben eines Rauchmelders beschrieben. Der Prozess koppelt einen Ausgangspin für einen DC/DC-Aufwärtswandler auf einem Analog-Front-End(AFE)-Chip mit einem Eingangspin für einen Satz von Leistungsreglerschaltungen auf dem AFE-Chip über eine Leiterbahn; und koppelt eine Stromversorgung mit dem AFE-Chip.
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Figurenliste
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Ausführungsformen dieser Beschreibung sind beispielhaft und nicht einschränkend in den Figuren der beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente angeben. Unterschiedliche Bezugnahmen auf „eine“ Ausführungsform in dieser Beschreibung beziehen sich nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform, und solche Bezugnahmen können mindestens eine bedeuten. Bei einer Beschreibung eines bestimmten Merkmals, einer bestimmten Struktur oder Eigenschaft in Verbindung mit einer Ausführungsform liegt es ferner innerhalb des Wissens von Fachleuten, ein solches Merkmal, eine solche Struktur oder Eigenschaft in Verbindung mit anderen Ausführungsformen zu bewirken, ob explizit beschrieben oder nicht. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „koppeln“ oder „koppelt“ entweder eine indirekte oder eine direkte elektrische Verbindung, sofern keine Einschränkung wie „kommunizierbar gekoppelt“ vorliegt, was drahtlose Verbindungen umfassen kann. Ist also eine erste Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung gekoppelt, so kann diese Verbindung durch eine direkte elektrische Verbindung oder durch eine indirekte elektrische Verbindung über andere Vorrichtungen und Verbindungen bestehen.
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Die beigefügten Zeichnungen sind in die Beschreibung aufgenommen und bilden einen Teil davon, um eine oder mehrere beispielhafte Ausführungsformen dieser Beschreibung zu veranschaulichen. Verschiedene Vorteile und Merkmale der Beschreibung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Ansprüchen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren verständlich, in denen gilt:
- 1A zeigt eine Leistungskonfiguration, in der der IC-Chip mit einem AC/DC-Wandler mit Pufferbatterie gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung;
- 1B zeigt eine Leistungskonfiguration, bei der der IC-Chip nur mit einer Niederspannungsbatterie gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung;
- 1C zeigt eine Leistungskonfiguration, bei der der IC-Chip mit einer Batterie mit einer höheren Spannung, z. B. 9-12 V, gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung;
- 2 zeigt ein Beispiel einer Rauchdetektionsvorrichtung, die einen IC-Chip umfasst, gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung;
- 2A zeigt eine detailliertere Version des digitalen Kerns gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung;
- 3 zeigt einen Prozess zum Betreiben eines Rauchmelders gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung; und
- 3A-3I zeigen Elemente, die in dem Prozess von 3 enthalten sein können. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Spezifische Ausführungsformen der Erfindung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. In der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründlicheres Verständnis der Erfindung bereitzustellen. Fachleute verstehen jedoch, dass die Erfindung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen wurden wohlbekannte Merkmale nicht ausführlich beschrieben, um die Beschreibung nicht unnötigerweise kompliziert zu machen.
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Der Markt für Rauchmelder erfordert eine Vielzahl von Stromversorgungsplattformen. Gewerbliche Rauchmelder und viele Rauchmelder in Privathaushalten verwenden Gleichstromleistung, die von einer Netzstromversorgung mit Batterieleistung als Notversorgung bei Unterbrechung der Stromversorgung stammt. Beispielsweise verwendet eine Stromversorgungsplattform die Kombination einer 12V-DC-Eingabe und einer 3V-Pufferbatterie. Andere Stromversorgungsplattformen sind ausschließlich auf Batterieleistung gestützt und können eine Eingabe mit niedriger Spannung, wie etwa eine 3V-Batterie, oder eine Eingabe mit hoher Spannung, z. B. eine 9-12V-Batterie, verwenden. Diese drei Plattformen erfordern unterschiedliche Leistungsverwaltungskonfigurationen, da Rauchmelderfunktionen unterschiedliche Spannungen erfordern, die sowohl niedriger als auch höher als diese Eingangsspannungen sein können. Beispielsweise erfordert eine Sirenentreiberfunktion 10-12 V, während das Rauchkammer-AFE 2-3 V erfordert.
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Abhängig von der Stromversorgung für eine bestimmte Plattform kann der Rauchmelder entweder einen DC/DC-Aufwärtswandler zum Bereitstellen einer höheren Spannung aus einer niedrigen Eingangsspannung oder einen Abwärtswandler zum Bereitstellen einer niedrigeren Spannungen aus einer hohen Eingangsspannung; einige Konfigurationen verwenden beides. Ein beispielhafter DC/DC-Aufwärtswandler erzeugt 10-12 V aus einer niedrigeren Eingangsspannung, z. B. 3 V, während ein beispielhafter Abwärtswandler 2-3 V aus einer höheren Eingangsspannung wie 9 V oder 12 V erzeugt. Anbieter von Rauchmeldern entwickeln und verkaufen historisch verschiedene Stromversorgungsversionen ihrer Produkte. Jede Plattform verwendet eine andere Hardwarekonfiguration, die entweder diskrete Komponenten oder IC-Chips variiert. Diese Situation ist sowohl aufgrund der Entwicklungskosten für mehrere Plattformen als auch der Notwendigkeit, alle Komponenten der mehreren Plattformen auf Lager zu halten, nicht ideal. Innerhalb dieser Plattformen akzeptieren die AFE-ICs für einen Rauchmelder im Allgemeinen nur eine niedrigere Eingangsspannung, z. B. bis zu 5 V, da das AFE zur Nutzung von 2-3 V ausgelegt sein kann.
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Die Anmelder haben einen einzelnen IC-Chip entworfen, der ein AFE mit der Leistungsverwaltung integriert, um mehrere Stromversorgungskombinationen zu unterstützen; dieser IC-Chip kann hierin als AFE-Chip bezeichnet werden. Der Leistungseingang für den AFE-Chip ist auf einen weiten Eingabebereich ausgelegt, z. B. zwischen 2-15 V. Gleichzeitig ist ein DC/DC-Aufwärtswandler auf dem AFE-Chip standardmäßig freigegeben und dazu ausgelegt, mit dem Leistungseingang für das AFE gekoppelt zu werden. Die Stromversorgungseingabe für das AFE wird an einem Vorregler empfangen, der dazu ausgelegt ist, die hohe Spannung zu empfangen und eine Leistungsausgabe bereitzustellen, die im Bereich von 4-5 V liegt. Der Ausgang des Vorreglers speist den DC/DC-Aufwärtswandler und zusätzliche Spannungsregler, die andere Elemente des Rauchmelders speisen.
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Die Kombination aus einem Vorregler, der hohe Spannungen empfangen kann, und einem standardmäßig freigegebenen DC/DC-Aufwärtswandler, dessen Ausgang mit dem Eingang des Vorreglers gekoppelt ist, sorgt dafür, dass der AFE-Chip mit mehreren Leistungskonfigurationen funktioniert. Unter Verwendung dieser Kombination ist der beschriebene AFE-Chip in der Lage, Leistungskonfigurationen zu unterstützen, die eine Plattform nur mit einer Batterie mit niedriger Spannung (3 V), eine Plattform nur mit einer Batterie mit hoher Spannung (9 V) und eine Plattform, die eine 12V-DC-Leistung mit einer 3V-Pufferbatterie kombiniert, umfassen können.
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Der beschriebene IC-Chip bietet nicht nur Vielseitigkeit zur Verwendung mit unterschiedlichen Leistungsplattformen, sondern auch geringe Gesamtleistungsanforderungen. 2018 wurden durch Underwriters Laboratories (UL) neue Anforderungen für die Zertifizierung von Rauchmeldern vorgelegt, deren Umsetzung bis Anfang 2020 abgeschlossen sein soll. Diese Anforderungen umfassen die Fähigkeit des Rauchmelders ein, von einer 3-Volt-Lithiumbatterie für eine Lebensdauer des Rauchmelders von zehn Jahren betrieben zu werden, was sehr strenge Beschränkungen für den Stromverbrauch auferlegt. Der beschriebene AFE-Chip unterstützt diese Anforderung.
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1A-1C zeigen jeweils einen Teil einer Rauchdetektionsvorrichtung 100, die einen AFE-Chip 101 umfasst, gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung. Der AFE-Chip 101 kann eine Anzahl von bei der Detektion von Rauch und/oder Kohlenmonoxid (CO) verwendeten Schaltungen enthalten, die in diesen Figuren nicht speziell gezeigt sind, um die Unterschiede der beschriebenen Ausführungsformen hervorzuheben. Der AFE-Chip 101 umfasst einen DC/DC-Aufwärtswandler 102 und einen Satz von Leistungsreglerschaltungen 113, die die gewünschten Leistungspegel bereitstellen. In einer beschriebenen Ausführungsform beinhaltet der Satz von Leistungsreglerschaltungen 113 eine Vorreglerschaltung 104, einen internen LDO-Regler 106 und einen Mikrocontrollereinheit(MCU)-LDO-Regler 108. Es sei angemerkt, dass der Satz von Leistungsreglerschaltungen 113 größer oder kleiner sein kann als der speziell in diesen Figuren gezeigte Satz. Wenn beispielsweise ein AFE-Chip keine MCU speist, kann ein MCU-LDO weggelassen werden. Gleichermaßen ist, wenn der interne LDO-Regler 106 und der MCU-LDO-Regler 108 (falls vorhanden) dazu eingerichtet sind, mit der Spannung an dem dritten Pin zu arbeiten, die Vorreglerschaltung 104 nicht erforderlich.
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Der DC/DC-Aufwärtswandler 102 weist einen Aufwärtswandlungseingang, der mit einem ersten Pin P1 gekoppelt ist, einen Aufwärtswandlungsausgang, der mit einem zweiten Pin P2 gekoppelt ist, und einen oberen Aufwärtswandlungsstromversorgungseingang 110 auf. Der erste Pin P1 kann mit einer Batterie mit niedriger Spannung gekoppelt sein, z. B. einer Batterie, die 3,0-3,6 V bereitstellt, obgleich die Batterieleistung mit der Zeit auf etwa 2 V sinken und weiterhin Leistung für den AFE-Chip 101, die angeschlossenen Sensoren und eine angeschlossene MCU (in diesen Figuren nicht speziell gezeigt) bereitstellen kann. Der DC/DC-Aufwärtswandler 102 arbeitet mit einem großen Bereich von Eingangs- und Ausgangsspannungen und kann mehrere Batteriekonfigurationen und Treiberspannungen unterstützen. Eine programmierte Aufwärtswandlungsspannung VPGM kann so eingestellt sein, dass sie eine gewünschte aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst angibt. Der DC/DC-Aufwärtswandler 102 stellt ein Power-Good-Signal BST_PG bereit, das an ein Register in dem digitalen Kern (in dieser Figur nicht speziell gezeigt) gesendet werden kann, um die MCU zu benachrichtigen, wenn der Aufwärtswandler über 95 % der programmierten Aufwärtswandlungsspannung VPGM liegt. Das Power-Good-Signal BST_PG wird auf Low gesetzt, wenn der DC/DC-Aufwärtswandler 102 gesperrt wird.
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Mehrere Registerbits können verwendet werden, um die Aktivität des DC/DC-Aufwärtswandlers 102 zu steuern. Ein Aufwärtswandlungsfreigaberegisterbit BST_EN wird auf „1“ gesetzt, wenn der DC/DC-Aufwärtswandler 102 freigegeben werden soll, und wird auf „0“ gesetzt, wenn der DC/DC-Aufwärtswandler 102 gesperrt werden soll. Ein Aufwärtswandlungsschlafregisterbit SLP_BST kann auf „1“ gesetzt werden, wenn der DC/DC-Aufwärtswandler 102 während eines Schlafmodus gesperrt werden soll, z. B. für einen Betrieb mit Batterie mit niedriger Spannung, und kann auf „0“ gesetzt werden, wenn der DC/DC-Aufwärtswandler 102 während eines Schlafmodus unverändert bleiben soll, z. B. bei Betrieb von einem AC/DC-Wandler. Wenn sich die Rauchdetektionsvorrichtung 100 in einem Schlafmodus befindet, der nachstehend ausführlicher beschrieben wird, sperrt das Aufwärtswandlungsschlafregisterbit SLP_BST den DC/DC-Aufwärtswandler 102, wenn der DC/DC-Aufwärtswandler 102 mit dem Aufwärtswandlungsfreigaberegisterbit BST_EN freigegeben ist. Das Aufwärtswandlungsladungsregisterbit BSTCHARGE kann den Aufwärtswandler freigeben, bis das Power-Good-Signal BST_PGHigh ist, wobei an diesem Punkt das Aufwärtswandlungsladungsregisterbit BSTCHARGE auf „0“ zurückgesetzt wird und der DC/DC-Aufwärtswandler 102 gesperrt wird. Andere Registerbits können verwendet werden, um den DC/DC-Aufwärtswandler 102 in Fällen freizugeben, in denen bestimmte Fehler in der Vorreglerschaltung 104 oder dem MCU-LDO-Regler 108 auftreten.
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Der standardmäßig freigegebene DC/DC-Aufwärtswandler 102 kann das Hochfahren von einer AC/DC-Stromversorgung, die etwa 12 V bereitstellt, und einer Pufferbatterie, die etwa 3 V bereitstellt, unterstützen. Wenn die AC/DC-Stromversorgung verbunden ist und die Stromversorgung an dem zweiten Pin P2 größer als die aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst ist, schaltet der DC/DC-Aufwärtswandler 102 nicht und es wird keine Leistung aus der Batterie bezogen. Wenn die AC/DC-Stromversorgung unterbrochen wird, wird der DC/DC-Aufwärtswandler 102 automatisch freigegeben und erzeugt eine aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst aus der Batteriespannung Vbat. Wenn nur eine 3V-Batterie verbunden ist, kann der standardmäßig freigegebene DC/DC-Aufwärtswandler die höhere Spannung bereitstellen. Dies garantiert, dass der Stromversorgungseingang für den AFE-Chip 101 mit hoher Spannung gespeist werden kann, wenn eine Batterie, eine 12V-DC-Stromversorgung oder beide verbunden sind.
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Die Vorreglerschaltung 104 weist einen Vorreglereingang, der mit einem dritten Pin P3 gekoppelt ist, und einen Vorreglerausgang 112, der mit dem oberen Aufwärtswandlungsstromversorgungseingang 110 gekoppelt ist und der auch mit einem vierten Pin P4 gekoppelt ist, auf. Wie zuvor angemerkt, kann die Vorreglerschaltung 104 eine Eingangsspannung Vcc empfangen, die zwischen etwa 2 V, z. B. während des Hochfahrens, und etwa 15 V liegen kann. Ist die Stromversorgungseingabe kleiner als etwa 4 V, so leitet die Vorreglerschaltung 104 einfach die Eingangsspannung Vcc an die anderen Schaltungen weiter, die die Leistung verwenden. Sobald der Stromversorgungseingang über etwa 4 V steigt, wird die Ausgabe der Vorreglerschaltung 104 mit einer Ausgabe im Bereich von etwa 4 V bis etwa 5,5 V geregelt.
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Der interne LDO-Regler 106 weist einen oberen Intern-LDO-Stromversorgungseingang 114, der mit dem Vorreglerausgang 112 gekoppelt ist, und einen Intern-LDO-Ausgang, der mit einem fünften Pin P5 gekoppelt ist, auf. Während des Betriebs des internen LDO-Reglers 106 empfängt der interne LDO-Regler 106 die durch die Vorreglerschaltung 104 bereitgestellte Spannung, die nicht so streng reguliert wird, wie es von einigen der internen Schaltungen benötigt wird, und liefert eine gut regulierte interne Spannung Vint an analoge Blöcke und an einen digitalen Kern, die in diesen Figuren nicht speziell gezeigt sind. In einer Ausführungsform beträgt die durch den internen LDO-Regler 106 bereitgestellte Spannung etwa 2,3 V.
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Der MCU-LDO-Regler 108 weist einen oberen MCU-LDO-Stromversorgungseingang 116, einen MCU-LDO-Ausgang und einen MCU-Auswahleingang 118 auf. Der obere MCU-LDO-Stromversorgungseingang 116 ist mit dem Vorreglerausgang 112 gekoppelt, der MCU-LDO-Ausgang ist mit einem sechsten Pin P6 gekoppelt, und der MCU-Auswahleingang 118 ist mit einem siebten Pin P7 gekoppelt. In einer Ausführungsform ist der MCU-LDO-Regler 108 auch gekoppelt, um ein MCU-Spannungseinstellsignal VMCUSET 122 und ein MCU-Freigabesignal MCUENA 120 zu empfangen. In einer Ausführungsform kann der MCU-LCO-Regler 108 eine MCU-Spannung Vmcu bereitstellen, die zwischen etwa 1,5 V bis etwa 3,3 V eingestellt werden kann. Der MCU-Auswahleingang 118 und der siebte Pin P7 werden verwendet, um einen Anfangswert der MCU-Spannung Vmcu aus einer Auswahl möglicher Einstellungen einzustellen, während das MCU-Spannungseinstellsignal VMCUSET 122 in einem internen Register auf dem AFE-Chip 101 (in dieser Figur nicht speziell gezeigt) gespeichert wird, das durch die MCU auf eine endgültige Spannungseinstellung programmiert werden kann, sobald die MCU in Betrieb ist. Das MCU-Freigabesignal MCUENA 120 ist ein internes Signal, das verwendet werden kann, um zu signalisieren, wann die MCU aufgeweckt werden sollte, nachdem sie in eine Schlafperiode eingetreten ist. Ähnlich wie der DC/DC-Aufwärtswandler 102 kann der MCU-LDO-Regler 108 während eines Schlafmodus gesperrt werden, wenn ein MCU-Schlafregisterbit SLP_MCU auf „1“ gesetzt ist, und kann während des Schlafmodus unverändert gelassen werden, wenn das MCU-Schlafregisterbit SLP_MCU auf „0“ gesetzt ist. Wenn der MCU-LDO 108 vor dem Schlafmodus freigegeben war, wird der MCU-LCO 108 wieder freigegeben, wenn der Schlafmodus verlassen wird.
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Als Ganzes genommen weist der Satz von Leistungsreglerschaltungen 113 einen Leistungseingang und einen Leistungsausgang auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Leistungseingang mit dem dritten Pin gekoppelt, um die Eingangsspannung Vcc zu empfangen, und der Leistungsausgang ist innerhalb des AFE 100 mit einer Anzahl von analogen Blöcken und mit dem digitalen Kern (beide in dieser Figur nicht speziell gezeigt) gekoppelt, um die interne Spannung Vint bereitzustellen. Der Satz von Leistungsreglerschaltungen 113 ist auch mit dem oberen Aufwärtswandlungsstromversorgungseingang 110 gekoppelt. Obgleich 1A-1C jeweils denselben AFE-Chip 101 zeigen, erfolgt dies mit drei verschiedenen Leistungskonfigurationen, um die Flexibilität der Leistungsregelschaltungen des AFE-Chips 101 zu beschreiben. In 1 A umfasst die Rauchdetektionsvorrichtung 100A einen AC/DC-Wandler 103 und eine Pufferbatterie 105, die mit dem AFE-Chip 101 gekoppelt sind. In einer Ausführungsform stellt der AC/DC-Wandler 103 eine Stromversorgung von 11,5 V bereit, und die Pufferbatterie 105 ist dazu ausgelegt, 3-3,6 V Leistung zu liefern, obwohl die Batterie gegen Ende der zehnjährigen Lebensdauer des Rauchmelders möglicherweise nur etwa 2 V bereitstellt. Die Pufferbatterie 105 ist über eine Induktivität L mit dem ersten Pin P1 gekoppelt. Der zweite Pin P2 ist über eine Leiterbahn T1 auf einer Leiterplatte (nicht speziell gezeigt) mit dem dritten Pin P3 gekoppelt. Eine erste Diode D1, z. B. eine Schottky-Diode, ist zwischen den ersten Pin P1 und den zweiten Pin P2 gekoppelt.
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Der AC/DC-Wandler 103 ist über eine zweite Diode D2 mit der Leiterbahn T1 gekoppelt. Hierbei sei angemerkt, dass die Spannung an dem zweiten Pin P2 hierin als aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst bezeichnet wird, selbst wenn der DC/DC-Aufwärtswandler 102 keine Leistung liefert. Diese Konvention wird verwendet, da die aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst an dem zweiten Pin P2 über interne Metallisierungsschichten an andere Schaltungen auf dem AFE-Chip 101 geliefert wird, z. B. an eine Sirenentreiberschaltung und einem Verbindungs-E/A-Puffer (die beide in dieser Figur nicht speziell gezeigt sind). Ist Netzstrom verfügbar, so liefert der AC/DC-Wandler 103 eine aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst, die gleich oder größer als die programmierte Aufwärtswandlungsspannung VPGM sein kann, z. B. etwa 11,5-15 V. Der DC/DC-Aufwärtswandler 102 erfasst die Spannung am zweiten Pin P2 und schaltet nicht, wenn die aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst gleich oder größer als die programmierte Aufwärtswandlungsspannung VPGM ist, sodass keine Leistung von der Batterie bezogen wird. Fällt die Netzspannung aus, so fällt der durch den AC/DC-Wandler 103 gelieferte Strom weg. Wenn der Spannungsabfall erfasst wird, wird der DC/DC-Aufwärtswandler automatisch freigegeben und erzeugt die aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst bei der programmierten Aufwärtswandlungsspannung VPGM aus der 3V-Pufferbatterie 105.
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Liegt die aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst unter der programmierten Aufwärtswandlungsspannung VPGM, so wird ein Ladezyklus eingeleitet. Liegt die aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst über der programmierten Aufwärtswandlungsspannung VPGM, so schaltet der DC/DC-Aufwärtswandler nicht. In einem Pufferbatteriesystem wird keine Leistung von der Batterie bezogen, während der AC/DC-Wandler eine aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst über der Aufwärtswandlungsregelungsspannung bereitstellt. Die Aufwärtswandlung beginnt zu schalten, wenn die AC/DC-Versorgung abfällt, wodurch Leistung von der Batterie bezogen wird, um die aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst zu regulieren. In einer Ausführungsform überwacht ein Aufwärtswandlungs-Timer BST_nACT die Zeit, in der die Aufwärtswandlung nicht schaltet, und benachrichtigt die MCU, wenn die Aufwärtswandlung inaktiv ist. Der Aufwärtswandlungs-Timer BST_nACT kann programmierbar sein, z. B. von 100 µs bis 100 ms, und kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Leistung von einer Batterie mit einer Spannung, die höher als die programmierte Aufwärtswandlungsspannung VPGM ist, oder von einem AC/DC-Wandler empfangen wird.
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In den AFE-Chip 101 wurden mehrere Energiesparoptionen integriert. Die Vorreglerschaltung 104 ist in der Lage, mit nur 2-3 V als Stromversorgung zu arbeiten, ebenso wie andere durch die Vorreglerschaltung 104 gespeiste Schaltungen. Eine angeschlossene Sirene und andere Schaltungen, die unten beschrieben werden, erfordern jedoch die höhere Spannung, die durch den DC/DC-Aufwärtswandler 102 bereitgestellt wird. Wenn der AFE-Chip 101 mit 3V-Batterieleistung betrieben wird und die programmierte Aufwärtswandlungsspannung VPGM derzeit nicht benötigt wird, z. B. wenn keine der Schaltungen, die die programmierte Aufwärtswandlungsspannung VPGM benötigen, aktiv ist, kann der DC/DC-Aufwärtswandler 102 gesperrt werden, während die erste Diode D1 dafür sorgt, dass ein Strom direkt von der Batterie zu der Vorreglerschaltung 104 fließt und den DC/DC-Wandler 102 umgeht. Beim Hochfahren mit einer Batterie mit niedriger Spannung kann eine angeschlossene MCU jedoch eine MCU-Spannung Vmcu erfordern, die größer als die Batteriespannung, aber kleiner als die durch den Sirenentreiber erforderte Spannung ist. In dieser Situation wird der DC/DC-Aufwärtswandler dahingehend 102 geändert, eine Zwischenspannung bereitzustellen, um die erforderliche MCU-Spannung Vmcu bereitzustellen.
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1B zeigt den AFE-Chip 101 mit einer Batterie 107, die über eine Induktivität L mit dem ersten Pin P1 gekoppelt ist. Wie in 1A ist die Leiterbahn T1 zwischen den zweiten Pin P2 und den dritten Pin P3 gekoppelt und die erste Diode D1 ist zwischen den ersten Pin P1 und den zweiten Pin P2 gekoppelt. Der Hauptunterschied zwischen der Batterie 107 von 1B und der Pufferbatterie 105 von 1A besteht darin, dass die Batterie 107 als einzige Leistungsquelle für den AFE-Chip 101 arbeitet, während die Pufferbatterie 105 als Notversorgung für die primäre Stromversorgung dient. Die Batterie 107 weist wiederum eine Anfangsspannung im Bereich von etwa 3,0-3,6 V auf, wobei die Spannung an der Batterie 107 jedoch über die Lebensdauer des Rauchmelders 100B bis auf etwa 2 V abfallen kann, ohne den Betrieb des Rauchmelders 100B zu beeinträchtigen.
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Während des Betriebs des Rauchmelders 100B wird der DC/DC-Aufwärtswandler 102 in Zeiträumen eingeschaltet, in denen die höhere Spannung erforderlich ist, z. B. während des Betriebs der Sirene (in dieser Figur nicht speziell gezeigt) oder während des Betriebs anderer Schaltungen, die eine höhere Spannung erfordern. Diese zusätzlichen Schaltungen werden nachstehend beschrieben. Ist die höhere Spannung nicht erforderlich, so wird Leistung an der Vorreglerschaltung 104 über die erste Diode D1 direkt von der Batterie 107 empfangen und durch die Vorreglerschaltung 104 direkt an den internen LDO-Regler 106 und den MCU-LDO-Regler 108 geliefert. Der DC/DC-Aufwärtswandler 102 erzeugt bei Bedarf 10-12 V für die Sirenentreiberversorgung von der Batterie 107. Dieser DC/DC-Aufwärtswandler 102 wird beim Hochfahren automatisch freigegeben, um das Hochfahren von einer Batterie mit nur 2 V zu unterstützen. Sobald die Vorrichtung hochgefahren ist, kann die Batteriespannung weiter abfallen und die Vorrichtung weiter über den DC/DC-Aufwärtswandler speisen.
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Von besonderem Interesse ist eine Situation, in der die Batterie 107 oder die Pufferbatterie 105 mit dem AFE-Chip 101 gekoppelt ist, die Batterie jedoch auf 2 V verringert ist und vorher keine andere Versorgung gekoppelt wird. Wenn in dieser Situation eine mit dem AFE-Chip 101 gekoppelte MCU 3,3 V benötigt, gibt es keine Mittel, der MCU Leistung bereitzustellen, außer durch Einschalten des DC/DC-Aufwärtswandlers 102. Der DC/DC-Aufwärtswandler 102 wird automatisch eingeschaltet und bestimmt eine Spannung, die für eine MCU erforderlich ist, z. B. basierend darauf, wie der siebte Pin P7 gekoppelt ist. Der DC/DC-Aufwärtswandler 102 stellt dann eine Spannung bereit, die geeignet ist, um die MCU ohne externe Programmierung einzuschalten.
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1C zeigt eine dritte Konfiguration für einen Rauchmelder 100C, in dem eine Batterie 109 mit hoher Spannung verwendet wird, z. B. eine 9V- oder 12V-Batterie, sodass der DC/DC-Aufwärtswandler 102 im Allgemeinen nicht erforderlich ist. Wie bei dem Rauchmelder 100C zu sehen ist, ist die Leiterbahn T1 zwischen den zweiten Pin P2 und den dritten Pin P3 gekoppelt, und die Batterie 109 ist mit der Leiterbahn T1 gekoppelt. Der erste Pin P1 empfängt keine Eingabe und bleibt potenzialfrei. Wird Leistung an die Rauchdetektionsvorrichtung 100C angelegt, so wird der DC/DC-Aufwärtswandler 102 automatisch freigegeben, erfasst er die hohe Spannung am zweiten Pin P2, um zu verifizieren, dass die Vorrichtung zum Hochfahren bereit ist, und kann er während des Betriebs gesperrt werden. Die Vorreglerschaltung 104 stellt dem internen LDO-Regler 106 und dem MCU-LDO-Regler 108 eine Spannung im Bereich von 4-5 V bereit, und wenn höhere Spannungen benötigt werden, z. B. durch einen Sirenentreiber (nicht speziell gezeigt), werden die höheren Spannungen unter Verwendung einer internen Kopplung mit dem zweiten Pin P2 (nicht speziell gezeigt) erhalten.
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2 zeigt ein Blockdiagramm eines Rauchmelders, der auch als Rauchdetektionsvorrichtung 200 bezeichnet wird und dazu eingerichtet ist, einen Bereich von Eingangsspannungen zwischen etwa 2 Volt und etwa 15 Volt zu nutzen, gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung. Die Rauchermeldevorrichtung 200 umfasst fünf grundlegende Abschnitte: einen AFE-Chip 201, eine Leistungsquelle 203, einen oder mehrere Sensoren 205, ein Warnsystem 207 und einen MCU-Chip 209.
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Der AFE-Chip 201 umfasst einen DC/DC-Aufwärtswandler 202, eine Vorreglerschaltung 204, einen internen LDO-Regler 206, einen MCU-LDO-Regler 208 und einen Spannungsteiler 210. Wie in der Rauchdetektionsvorrichtung 200 gezeigt, entsprechen der DC/DC-Aufwärtswandler 202, die Vorreglerschaltung 204, der interne LDO-Regler 206 und der MCU-LDO-Regler 208 ihren jeweiligen Gegenstücken in 1A-1C, und sie sind wie zuvor in diesen Figuren beschrieben gekoppelt. In einer Ausführungsform stellt der DC/DC-Aufwärtswandler 202 eine aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst von etwa 11,5 V bereit, die Vorreglerschaltung 204 stellt eine Vorreglerausgangsspannung Vprereg bereit, die zwischen etwa 4 V und etwa 5,4 V beträgt, der interne LDO-Regler 106 stellt eine interne Spannung Vint von etwa 2,3 V bereit und der MCU-LDO 108 kann eine wählbare MCU-Spannung Vmcu bereitstellen, die zwischen etwa 1,2 V und etwa 3,3 V beträgt. In einer Ausführungsform ist der MCU-LDO-Regler 208 ferner gekoppelt, um eine MCU-Auswahleingabe 215 vom siebten Pin P7, die verwendet werden kann, um einen Anfangswert der MCU-Spannung Vmcu einzustellen, und ein MCU-Spannungseinstellsignal VMCUSET 213, das durch den MCU-Chip 209 bereitgestellt werden kann, sobald die MCU in Betrieb ist, zu empfangen. Der MCU-LDO-Regler 208 kann auch ein MCU-Freigabesignal MCUENA 211 empfangen, das signalisiert, wann die MCU aufgeweckt werden sollte, nachdem sie in eine Schlafperiode eingetreten ist. In einer Ausführungsform kann der siebte Pin P7 mit a) Masse, b) potenzialfrei gelassen werden, c) einer internen Spannung Vint und d) Masse über einen 62052-Widerstand gekoppelt werden, wobei jede mögliche Verbindung mit einer anfänglichen MCU-Spannung Vmcu korreliert.
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Der AFE-Chip 201 umfasst auch Sensortreiber, z. B. eine CO-Detektionsschaltung 212, eine Photodetektionsschaltung 214 und eine Ionendetektionsschaltung 216. In einer gezeigten Ausführungsform weist die CO-Detektionsschaltung 212 einen oberen CO-Stromversorgungseingang auf, der gekoppelt ist, um Leistung von dem internen LDO 206 zu empfangen; die CO-Detektionsschaltung 212 ist ferner mit mehreren CO-Pins 220 gekoppelt. Die Photodetektionsschaltung 214 weist einen oberen Photostromversorgungseingang auf, der gekoppelt ist, um Leistung von dem internen LDO 206 zu empfangen; die Photodetektionsschaltung 212 ist ferner mit mehreren Photodetektionspins 222 gekoppelt. In einer Ausführungsform umfasst die Photodetektionsschaltung 214 einen ersten Leuchtdioden(LED)-Treiber 224 und einen zweiten LED-Treiber 226. Die Ionendetektionsschaltung 216 weist einen oberen Ionenstromversorgungseingang auf, der gekoppelt ist, um Leistung von dem DC/DC-Aufwärtswandler 202 zu empfangen; die Ionendetektionsschaltung 216 ist ferner mit mehreren Ionenpins 228 gekoppelt.
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Um die durch die Sensoren 205 gesammelten Informationen zu liefern, ist ein Multiplexer 230 mit einem CO-Ausgang der CO-Detektionsschaltung 212, einem ersten Photoausgang und einem zweiten Photoausgang der Photodetektionsschaltung 214 und einem Ionenausgang der Ionendetektionsschaltung 216 und dem VCC-Spannungsteiler 210, der eine geteilte Spannung Vccdiv bereitstellt, gekoppelt. Durch Weiterleiten der geteilten Spannung Vccdiv an den MCU-Chip 209 ist der MCU-Chip 209 in der Lage, die Spannung, die die Vorreglerschaltung 204 bereitstellen kann, zu überwachen. Dies kann besonders wichtig sein, wenn die Rauchdetektionsvorrichtung 200 von einer Batterie mit niedriger Spannung betrieben wird, wie etwa der Pufferbatterie 105 oder der Batterie 107. Der Multiplexer 230 weist einen oberen MUX-Stromversorgungseingang auf, der gekoppelt ist, um Leistung von dem internen LDO 206 zu empfangen. Der Multiplexer 230 ist ferner gekoppelt, um die Daten von den Detektionsschaltungen über einen Pufferverstärker 232 selektiv an einen MUX-Pin Pmux zu liefern. Die letzten Elemente der AFE-Schaltungsanordnung in dem AFE-Chip 201, wie gezeigt, sind ein Verbindungs-E/A-Puffer 234 und ein Sirenentreiber 236. Der Verbindungs-E/A-Puffer 234 weist einen oberen Stromversorgungseingang auf, der gekoppelt ist, um Leistung von dem DC/DC-Aufwärtswandler 202 zu empfangen, und der Verbindungs-E/A-Puffer 234 ist ferner mit einem ersten Verbindungspin Pi1 und einem zweiten Verbindungspin Pi2 gekoppelt und wird nachstehend näher beschrieben. Der Sirenentreiber 236 ist auch gekoppelt, um Leistung von der aufwärtsgewandelten Ausgangsspannung Vbst zu empfangen, und ist ferner mit mehreren Sirenenpins 238 gekoppelt.
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Die Leistungsquelle 203 umfasst im Allgemeinen eine Batterie, die im Falle eines Stromausfalls als Notstromversorgung oder als primäre Leistungsquelle für die Rauchdetektionsvorrichtung 200 verwendet werden kann, und kann außerdem eine Verbindung zum Stromnetz über einen AC/DC-Wandler umfassen. Wie in 2 zu sehen ist, umfasst die Leistungsquelle 203 einen AC/DC-Wandler 240 und eine Pufferbatterie 242, kann jedoch andere Leistungskonfigurationen umfassen, einschließlich beliebiger der hierin beschriebenen Leistungskonfigurationen.
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Die Sensoren 205 können CO-Sensoren 244, Photosensor(en) 246, LEDs 248 und einen Ionensensor 250 oder eine Kombination dieser Sensoren umfassen. Beispielsweise enthält nicht jede Rauchdetektionsvorrichtung 200 einen CO-Sensor 244 und nicht jede Rauchdetektionsvorrichtung 200 enthält einen Ionensensor 250. Wenn vorhanden, ist der CO-Sensor 244 über die mehreren CO-Pins 220 mit der CO-Detektionsschaltung 212 gekoppelt, und der Ionensensor 250 ist über die mehreren Ionenpins 228 mit der Ionendetektionsschaltung 216 gekoppelt.
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Aktuelle UL-Normen verlangen die Fähigkeit, zwischen verschiedenen Brandarten mit unterschiedlichen Partikelgrößen zu unterscheiden. Um dem nachzukommen, beinhalten viele Rauchdetektionsvorrichtungen 200 jetzt zwei unterschiedliche LEDs 248, z. B. eine blaue LED und eine Infrarot-LED. Jede der LEDs 248 ist entweder mit dem ersten LED-Treiber 224 oder mit dem zweiten LED-Treiber 226 gekoppelt, und jede wird mit einem anderen Photosensor 246 verwendet. Sowohl der/die Photosensor(en) 246 als auch die LEDs 248 sind über die mehreren Photopins 246 mit der Photodetektionsschaltung 214 gekoppelt.
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Das Warnsystem 207 ist das Mittel, mit dem durch die Rauchdetektionsvorrichtung 200 detektierte Probleme an Personen übermittelt werden können, die sich in dem betroffenen Gebäude befinden und/oder das Gebäude überwachen. Wie gezeigt, kann das Warnsystem 207 eine angeschlossene Sirene 252, einen Sirenentreiber 236 und Verbindungsfähigkeiten zum Verbinden mit einem zentralisierten Alarmsystem, z. B. einen Verbindungs-E/A-Puffer 234, umfassen. Wird eine Sirene verwendet, so kann die Sirene 252 an den Sirenenpins 236 angeschlossen sein. Sollen mehrere private Rauchdetektionsvorrichtungen 200 miteinander verbunden werden, so stellt der Verbindungs-E/A-Puffer 234 die Mittel zur Kommunikation für die Rauchdetektionsvorrichtungen bereit. Kommerzielle Rauchdetektionssysteme verwenden im Allgemeinen weder eine Sirene in den einzelnen Rauchmeldern noch die Verbindungsfähigkeiten, sondern verwenden stattdessen eine Signalleitungsschaltung (SLC). Sowohl der Verbindungs-E/A-Puffer 234 als auch der Sirenentreiber 236 sind auch dazu ausgelegt, mit einer SLC kompatibel zu sein, und sowohl die mehreren Sirenenpins 238 als auch der zweite Verbindungspin Pi2 können zum Koppeln mit dem zentralisierten Alarmsystem und zum Kommunizieren damit verwendet werden. Wie sich zeigt, ist der erste Pin Pi1 mit dem MCU-Chip 209 gekoppelt, sodass der MCU-Chip 209 mit dem zentralisierten Alarmsystem kommunizieren kann.
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Der MCU-Chip 209 ist über mehrere MCU-Pins 254 mit dem AFE-Chip 201 gekoppelt, darunter der sechste Pin P6, der MLTX-Pin Pmux, der ersten Verbindungspin Pi1 und eine Anzahl zusätzlicher Pins, die für Allzweck-E/A, für Programmierregister (in dieser Figur nicht speziell gezeigt) in einem digitalen Kern 256 und zum Steuern verschiedener Funktionen über den AFE-Chip 201 verwendet werden können.
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In einer Ausführungsform integriert der AFE-Chip 201 einen Schlaf-Timer, um die Verwaltung kritischer Analog- und Reglerschaltungen unabhängig von dem MCU-Chip 209 zu unterstützen. Wenn ein Schlafmodus durch den MCU-Chip 209 aktiviert wird, startet der Schlaf-Timer. Eine Anzahl von Schaltungen auf dem AFE-Chip 201, z. B. der MCU-LDO-Regler 208, der DC/DC-Aufwärtswandler 202, der Multiplexer 230, Teile der Photodetektionsschaltung 214 und Teile der Ionendetektionsschaltung 216 können gesperrt werden. In einer Ausführungsform hängt es von den jeweiligen Einstellungen in dem Aufwärtswandlungsschlafregisterbit SLP_BST, dem MCU-Schlafregisterbit SLP_MCU und einem Analog-Schlafregisterbit SLP_ANALOG ab, ob der DC/DC-Aufwärtswandler 202, der MCU-LDO-Regler 208 und die analogen Blöcke gesperrt werden oder nicht. Nach Ablauf des Schlaf-Timers teilt der AFE-Chip 201 dem MCU-Chip 209 mit, dass der Schlafmodus verlassen werden kann. Wenn der AFE-Chip 201 den Schlafmodus verlässt, werden die Schaltungen auf dem AFE-Chip 201 in ihren Zustand vor dem Schlafen versetzt.
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Der Schlafmodus reduziert den Stromverbrauch auf drei Arten:
- • durch schnelles Sperren analoger Blöcke;
- • durch Abschalten des DC/DC-Aufwärtswandlers 202 und des MCU-LDO-Reglers 208 während des Schlafmodus; und
- • indem dafür gesorgt wird, dass die MCU in ihren Ruhezustand mit niedrigster Leistung eintritt.
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Während des Schlafmodusbetriebs kann der MCU-Chip 209 in seinen Ruhezustand mit niedrigster Leistung eintreten und einen Allzweck-E/A-Pin auf die Angabe überwachen, dass die Schlafperiode verlassen wird. Diese Überwachung sorgt dafür, dass die Takte auf dem MCU-Chip 209 gesperrt werden, wenn der AFE-Chip 201 der MCU signalisiert, nach einer genau programmierten Zeit aufzuwachen, die in einer Ausführungsform programmierbar ist.
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2A zeigt eine detailliertere Version des digitalen Kerns 256 und entsprechender Verbindungen mit dem MCU-Chip 209. Als Teil des digitalen Kerns 256 in dieser Ausführungsform sind eine Busschnittstelle 258 und ein Speicher gezeigt, der Registerbits 260 enthält, obgleich diese Elemente auch als separate Schaltungen implementiert sein können, die mit dem digitalen Kern gekoppelt sind. Die Busschnittstelle 258 ist mit einem seriellen Datenpin SDA und mit einem seriellen Taktpin SCL gekoppelt; in der Rauchdetektionsvorrichtung 200 sind der serielle Datenpin SDA und der serielle Taktpin SCL mit einer Busschnittstelle (nicht speziell gezeigt) in dem MCU-Chip 209 gekoppelt. In einer Ausführungsform ist die Busschnittstelle 258 eine Inter-Integrated-Circuit(I2C)-Schnittstelle, die das I2C-Kommunikationsprotokoll verwendet. Da die Busschnittstelle 258 in zwei separaten Spannungsdomänen arbeiten muss, um sowohl mit dem digitalen Kern 256 als auch mit der MCU 209 zu arbeiten, empfängt der digitale Kern 256 sowohl die MCU-Spannung Vmcu an einem oberen MCU-Versorgungseingang 257 als auch die interne Spannung Vint at einem digitalen oberen Versorgungseingang 259.
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Die Registerbits 260 enthalten eine große Anzahl von Registern/Registerbits, die verwendet werden können, um Parameter und eine Steuerung für die Rauchdetektionsvorrichtung 200 bereitzustellen. Nur wenige der Registerbits 260 sind in 2A gezeigt. Die programmierte Aufwärtswandlungsspannung VPGM wird durch den MCU-Chip 209 eingestellt und in einem programmierten Aufwärtswandlungsspannungsregisterbit VPGMR 262 gespeichert. Das Power-Good-Signal BST_PG wird durch den DC/DC-Aufwärtswandler 202 gesetzt und in einem Power-Good-Registerbit BST_PGR 264 gespeichert, um den MCU-Chip 209 zu benachrichtigen, wenn der DC/DC-Aufwärtswandler 202 über 95 % der programmierten Aufwärtswandlungsspannung VPGM liegt. Das Aufwärtswandlungsfreigaberegisterbit BST_EN 266 kann verwendet werden, um den DC/DC-Aufwärtswandler 202 freizugeben oder zu sperren, und kann durch den MCU-Chip 209 gesteuert werden. Das Aufwärtswandlungsfreigaberegisterbit BST_EN 266 kann auch durch den Schlaf-Timer gesteuert werden, wenn der DC/DC-Aufwärtswandler 202 während des Schlaf-Modus ausgeschaltet wird. Das Aufwärtswandlungsladungsregisterbit BST_CHARGE 268 kann gesetzt werden, um eine zusätzliche Steuerung des DC/DC-Aufwärtswandlers 202 bereitzustellen, z. B. wird, wenn es eingeschaltet ist, der DC/DC-Aufwärtswandler 202 freigegeben, bis das programmierte Aufwärtswandlungsspannungsregisterbit VPGMR 262 eingeschaltet wird; wenn es ausgeschaltet ist, stellt das Aufwärtswandlungsfreigaberegisterbit BST_EN 266 die Steuerung bereit. Ein Aufwärtswandlungsaktivitätsüberwachungsregisterbit BST_nACTR 270 wird durch den DC/DC-Aufwärtswandler 202 eingeschaltet, wenn der Aufwärtswandlungs-Timer BST_nACT angibt, dass der DC/DC-Aufwärtswandler 202 für eine vorab ausgewählte Zeitdauer nicht geschaltet hat. Der MCU-Chip 209 kann das Aufwärtswandlungsaktivitätsüberwachungsregisterbit BST_nACTR 270 verwenden, um zu bestimmen, dass die aktuelle Leistungskonfiguration den DC/DC-Aufwärtswandler 202 nicht verwendet, z. B. da eine Stromversorgung, die mehr als die programmierte Aufwärtswandlungsspannung VPGM bereitstellt, zum Bereitstellen der Eingangsspannung VCC gekoppelt ist.
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Das Aufwärtswandlungsschlafregisterbit SLP_BST 272, das MCU-Schlafregisterbit SLP_MCU 274 und das Analog-Schlafregisterbit SLP_ANALOG 276 werden verwendet, um zu bestimmen, ob der DC/DC-Aufwärtswandler 202, der MCU-LDO-Regler 208 und die analogen Blöcke der jeweiligen Schaltungen während des Schlafmodus gesperrt sind. Die analogen Blöcke können z. B. die Hochleistungsverstärker und Treiber wie Multiplexer 230, Sirenentreiber 236, Verbindungs-E/A-Puffer 234 und Photodetektionsschaltung 214, die einen ersten LED-Treiber 224 und einen zweiten LED-Treiber 226 beinhaltet, umfassen. Das MCU-Spannungseinstellsignal VMCUSET 213 wird durch den MCU-Chip 209 gesetzt, im MCU-Spannungseinstellregister VMCUSETR 278 gespeichert und gibt eine Betriebsspannung an, die dem MCU-Chip 209 durch den MCU-LDO-Regler 208 bereitzustellen ist. Das MCU-Freigabesignal MCUENA 211 kann dem MCU-LDO-Regler 208 entweder von dem MCU-Freigaberegisterbit MCUENAR 280 oder von einem Schlaf-Timer bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform wird der Schlaf-Timer als Schlaf-Timer-Register SLP_TIMER 282 bereitgestellt.
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3 zeigt einen Prozess 300 zum Betreiben eines Rauchmelders gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung. Der Prozess 300 beginnt mit Koppeln 305 eines Aufwärtswandlungsausgangspins, z. B. des zweiten Pins P2, auf einem Analog-Front-End(AFE)-Chip mit einem Eingangspin für einen Satz von Leistungsreglerschaltungen, z. B. des dritten Pins P3, auf dem AFE-Chip über eine Leiterbahn und Koppeln 310 einer Stromversorgung mit dem AFE-Chip. Durch Koppeln des Aufwärtswandlungsausgangspins mit dem Eingangspin für den Satz von Leistungsreglerschaltungen kann der erste IC-Chip mit mindestens den drei Leistungskonfigurationen gekoppelt werden, die in den Ausführungsformen der Rauchdetektionsvorrichtung 100A, 100B und 100C beschrieben sind.
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3A-3I stellen jeweils zusätzliche Aktionen dar, die Teil des Prozesses 300 sein können. In 3A wird eine Batterie, die eine Nennspannung zwischen etwa 9 V und einschließlich etwa 12 V aufweist, mit der Leiterbahn gekoppelt 320, und ein Aufwärtswandlungseingangspin wird potenzialfrei gelassen 325, wie z. B. in der Rauchdetektionsvorrichtung von 1C gezeigt. In 3B ist eine Batterie, die eine Nennspannung zwischen etwa 2 V und einschließlich etwa 3,6 V aufweist, über eine Induktivität mit einem Aufwärtswandlungseingangspin gekoppelt 330, und eine Diode wird zwischen den Aufwärtswandlungseingangspin und den Aufwärtswandlungsausgangspin gekoppelt 335, wie in der Rauchdetektionsvorrichtung von 1B gezeigt. In 3C wird ein DC-Ausgang eines AC/DC-Wandlers mit der Leiterbahn T1 gekoppelt 340; dies erfolgt in Kombination mit den Elementen von 3B und ist in 1A dargestellt.
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In 3D, die in Kombination mit einem der obigen Elemente durchgeführt werden kann, wird ein oberer Stromversorgungspin auf einem MCU-Chip mit einem MCU-LDO-Pin auf dem AFE-Chip gekoppelt und ein MCU-Auswahlpin, z. B. der siebte Pin P7 (2) auf dem AFE-Chip wird gekoppelt 355, um eine gewünschte Anfangsspannung auf dem MCU-LDO-Pin widerzuspiegeln, wobei die gewünschte Anfangsspannung aus einer Gruppe verfügbarer Anfangsspannungen ausgewählt wird. In 3E ist das Koppeln des MCU-Auswahlpins ferner so definiert, dass es Verwenden 360 eines Koppelns umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem Koppeln des MCU-Auswahlpins mit Masse zum Auswählen einer ersten Spannung, dem Koppeln des MCU-Auswahlpins mit Masse über einen 62052-Widerstand zum Auswählen einer zweiten Spannung, dem Koppeln des MCU-Auswahlpins mit einem internen LDO-Pin zum Auswählen einer dritten Spannung und dem Belassen des MCU-Auswahlpins im potenzialfreien Zustand zum Auswählen einer vierten Spannung besteht.
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In 3F umfasst der Prozess 300 Stoppen 365 des Schaltens eines DC/DC-Aufwärtswandlers auf dem AFE-Chip als Reaktion darauf, dass der DC/DC-Aufwärtswandler bestimmt, dass die Spannung an dem Aufwärtswandlungsausgangspin, d. h. die aufwärtsgewandelte Ausgangsspannung Vbst, gleich oder größer als die programmierte Aufwärtswandlungsspannung VPGM ist. Außerdem kann, wenn der DC/DC-Aufwärtswandler für eine programmierbare Zeitdauer nicht schaltet, z. B. da ein AC/DC-Wandler mit der Leiterbahn T1 gekoppelt ist, der MCU-Chip auch den DC/DC-Aufwärtswandler sperren, bis sich die Bedingungen ändern. In 3G kann ein DC/DC-Aufwärtswandler auf dem AFE-Chip als Reaktion darauf gesperrt 370 werden, dass der MCU-Chip bestimmt, dass der Rauchmelder mit einer Batterieleistung von 3,6 Volt oder weniger betrieben wird und dass keine Schaltungen aktiv sind, die eine höhere Spannung erfordern, z. B. die Sirenentreiberschaltung, der Verbindungs-E/A-Puffer oder der MCU-LDO, um den MCU-Chip zu versorgen. In 3H empfängt 375 der Satz von Leistungsreglerschaltungen auf dem AFE-Chip eine Eingangsspannung zwischen etwa 2 Volt und etwa 15 Volt und stellt eine Ausgangsspannung zwischen etwa zwei Volt und etwa fünf Volt bereit. Diese Fähigkeit der Vorreglerschaltung, einen großen Bereich von Spannungen zu empfangen und eine Ausgangsspannung bereitzustellen, die für Niederspannungsschaltungen auf dem AFE-Chip sicher ist, bietet ein hohes Maß an Flexibilität bei der Bereitstellung einer Stromversorgung für den Rauchmelder. Schließlich wird in 31 eine angegebene Schaltung als Reaktion auf das Eintreten in einen Schlafmodus gesperrt 380. Die angegebene Schaltung kann aus einer Gruppe von Schaltungen ausgewählt werden, die den DC/DC-Aufwärtswandler, den MCU-LDO-Regler, einen Multiplexer, Teile einer Photodetektionsschaltung und Teile einer Ionendetektionsschaltung umfasst.
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Die Anmelder haben einen AFE-Chip für eine Rauchdetektionsvorrichtung und eine Rauchdetektionsvorrichtung, die den beschriebenen AFE-Chip verwendet, beschrieben. Der AFE-Chip ist auf Vielseitigkeit mit mehreren Stromversorgungsquellen ausgelegt und kann mit einer Batterie verwendet werden, die eine Nennspannung zwischen 2 V und 15 V aufweist, sowie in der Lage sein, Netzstrom über einen AC/DC-Wandler zu akzeptieren. Der DC/DC-Aufwärtswandler auf dem AFE-Chip kann die Spannung an dem Aufwärtswandlungsausgang detektieren und auf zusätzliche Informationen zugreifen, um zu bestimmen, ob der DC/DC-Aufwärtswandler benötigt wird oder nicht. Die Vorreglerschaltung kann einen großen Bereich von Eingangsspannungen akzeptieren und eine Ausgangsspannung bereitstellen, die für andere Leistungsschaltungen auf dem AFE-Chip sicher ist. Ein Prozess zum Betreiben eines Rauchmelders wird ebenfalls beschrieben.
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Obgleich verschiedene Ausführungsformen im Detail gezeigt und beschrieben wurden, sind die Ansprüche nicht auf eine bestimmte Ausführungsform oder ein bestimmtes Beispiel beschränkt. Nichts in der obigen ausführlichen Beschreibung impliziert, dass eine bestimmte Komponenten, ein bestimmtes Element, ein bestimmter Schritt, eine bestimmte Handlung oder eine bestimmte Funktion so wesentlich ist, dass sie im Schutzumfang der Ansprüche aufgenommen sein muss. Sofern dies nicht ausdrücklich angegeben ist, bedeutet eine Bezugnahme auf ein Element im Singular nicht „ein und nur ein“, sondern bedeutet vielmehr „ein oder mehrere“. Alle strukturellen und funktionalen Äquivalente der Elemente der oben beschriebenen Ausführungsformen, die Durchschnittsfachleuten bekannt sind, werden hier ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen und sind von den vorliegenden Ansprüchen umfasst. Dementsprechend erkennen Fachleute, dass die hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen und Änderungen innerhalb der Idee und dem Schutzumfang der nachstehend beigefügten Ansprüche praktiziert werden können.
