DE69838160T2

DE69838160T2 - Stromversorgungssystem für paketvermittelten Radiosender

Info

Publication number: DE69838160T2
Application number: DE69838160T
Authority: DE
Inventors: Steve Waterloo Ontario Carkner; Robert Cambridge Ontario Lowles; Carl Guelph Ontario Schaaff; Kent Waterloo Ontario Nickerson
Original assignee: Research in Motion Ltd
Current assignee: BlackBerry Ltd
Priority date: 1997-09-15
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2018-09-15
Also published as: DE69838160D1; CA2247102C; CA2247102A1; US6104759A; EP0902547A3; EP0902547B1; EP0902547A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet einer elektrischen Leistungsversorgungsmanagementschaltung und insbesondere verbesserte Leistungsversorgungen für Hochfrequenz(RF – radio frequency)Kommunikationssysteme mit niedrigem Arbeitszyklus, wie digitale paketvermittelte RF-Übertragungsvorrichtungen. Diese Typen von Systemen umfassen typischerweise miniaturisierte Niederspannungs-Energiequellen und sind durch relativ lange Zeitintervalle zwischen RF-Übertragungen gekennzeichnet. Diese Systeme erfordern jedoch, dass große Bursts von Energie schnell für einen Senderbetrieb geliefert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht erhebliche Verbesserungen der Effizienz und der tatsächlichen Batterielebensdauer für derartige Systeme. In einem herkömmlichen digitalen RF-Kommunikationssystem nach dem Stand der Technik moduliert die Senderschaltung ein Trägersignal mit einem binären Signal und erzeugt eine übertragene RF-Sequenz, die binäre Einser und Nullen darstellt. Unter einem paketvermittelten Kommunikationsprotokoll werden dieses binären Eins- und Null-Bits in diskreten Blöcken („Pakete") übertragen, die aus Adresse, Daten, Senderidentifikation und andere Steuerbits bestehen. Die Pakete werden nicht kontinuierlich übertragen, sondern werden gespeichert, bis ein Paket oder eine Gruppe von Paketen zur Übertragung bereit ist. Somit erfordert der Leistungsverstärker für einen herkömmlichen paketvermittelten Sender eine hohe Eingangsleistung nur für kurze Intervalle, mit relativ langen Ruheperioden mit geringer Leistung dazwischen. Infolgedessen ist der „Arbeitszyklus" eines derartigen Systems, d.h. der Prozentsatz der gesamten Zykluszeit in Anspruch genommen von der aktiven Übertragungszeit, ziemlich niedrig.
Trotz des niedrigen Arbeitszyklus des Systems produziert der Leistungsverstärker für einen herkömmlichen paketvermittelten Sender eine sehr hohe Strombelastung und entnimmt ungefähr 1000 Milliampere (mA) oder mehr für eine Sekunde während der Übertragung. In Technologien gemäß dem Stand der Technik wurde der RF-Sender häufig direkt von einer herkömmlichen Batterie betrieben; jedoch erlegte der hohen Energiebedarf des Leistungsverstärkers strenge Beschränkungen auf den Typ der Batterietechnologie auf, die verwendet werden konnte. Herkömmliche Kohlenstoff-basierte Batterien können typischerweise keine ausreichende Momentanleistung für einen derartigen Sender zur Verfügung stellen. Während eine herkömmliche alkalische Zelle den Sender betreiben könnte, klettert der äquivalente Widerstand solch einer Zelle schnell, wenn die Zelle verbraucht wird. Dieser zunehmende Widerstand reduziert den Strom, der an den Sender geliefert werden kann und reduziert die verwendbare Batterielebensdauer. Schließlich fällt der Momentanstrom, der durch eine alkalische Zelle geliefert wird, unter die Eingangsleistungsanforderungen des Leistungsverstärkers. In dem Stand der Technik wird dieser Pegel einer Entleerung typischerweise erreicht, während die Batterie noch eine signifikante restliche Kapazität hat; somit muss ein Benutzer eine ziemlich neue Batterie ersetzen.
Alternativ verwendeten einige paketvermittelte Systeme nach dem Stand der Technik, wie tragbare RF-Modems, interne alkalische Einwegzellen, um einen wiederaufladbaren Batteriestapel aufzuladen. Dieser Batteriestapel lieferte wiederum die Leistung für den RF-Sender. Diese Systeme waren jedoch ziemlich ineffizient, da der Batteriestapel überladen wurde und weit mehr Energie speicherte, als normalerweise für das Senden einer kurzen paketvermittelten Nachricht benötigt wurde. Auch verbrauchte eine derartige Leistungsversorgungsschaltung Raum, war teuer, und war unnötigerweise komplex. Zusätzlich haben herkömmliche wiederaufladbare Batterien, wie ein Ni-Cd-Zellenstapel, einen langen Aufladungszyklus, manchmal in Stunden gemessen, und hielten nur eine begrenzte An zahl von Aufladungszyklen aus, möglicherweise ungefähr 300, bevor derartige Batterien selbst ersetzt werden mussten.
Andere Typen von Batterien existieren, die einen hohen Energiespeicher vorsehen, aber mit herkömmlichen paketvermittelten RF-Übertragungssystemen inkompatibel sind aufgrund des hohen effektiven Serienverlustwiderstands („ESR” – equivalent series resistance) der Zelle. Zum Beispiel hat eine Einweglithiumzelle, wie eine Ultralife^® 9-Volt-Zelle (ein geschütztes Warenzeichen von Ultralife Batteries, Inc. of New York, NY), eine sehr hohe gespeicherte Energie-Wertung von 9000 Milliwatt-Stunden (mWhrs), verglichen mit nur ungefähr 800 mWhrs für den typischen wiederaufladbaren Stapel oder ungefähr 3000 mWhrs für eine typische alkalische 9-Volt-Zelle. Leider hat eine Lithiumzelle einen ESR von über 10 Ohm, selbst wenn sie neu ist, und kann nur eine Momentanhöchstleistung von ungefähr 0.75 Watt liefern. Da der typische RF-Sender 5 Watt zugeführter Energie erfordert und keinen ESR größer als 2 Ohm tolerieren kann, ist eine Zelle, wie die Ultralife^®, keine realisierbare Energiequelle, trotz ihrer großen Speicherkapazität.
Ähnlich ist ein Leistungsstift für eine Zusatzvorrichtung eines Host-Computers ungeeignet, um einen herkömmlichen paketvermittelten RF-Sender zu betreiben. Da die meisten Host-Computer nur ungefähr 0,75 Watt an einen PCMCIA-Einschub oder andere Typen von Karten-Einsteck-Modulen liefern können, kann eine derartige Versorgungsquelle nicht direkt einen typischen paketvermittelten Sender betreiben, dessen Leistungsverstärker 5 Watt Momentanleistung erfordern würde.
Folglich bleibt ein Bedarf für ein Leistungsversorgungssystem, das fähig ist, schnell kurze Bursts hoher Leistung mit hoher Effizienz zu liefern, während es klein genug bleibt für miniaturisierte RF-Kommunikationsanwendungen.
Es bleibt auch ein Bedarf für ein Leistungsversorgungssystem, das fähig ist, eine Anwendung mit niedrigem Arbeitszyklus zu betreiben, die eine hohe Momentanleistung von einer Batterie oder einer anderen gespeicherten Energiequelle, die eine begrenzte Energiekapazität hat, für eine erhebliche Zeitdauer erfordert.
Es bleibt ein weiterer Bedarf für ein selbständiges, miniaturisiertes, integriertes Leistungsversorgungssystem, das zum Betreiben einer Anwendung mit niedrigem Arbeitszyklus fähig ist, die eine hohe Momentanleistung von einer Strombegrenzten Quelle erfordert, wie einem Leistungsstift einer Zusatzvorrichtung eines Host-Computers.
Schließlich bleibt ein besonderer Bedarf für eine kosteneffektive Leistungsversorgungsschaltung für ein tragbares PCMCIA-kompatibles Funkmodem oder ein selbständiges Zweiwegpagersystem, das eine verbesserte Batterielebensdauer liefert, oder alternativ ermöglicht, dass solch ein System direkt von einem PCMCIA-Einschub eines Host-Computer betrieben wird.
US 5,587,250 offenbart ein Hybrid-Energie-Speichersystem, einschließlich einer ersten Energiespeichervorrichtung, wie eine Batterie, und einer zweiten Energiespeichervorrichtung, wie einem elektrochemischen Kondensator, um die Leistungsanforderungen von gepulsten Leistungs-Kommunikationsvorrichtungen zu erfüllen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein Leistungsversorgungssystem, das eine begrenzte Energiequelle (wie einen Niederspannungs-Batteriestapel oder einen Schwachstrom-Computerhilfsvorrichtungs-Stromanschluss) vorsieht, um eine kapazitive Vorrichtung mit hoher Leistung und niedrigem Widerstand aufzuladen, die wiederum eine Belastungsschaltung mit niedrigem Arbeitszyklus und hoher Leistung (wie ein paketvermittelter Funkdatensender) mit Energie versorgt. Der niedrige Arbeitszyklus des Senders ermöglicht einer Aufladungsquelle mit niedriger Leistung, die kapazitive Vorrichtung mit hoher Leistung ausreichend für periodische hohe Leistungspulse aufzuladen. Die kapazitive Vorrichtung mit hoher Leistung sieht ein „Belastungsausgleichen" vor (d.h. ein Mitteln der hohen transienten Ströme, die von der Zeit-variierenden Last mit hoher Leistung gezogen werden), und isoliert gewissermaßen die Eingangsladequelle von den hohen transienten Strömen, die durch den Senderleistungsverstärker während einer RF-Übertragung gezogen werden.
Eine kapazitive Vorrichtung mit hoher Leistung gemäß der vorliegenden Erfindung sollte eine hohe Ladungsspeicherkapazität mit einem relativ niedrigen ESR besitzen, um die Eingangsleistungsbedürfnisse des typischen Senderleistungsverstärkers zu erfüllen. Zum Beispiel sind nun kapazitive Vorrichtungen verfügbar, die ermöglichen, dass relativ große Mengen von elektrischer Energie temporär gespeichert werden und mit viel höheren Pegeln wieder abgerufen werden, als es Standardbatterien oder herkömmliche Kondensatoren ermöglichen würden. Eine Klasse von derartigen Vorrichtungen sind speziell konstruierte Kondensatoren mit sehr hohen Speicherfähigkeiten, die als Super-Kondensatoren bezeichnet werden.
Ein Super-Kondensator hat im Allgemeinen eine Bewertung von 1,0 Farad oder mehr an Speicherkapazität, dennoch besetzt er nur das physikalische Volumen eines Standardkondensators mit nur 0,002 Farad an Kapazität. Diese Vorrichtungen werden typischerweise verwendet, um eine Notfall-Backup-Leistung in Computeranwendungen zu liefern, wie für CMOS-Mikroprozessoren. Die Komponen ten-Miniaturisierung, die von Super-Kondensatoren bereitgestellt wird, ist wichtig, wenn das Leistungsversorgungssystem für tragbare RF-Senderanwendungen, wie Funkmodems und Zweiwegpagers, nützlich sein soll. Für derartige Einheiten ist eine geringe Größe wichtig; und insbesondere wird im Allgemeinen gewünscht, dass die Komponenten, die in derartigen Vorrichtungen verwendet werden, in einem Gehäuse untergebracht werden, das zumindest mit dem physikalischen Form-Faktor und den elektrischen Schnittstellen-Anforderungen für Host-Computer-Anschluss-Hilfsmodule, wie PCMCIA-Typ-2- oder andere Einsteck-Karten, funktionell kompatibel ist. Außerdem haben derzeitige Produktionstechniken Super-Kondensatoren mit relativ niedrigem ESR erzeugt. Derartige Super-Kondensatoren können als das kapazitive Element mit hoher Leistung in dem erfinderischen System verwendet werden.
Der Belastungsausgleich, der von dem erfinderischen Leistungsversorgungssystem vorgesehen ist, ermöglicht einen ununterbrochenen RF-Senderbetrieb, wenn Batteriezellen als die Eingangsenergiequelle verwendet werden, auch wenn die Batterien schwächer werden und ihr ESR steigt. Die realisierten Effizienzen können die nützliche Batterielebensdauer eines Produktes sechsmal oder mehr verlängern.
Das erfinderische System ermöglicht auch, dass eine Eingangsenergiequelle, die nur begrenzten Strom liefern kann, eine Anwendung mit niedrigem Arbeitszyklus betreiben kann, die eine hohe Momentanleistung erfordert. Zum Beispiel kann unter Verwendung dieses Systems ein PCMCIA-kompatibles RF-Übertragungssystem direkt von einem PCMCIA-Einschub des Host-Computers betrieben werden. Zusätzlich ermöglicht das erfinderische System die Verwendung von Lithiumbatterien mit hoher Kapazität als die Energiequelle trotz ihrer hohen ESR, was zu noch größeren Zunahmen der Batterielebensdauer gegenüber anderen Batterietechnologien führt.
Das Leistungsversorgungssystem, das hier beschrieben wird, besitzt auch eindeutige Vorteile gegenüber Systemen, in denen eine Einwegbatterie verwendet wird, um einen wiederaufladbaren Batteriestapel aufzuladen. Das erfinderische System liefert eine erhöhte Batterielebensdauer der Host-Quelle durch Vermeiden einer kontinuierlichen und ineffizienten Aufladung eines Batteriestapels. Außerdem reduziert dieses System die Aufladezeit von Stunden zu Sekunden; ermöglicht Verringerungen des Gewichts und der Größe der Einheit; reduziert die Kosten und die Komplexität der Leistungsversorgungsschaltung, da keine Batteriekontakte oder komplizierte Aufladealgorithmen erforderlich sind; vereinfacht die Verwendung und die Wartung der Einheit, da der Benutzer nicht länger eine zusätzliche interne Batterie sowie die Hauptzellen ersetzen muss, wenn eine dieser Batterien leer ist; und sieht einen vorhersagbareren Betrieb vor, da die kapazitive Vorrichtung mit der Hinzufügung eines Spannungs-Reglers immer auf dieselbe Spannung aufgeladen werden kann.
Zusätzlich ist, wenn ein Super-Kondensator mit niedrigem Widerstand als die kapazitive Vorrichtung verwendet wird, die Betriebsdauer einer Einheit, die das erfinderische System einsetzt, erheblich länger als herkömmliche Systeme, da diese kapazitiven Vorrichtungen über 250000 Aufladungszyklen überstehen können, während eine wiederaufladbare Ni-Cd-Batterie nur ungefähr 300 bis 500 Aufladungszyklen überstehen kann. Außerdem ist ein Leistungsversorgungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung weniger kostspielig, da zum Beispiel ein typischer Ni-Cd-Stapel zur Zeit ungefähr zwanzig Dollar kostet, während ein Super-Kondensator heute nur ungefähr zwei Dollar kostet.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Ausgleichen der Spannungen über einzelne Super-Kondensatoren, wenn mehrere Super-Kondensatoren, die in Reihe verbunden sind, als die kapazitive Vorrichtung ver wendet werden. Ein derartiges Ausgleichen verhindert, dass ein einzelner Super-Kondensator in der Reihe mit einer Spannung betrieben wird, die höher als sein Betriebswert ist, als Ergebnis von Schwankungen des Verluststroms zwischen den Kondensatoren.
Wie offensichtlich ist, ist die Erfindung zu anderen und unterschiedlichen Ausführungsbeispielen fähig, und ihre vielfachen Details können in verschiedener Hinsicht modifiziert werden, ohne von dem Gedanken der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sollen die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung als illustrativ und nicht als einschränkend betrachtet werden. In der Tat ist die Erfindung, die hier beschrieben wird, für jede Stromfluss-begrenzte Energiequelle nützlich, die hohe Ströme mit einem niedrigen Arbeitszyklus liefern soll. Vorstellbar ermöglicht dieses System einer winzigen Knopfzellenbatterie (wie sie in einer Armbanduhr verwendet wird), einen 5-Watt-Sender anzutreiben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung erfüllt die oben angeführten Bedürfnisse, wie aus der folgenden Beschreibung offensichtlich wird, wenn in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen, wobei:
1 ein vereinfachtes elektrisches schematisches Diagramm einer direkten Batterieleistungsversorgungsschaltung gemäß dem Stand der Technik ist.
2 ein vereinfachtes elektrisches schematisches Diagramm eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
3 ein Graph ist, der die Stunden eines RF-Senderbetriebes, die mit dem Sys tem nach dem Stand der Technik von 1 erzielt werden, mit denen vergleicht, die mit dem System gemäß der vorliegenden Erfindung von 2 erzielt werden.
4 ein vereinfachtes elektrisches schematisches Diagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist.
5 ein detaillierteres elektrisches schematisches Diagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist.
6 ein vereinfachtes elektrisches schematisches Diagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist, in dem ein Spannungsregler zwischen der kapazitiven Vorrichtung mit hoher Leistung und der Belastungsanwendungsschaltung verbunden ist anstatt zwischen der begrenzten Energiequelle und der kapazitiven Vorrichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um einige der Vorteile des erfinderischen Systems darzustellen, liefern die 1, 2 und 3 einen Vergleich zwischen einer Technologie nach dem Stand der Technik und einem vereinfachten Leistungsversorgungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Schaltung von 1 zeigt die direkte Verwendung einer Batteriespannungsquelle 1, um eine Anwendungsschaltung 6 mit hoher Leistung und niedrigem Arbeitszyklus anzutreiben bzw. mit Energie zu versorgen, wie in dem Stand der Technik. Die Batterie 1 in einem derartigen System kann eine standardmäßige alkalische 9-Volt-Duracell^®(ein geschütztes Warenzeichen von Duracell, Inc. of Bethel, Connecticut)MN-1304-Batterie sein. Der ESR für solch eine Zelle beginnt bei ungefähr 0,1 Ohm, wenn die Zelle neu ist, steigt auf ungefähr 2 Ohm, wenn die Batterie bei ungefähr 80% der Kapazität ist, und erreicht schließlich ungefähr 250 Ohm, wenn die Batterie fast leer ist. Der hohe ESR der Batterie resultiert in einem steilen Spannungsabfall, wenn die Belastungsanwendung 6 hohen Strom entnimmt bzw. verbraucht. Solch eine Bedingung tritt auf, wenn ein RF-Sender versucht, ein Paket zu übertragen, an diesem Punkt kann der Leistungsverstärker einen transienten Strom von über 1 Ampere entnehmen.
Wenn die Belastung von der alkalischen Batterie am Ende einer Übertragung entfernt wird, erholt sich die Batteriezellenspannung etwas von dem Abfall, den sie während der Übertragung erfahren hat. Anfangs nimmt die Zellenspannung schnell um ungefähr 50 Millivolt zu, danach fährt sie fort, zu steigen, aber sehr viel allmählicher. Während mehrfacher Übertragungszyklen jedoch wird der zunehmende Spannungsabfall, der aus dem zunehmendem ESR der Batterie resultiert, in Verbindung mit der Entleerung der Batterie während der Übertragung, zu groß und die alkalische Zelle kann keine ausreichende Zellenspannung in dem nicht-übertragenden Abschnitt des Zyklusses zurückgewinnen, um die nächste Übertragung mit Energie zu versorgen. Die Batterie würde dann effektiv leer sein und würde ersetzt werden müssen.
2 zeigt eine vereinfachte Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, obgleich nicht das bevorzugte Ausführungsbeispiel. Die Quelle 2 kann jede „Strombegrenzte" Quelle sein, d.h. eine Quelle, die einen hohen ESR oder einen variierenden ESR hat, wie eine Lithiumbatterie, oder eine Quelle, die ansonsten nur geringe Ströme mit niedriger Momentanleistung liefern kann, wie der PCMCIA-Einschub eines Host-Computers. Die kapazitive Vorrichtung 5 mit hoher Leistung (mit C bezeichnet) ist die direkte Energiequelle für die Belastungsanwendung 6 mit hoher Leistung und niedrigem Arbeitszyklus, die ein paketvermittelter RF-Sender sein kann, wie in einem Zweiwegpagingsystem verwendet wird.
Die kapazitive Vorrichtung 5 von 2 kann erfolgreich implementiert werden unter Verwendung eines Netzwerks von Super-Kondensatoren, die in Reihe verbunden sind, um eine Kapazität zur Verfügung zu stellen, die ausreichend ist, um den Leistungsverstärker eines RF-Senders für einen Übertragungszyklus mit dem höchsten erwarteten Leistungsverbrauch anzutreiben. Die Zusammenhänge zwischen der Spannung, die an der kapazitiven Vorrichtung 5 erforderlich ist, dem ESR von Vorrichtung 5 und der Zeitdauer der Belastungsschaltungsübertragungen können durch Bezugnahme auf die folgenden Gleichungen verstanden werden: Vcapmin = Vtrmin + Vdrop + Vcapdis GLEICHUNG 1;
Wobei

V_capmin: die Minimumspannung ist, auf welche die kapazitive Vorrichtung 5 für einen Senderbetrieb aufgeladen werden muss;
V_trmin: die Minimumbetriebsspannung des Senderleistungsverstärkers ist;
V_drop: der Spannungsabfall ist, der durch den Stromverbrauch des Leistungsverstärkers verursacht wird, multipliziert mit dem ESR des Kondensators, [d.h. V_drop = I_draw × ESR]; und
V_capdis: die Spannungsänderung ist, welcher die kapazitive Vorrichtung 5 von Anfang einer Übertragung bis zu dem Ende ausgesetzt ist.

V_capdis kann weiter definiert werden, wie folgt: Vcapdis = (Idraw × Tcapdis)/Kapazität GLEICHUNG 2.
(I_draw entspricht dem durchschnittlichen Strom der Belastung und T_capdis ist die Länge des Belastungspulses.)
Die Gleichungen, die V_capmin und V_capdis definieren, können kombiniert und neu geordnet werden, um das folgende Kapazitäts-Verhältnis zu liefern: Kapazität (C) = (Idraw × Tcapdis)/Vcapdis; C = (Idraw × Tcapdis)/[Vcapmin – Vtrmin – (Idraw × ESR)] GLEICHUNG 3.
In Betracht der Variationen in vorliegenden Netzwerkprotokollen kann die Übertragungszeit für ein einzelnes Paket in einem paketvermittelten Netzwerk von 20 Millisekunden (mS) bis zu 2 Sekunden dauern, abhängig von der Eigenschaft des Netzwerks und der Menge von Daten, die in einem gegebenen Paket gesendet werden. Auch arbeiten einige herkömmliche Leistungsverstärker bei Spannungen, die von 3,6 Volt bei 2 Ampere bis 6 Volt bei 800 mA reichen. Somit erfordert ein System gemäß der 2, das in einem Netzwerk arbeitet, das eine Übertragungszeit von 2 Sekunden für ein einzelnes Paket hat, wobei die Senderausgabe durch ein 3,6 Volt, 2 Ampere Leistungsverstärker betrieben wird, und mit einer Ladespannung von 6,9 Volt, eine Kapazität für die Kapazitätsvorrichtung 5 wie folgt (unter der Annahme von nominal 0,3 Ohm ESR für die Vorrichtung 5): C = (2,0 Amp × 2 Sek)/[6,9 Volt – 3,6 Volt – (2,0 Amp × 0,3 Ohm)]; = 1,481 Farad (oder ungefähr 1,5 Farad).
Somit kann in diesem Beispiel eine Vorrichtung mit einer Kapazität von zumindest 1,5 Farad für die Vorrichtung 5 verwendet werden, und wenn das Design robuster sein soll, kann eine Kapazität von ungefähr 3,0 Farad oder mehr gewünscht werden. Ein kapazitives Modul, das mehrere Super-Kondensatoren aufweist, die in Reihe verbunden sind, kann derartige Anforderungen erfüllen.
Eine Reihenschaltung von mehreren Super-Kondensatoren ist bevorzugt, teilweise da die Arbeitsspannung für einen einzelnen Super-Kondensator (d.h. die Spannung, über der eine Beschädigung an dem Super-Kondensator auftritt) typischerweise nur wenige Volt ist, was zu unzureichend gespeicherter Spannung führt, um den durchschnittlichen RF-Sender mit Energie zu versorgen. Während eine Verbindung der Super-Kondensatoren in Reihe die begrenzte Arbeitsspannung eines einzelnen Super-Kondensators überwindet, sollte angemerkt werden, dass die kapazitive Vorrichtung 5 mit hoher Leistung mit einem einzelnen Super-Kondensator implementiert werden kann, der ausreichende Kapazitäts- und Arbeitsspannungs-Werte hat.
In der Schaltung von 2 muss der ESR der kapazitiver Vorrichtung 5 niedrig gehalten werden (im Allgemeinen unterhalb von 2 Ohm und vorzugsweise unterhalb 1 Ohm), um ausreichend Strom mit ausreichender Spannung für einen Senderbetrieb zu liefern. Ein Ansatz zum Erzielen einer hohen Kapazität mit niedrigem ESR ist durch die Verwendung eines Super-Kondensators, der eine elektrische Doppelschicht-Struktur mit einer aktivierten Kohlenstoff-Elektrode einsetzt. Solche Super-Kondensatoren werden beschrieben in „Supercapacitor – Electric Double-Lager Capacitors", Vol. 2, 25. Oktober 1996 (Japan, Tokin Corporation, Cat. No. EC-200E). Während des letzten Jahres wurden Herstellungstechniken für derartige Super-Kondensatoren ausreichend verbessert, so dass Vorrichtungen mit ESRs von weniger als 1 Ohm im Handel verfügbar sind, obgleich der Minimum-ESR schlussendlich durch den Oberflächenwiderstand zwischen den aktivierten Kohlenstoff-Elektroden und den Verbindungsleitungen des Kondensators begrenzt wird. Beispiele derartiger Super-Kondensatoren umfassen den Ultra-Kondensator, hergestellt durch Maxwell Corporation of San Diego, CA; der Gold-Kondensator (oder GoldCap), hergestellt durch Panasonic Corporation of Mississauga, Ontario; und der Aero-Kondensator, hergestellt durch Polystor Corporation of Dublin, CA.
3 vergleicht die Betriebsstunden, die mit dem Schaltung von 1 erzielt werden, dargestellt durch Graph a, und die Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, 2, dargestellt durch Graph b. Die beispielhafte Anwendungsschaltung für die Zeichnung der 3 ist ein paketvermittelter RF-Sender, der an einem Arbeitszyklus von ungefähr 1 Prozent arbeitet, mit Leistungsverstärker-Belastungspulsen von ungefähr 1,0 Sekunde Dauer. Der 1-Prozent-Arbeitszyklus ermöglicht 100 Sekunden an Aufladezeit. Für diesen Vergleich wird angenommen, dass sowohl die Strom-begrenzte Quelle 4 von 2 als auch die Batterie 1 von 1 herkömmliche alkalische 9-Volt-Zellen sind, die äquivalent zu Duracell^®-MN1304-Zellen sind. Die Graphen a und b zeigen die Zellenspannung der Batterie 1 von 1 beziehungsweise der Quelle 4 von 2 am Ende jeder Übertragung. Wie in der 3 oben angezeigt wird, entnimmt der Senderleistungsverstärker 980 mA (ungefähr 5 bis 6 Watt) während der Übertragenpulses.
Der beispielhafte Sender für den Vergleich der 3 kann nicht mit einer Eingangsspannung niedriger als 5 Volt arbeiten. (Selbstverständlich kann in der Praxis ein Senderbetrieb bei Spannungen möglich sein, die so niedrig sind wie ungefähr 3–5 Volt, abhängig von den Charakteristiken des bestimmten Leistungsverstärkers). Unter Verwendung des beispielhaften Senders erzielt die Schaltung gemäß dem Stand der Technik in 1 nur ungefähr 7 Stunden an Senderbetrieb, wie in dem Graph a gezeigt wird, wobei das Ende des Betriebs dem Punkt entspricht, an dem die Spannung der Batterie 1 auf 5 Volt fällt.
Für die erfinderische Schaltung von 2 jedoch isoliert der Belastungsausgleich, der von der kapazitiven Vorrichtung 5 mit hoher Leistung vorgesehen wird, effektiv die Strom-begrenzte Quelle 4 von den großen transienten Strömen, die von der Anwendungsschaltung 6 entnommen werden. Somit ist in 2 die Energie von Quelle 4 nur für die relativ langsame und folglich weniger Energie verbrauchende Aufgabe der Aufladung der kapazitiven Vorrichtung 5 erforder lich, was zu einer drastischen Zunahme der Betriebslebensdauer der Quelle 4 führt.
Die Betriebseigenschaften des Systems von 2 werden durch die idealisierten Parameter-Verhältnisse der Gleichung 1 geregelt. Somit wird für ein beispielhaftes Sendersystem, das 980 mA an Strom für 1,0 Sekunde während der Übertragung entnimmt, und unter der Annahme, dass ein 1,0 Farad, 0,3 Ohm ESR-Super-Kondensator-Modul für die kapazitive Vorrichtung 5 verwendet wird, die Minimum-Zellenspannung, die vor einer Übertragung erforderlich ist (d.h. die Minimum-Spannung, auf die der Kondensator vor einer Übertragung aufgeladen werden muss), aus der Gleichung 1 berechnet, wie folgt: Vcapmin = Vtrmin + Vdrop + Vcapdis; = Vtrmin + (Idraw × ESR) + (Idraw × Tcapdis)/C; = 5 Volt + (980 mA × 0.3 Ohm) + (980 mA × 1.0 Sek)/1,0 Farad; = 6,27 Volt (oder ungefähr 6,3 Volt).
Wie in 3, Graph b, gezeigt, versorgt das Leistungsversorgungssystem von 2 die Senderbelastungsschaltung ausreichend, bis die Spannung der kapazitiven Vorrichtung 5 auf 5,0 Volt oder weniger am Ende einer Übertragung fällt. Dies ist der Punkt, an dem die Zelle nicht die 6,3 Volt liefern kann, die notwendig sind, um den Kondensator für die nächste Übertragung in der Aufladungszeit von 100 Sekunden aufzuladen. Wie in Graph b gezeigt, wird dieser Punkt erst erreicht nach ungefähr 45 Betriebsstunden; somit liefert das System von 2 eine ungefähre sechsfache Zunahme der effektiven Batterielebensdauer und des Senderbetriebs gegenüber dem System von 1.
Ferner ist in 2 der hohe ESR von Batterie 1 nicht am Eingang der Anwendungsschaltung 6 vorhanden und wird durch den konstanten und relativ niedrigen ESR der kapazitiven Vorrichtung 5 ersetzt. Die kapazitive Vorrichtung 5 mit hoher Leistung selbst ist nicht empfindlich auf den Spannungsabfall, der mit dem ESR der Quelle 4 verbunden ist. Sie fährt folglich fort mit der Aufladung, obgleich mit einer reduzierten Aufladungsrate, auch wenn die alkalische Batterie, die als Spannungsquelle 4 dient, leer ist, und der ESR der Batterie auf sein Maximum steigt. In der Tat, selbst wenn die Batterie leer wäre, würde die Spannung der kapazitiven Vorrichtung 5 mit hoher Leistung schließlich auf die normale unbelastete Spannung der Zelle steigen, was für eine 9-Volt-Zelle ausreichend Energie darstellen kann, damit der beispielhafte Sender ein einzelnes Paket senden kann (wenn die Zelle die erforderlichen 6,3 Volt erreicht, die oben erwähnt werden).
Die Strom-begrenzte Quelle 4 von 2 kann eine Quelle sein, die nicht fähig ist, ausreichenden Momentanstrom zu liefern, um einen RF-Sender direkt anzutreiben. Der niedrige Arbeitszyklus der Anwendungsschaltung 6, der in der beispielhaften Anwendung von 3 1% ist, ermöglicht der kapazitiven Vorrichtung 5, genügend aufzuladen, um die Energie zu liefern, die von der Anwendungsschaltung 6 erfordert wird, selbst wenn die kapazitive Vorrichtung 5 durch eine leistungsschwache Quelle mit wenig Strom aufgeladen wird. Wenn zum Beispiel eine Ultralife^®-Batterie als die Quelle 4 verwendet wird, würde die hohe Energiespeicherkapazität der Batterie über 140 Stunden an Betriebszeit für den beispielhaften RF-Sender von 3 liefern, eine Zunahme von ungefähr 2000% gegenüber standardmäßigen alkalischen Zellen, die ohne Verwendung einer kapazitiven Vorrichtung mit hoher Leistung arbeiten, wie einem Super-Kondensator.
Wenn die Belastungs-Anwendung 6 ein RF-Sender ist, kann der Arbeitszyklus der Belastung 6 definiert werden, wie folgt: Arbeitszyklus (%) = Ttr/(Ttr + Tqst) GLEICHUNG 4;wobei

T_tr: die Zeitdauer einer Übertragung ist und
T_qst: die Zeitdauer der nachfolgenden ruhigen Periode des Senders (d.h. das nicht-übertragende Intervall) innerhalb eines Betriebszyklusses ist.

In dem Kontext der vorliegenden Erfindung existiert ein „niedriger" Arbeitszyklus typischerweise, wenn T_qst T_tr um eine Zehnerpotenz oder mehr übersteigt. Mit einigen Systemen kann es möglich sein, die Betriebscharakteristiken des Senders dynamisch anzupassen, um unterschiedliche Netzwerkabdeckungsbedingungen und Leistungsanforderungen zu berücksichtigen, was möglicherweise einen Betrieb bei Arbeitszyklen in dem Bereich von 50% bis 75% für kurze Abstände ermöglicht. Solch ein dynamisch-gesteuerter Sender wäre weiterhin ein geeigneter Kandidat zur Erfüllung der Anforderungen der Belastungs-Anwendung 6, solange der durchschnittliche System-Arbeitszyklus in dem Bereich von ungefähr 10% oder geringer bleibt.
Als eine mögliche Alternative zur Verwendung einer Batteriezelle oder eines Zellenstapels ist wünschenswert, einen miniaturisierten RF-Sender von dem PCMCIA-Einschub oder einem anderem Hilfsanschluss eines Host-Computers zu betreiben. Obgleich die meisten Host-Computer nur ungefähr 0,75 Watt an den PCMCIA-Einschub liefern können, kann eine niederenergetische Quelle mit wenig Strom, wie diese, effektiv als Quelle 4 in der Schaltung von 2 dienen. Unter Verwendung der Schaltung von 2 kann ein Funkmodem, das fünf Watt Energie in kurzen Pulsen erfordert, von einem PCMCIA-Einschub betrieben werden, der den typischen maximalen Strom von nur 150 mA hat.
Während illustrativ für die Erfindung, reguliert die Schaltung von 2 nicht die Spannung über die kapazitive Vorrichtung 5 mit hoher Leistung. Ohne ein Hinzufügen einer Form einer „Aufwärts(step-up)"-Regelung, unterstützt die Schaltung von 2 keinen Senderbetrieb mit einer anfänglichen Eingangsspannung, die geringer ist als die, die an der kapazitiven Vorrichtung 5 erforderlich ist, wie nach Gleichung 1 (d.h. ein „niedriger" Spannungseingang kann nicht als Quelle 4 dienen, da solch eine Quelle die kapazitive Vorrichtung 5 nicht ausreichend aufladen würde). Wenn andererseits eine „hohe" Spannungsquelle als Quelle 4 verwendet wird, erfordert ein Mangel einer Spannungsregelung eine Verwendung von Super-Kondensatoren, die einen hohen Arbeitsspannungswert haben, und die Verwendung einer RF-Übertragungsschaltung, die Spannungen widerstehen kann, die von 10 Volt bis zu 5 Volt variieren, abhängig von dem Zustand der Aufladung der Super-Kondensatoren.
4 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das einen Spannungsregler 3 aufweist, der zwischen der „begrenzten Energie"-Quelle 2 und der kapazitiven Vorrichtung 5 mit hoher Leistung verbunden ist. Der Spannungsregler 3 stellt sicher, dass die kapazitive Vorrichtung 5 immer bis zu einer relativ konstanten Spannung in ihrem Arbeitsspannungsbereich geladen ist, unabhängig von der Spannung der Quelle 2. Ferner vermeidet dieses Ausführungsbeispiel, den RF-Sender-Leistungsverstärker zu zwingen, bei breit variierenden Spannungen zu arbeiten, die an der Quelle 2 anwesend sein können, wenn sie entladen wird, angesichts der unterschiedlichen Batterietechnologien, die verwendet werden können.
Aufgrund des Hinzufügen der Spannungsregelung in 4, kann die „begrenzte Energie"-Quelle 2 eine „Spannungs-begrenzte" Quelle aufweisen, d.h. eine Quelle, die nur niedrige Spannungen liefern kann, insbesondere Spannungen unter denen, die erforderlich sind, um die kapazitive Vorrichtung direkt gemäß der Gleichung 1 aufzuladen. Die Quelle 2 von 4 kann auch eine „Strom begrenzte" Quelle aufweisen, wie Quelle 4 von 2. „Spannungs-begrenzte" und „Strom-begrenzte" Quellen werden hier allgemein als „begrenzte Energie-Quellen" bezeichnet.
Der Spannungsregler 3 kann jede mögliche Konstruktion sein, wie für Fachleute offensichtlich ist. Derartige Regler (oder Konverter) umfassen die folgenden Vorrichtungen: „Aufwärts(step-up)"-Regler (wie ein Boost-Konverter); „Abwärts(step-down)"-Regler (wie ein linearer Regler oder ein Buck-Konverter); „Aufwärts-/Abwärts(step-up/step-down)"-Regler (wie ein Buck-(Boost-Konverter, ein SEPIC-Konverter oder ein Zeta-Konverter); und „Invertierungs"-Regler (wie ein 'Cuk-Konverter). Der Typ des eingesetzten Reglers hängt ab von den Spannungscharakteristiken der Schaltung. Zum Beispiel ist ein Abwärtsregler geeignet, wenn die Spannung, die durch die Quelle 2 geliefert wird, typischerweise über der Arbeitsspannungs-Wertung der kapazitiven Vorrichtung 5 bleibt, wie es der Fall ist, wenn die Quelle 2 eine „hohe" Spannungsquelle ist, d.h. eine Quelle, deren Spannung typischerweise höher ist als die Spannung, die gewünscht ist für eine direkte Eingabe an den Leistungsverstärker, wie ein Hochspannungssolarzellen-Array oder eine Ultralife^®-Lithiumzelle. Ein Aufwärts-Regler wird verwendet, wenn die Eingangsspannung immer geringer als die für die kapazitive Vorrichtung 5 gewünschte ist. Dies umfasst eine einzelne alkalische Zelle (1,5 Volt) oder eine digitale 3,3-Volt- Spannungsversorgung.
Aufwärts-/Abwärts-Konverter werden verwendet, wenn die Eingangsspannung höher oder niedriger als die gewünschte Sendereingangsspannung sein kann. Dies ist der Fall, wenn das System ausgebildet ist, von breit variierenden Lieferungsquellen zu arbeiten. Zum Beispiel kann ein System, das ausgebildet ist, ein 9-Volt-IEC-6LR61-Paket zu akzeptieren, auf anfängliche Eingangsspannungen von einer nagelneuen Ultralife^®-Zelle von bis zu 12 Volt treffen oder so niedrig wie 5,4 Volt von einer fast leeren Ni-Cd- oder alkalischen Zelle. Somit wäre es nütz lich, wenn die Ziel-Sender-Eingangsspannung 6,8 Volt betragen würde, einen Aufwärts-/Abwärtskonverter zu verwenden.
5 zeigt eine detailliertere Implementierung des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Es enthält ein Aufwärts-/Abwärts-Spannungsregulierungsschema, das dem System ermöglicht, anfängliche Eingaben sowohl mit niedriger Spannung als auch hoher Spannung zu akzeptieren. In 5 ist die Batterie 10 die begrenzte Energie-Quelle analog zu Element 2 von 4. Die Kombination der Transistoren 11 und 12 liefert einen Umkehrbatterieschutz in dem Fall, dass der Benutzer die Batterie unsachgemäß in die Einheit einsetzt. Die Batterie 10 kann entweder eine Einzelzelle oder ein Multizellen-Stapel sein, einschließlich AA-Zellen, AAA-Zellen, ein alkalischer 9-Volt-Zellen-Stapel, Ni-Cd-Zellen, Lithiumzellen, Kohlenstoff-basierte Zellen oder jede andere Batterietechnologie. Alternativ kann die Batterie 10 aus dem System entfernt werden und durch die Eingangsenergieverbindung eines Host-Computer-Hilfsvorrichtungsteils (wie ein PCMCIA-Einschub), ein Solarzellen-Array oder eine einzelne Solarzelle ersetzt werden.
Für das Ausführungsbeispiel von 5 wird eine Spannungsregelung vorzugsweise durch die Kombination eines LT1307-Aufwärts-Schaltungsreglers 15 (von Linear Technology Corp. of Milpitas Ca), einer Schottky-Diode 16 und eines linearen Reglers vorgesehen werden, der aus einer Vergleichsschaltung (in LT1307 eingebaut) und einem FET 17 besteht. Diese Elemente bilden einen Aufwärts/Abwärtskonverter, der den Spannungsregler 3 von 4 implementiert. In dieser Konfiguration verstärkt, wenn die Spannung der Batterie 10 zwischen 5 Volt und 6,8 Volt ist, wie in dem Fall eines entladenen Ni-Cd-Zellenstapels, der Schaltungsregler 15 diesen auf ungefähr 6,8 Volt. Wenn die Eingabe von der Batterie 10 von 6,8 bis 12,5 Volt ist, wie mit einer frischen Ni-Cd- oder Lithiumzelle, liefert die lineare Reglerkomponente einen Überspannungsschutz und hält den Ausgabepegel bei ungefähr 6,8 Volt. Die „Abwärts"-Komponente des Reglers kann implementiert werden unter Verwendung eines SEPIC- oder ZETA-Konverters anstelle des linearen Reglers dieses Ausführungsbeispiels.
In 5 wird der Ausgang der Spannungsregelungsschaltung, die durch die Elemente 15, 16, und 17 gebildet wird, direkt mit dem Super-Kondensator-Netzwerk verbunden, das durch die Super-Kondensatoren 20, 21 und 22 gebildet wird. Der Arbeitsspannungswert von einem dieser Super-Kondensatoren ist nur ungefähr 2,3 bis 2,4 Volt; aber in Reihe geschaltet werden diese Super-Kondensatoren betrieben, um eine im Wesentlichen konstante Spannung zu erzeugen, die einen Wert in dem Bereich von ungefähr 6,7 Volt bis ungefähr 7,0 Volt hat, wenn die Super-Kondensatoren völlig aufgeladen sind. Während des Sende/Ruhe-Zyklusses fällt die Spannung über den Super-Kondensatoren schließlich auf die Minimum-Arbeitsspannung der Schaltung 40, die ungefähr 5 Volt sein kann, ungefähr 3,5 Volt, etc., abhängig von den Betriebscharakteristiken des Senderleistungsverstärkers 41. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel akzeptiert das Leistungsversorgungssystem eine anfängliche Eingangsspannung von der Quelle 10 von 5 bis 12 Volt und erzeugt trotzdem eine Spannungsausgabe, die in dem Bereich von 6,8 Volt bis 5 Volt bleibt. Die Komponenten der RF-Anwendungsschaltung 40 müssen folglich nur Eingangsspannungen innerhalb dieses Spannungsbereichs Rechnung tragen.
Während eine Reihenschaltung der Super-Kondensatoren 20, 21 und 22 die allgemeine Arbeitsspannungsbeschränkung überwindet, können Verluststrom und Komponentenvariationen zwischen den Kondensatoren zu einem Spannungsungleichgewicht über die einzelnen Kondensatoren führen. Solch ein Spannungsungleichgewicht kann dazu führen, dass ein oder mehrere der Kondensatoren in dem Stapel an einer Spannung arbeiten, welche die Arbeitsspannung dieses Kondensators übersteigt. Ein Plazieren von Widerständen parallel zu den Super-Kondensatoren würde dieses Problem vermeiden; wenn jedoch Widerstände allei ne verwendet werden, hat die Schaltung einen hohen Bereitschaftsstrom, der schließlich die Lebensdauer der Batterie 10 verkürzen würde.
In 5 wird eine Technik eingesetzt, die als „aktives Zellausgleichen (aktive cell balancing)" bekannt ist, und ermöglicht der Schaltung, mit fast null Bereitschaftsstrom zu arbeiten. Die aktive Zellausgleichs-Schaltung besteht aus den Widerständen 52 bis 54, die eine Widerstandsteilerschaltung bilden, Operationsverstärkern 60 und 61 mit niedriger Leistung, die als Spannungsfolger konfiguriert sind, und aus den Widerständen 50 und 51, die einen Stromfluss von den Operationsverstärkern auf die Minimumwerte begrenzen, die erforderlich sind, um ein Spannungsgleichgewicht zwischen den Zellen beizubehalten. In 5 bestimmt der Widerstandsteiler die erforderlichen Zellspannungen und die Spannungsfolger zwingen die Kondensatoren, die Widerstandsspannungen unabhängig von dem Verluststrom zu verfolgen. Diese Schaltung stellt sicher, dass jeder Kondensator einen gleichen Spannungsanteil nimmt. Die Verwendung der Spannungsfolger ermöglicht den Widerständen 52 bis 54, einen drei Größenordnungen größeren Widerstand zu haben als sie in einem reinen Widerstandszellenausgleichsschema ohne die Operationsverstärker 60 und 61 haben würden. Somit reduziert. diese Konfiguration den Verluststrom um drei Größenordnungen gegenüber einem nur-Widerstands-Zellausgleich. Die Kombination der Super-Kondensatoren 20, 21 und 22, Widerstände 50, 51, 52, 53 und 54 und Operationsverstärker 60 und 61 bildet ein Netzwerk, das der kapazitiven Vorrichtung 5 mit hoher Leistung von 4 entspricht.
In 5 ist der Leistungsverstärker 41 für den RF-Sender 40 eine sehr hohe Strombelastung und entnimmt ungefähr 1000 mA oder mehr während Übertragungen. Er wird direkt mit dem Super-Kondensator-Netzwerk verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel soll der Leistungsverstärker 41 gewählt werden, um über den 6,8 bis 5-Volt-Spannungsbereich zu arbeiten, der oben erwähnt wird, da am Anfang einer langen Übertragung die Spannung, die an ihn durch das Super- Kondensator-Netzwerk geliefert wird, ungefähr 6,8 Volt ist, aber allmählich abnimmt, wenn die Super-Kondensatoren entladen werden.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Schaltung von 4 wird in 6 dargestellt. Der Unterschied zwischen diesen Ausführungsbeispielen ist, dass in 6 der Spannungsregler 3 zwischen der kapazitiven Vorrichtung 5 und der Anwendungsschaltung 6 verbunden ist. In dieser Schaltung ist die Quelle 2 typischerweise eine Spannungs-begrenzte (oder Niederspannungs-)Quelle. Dies ermöglicht, dass ein einzelner Super-Kondensator, der einen sehr hohen Kapazitäts-Wert hat, als Vorrichtung 5 verwendet wird anstelle von mehreren Super-Kondensatoren in einer Reihenschaltung. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Belastungsausgleich erzielt durch Speichern derselben Menge an Energie wie in den anderen offenbarten Ausführungsbeispielen, aber das Speichern erfolgt mit einer geringeren Spannung. Die Belastungs-Anwendungsschaltung 6 (z.B. ein RF-Sender) wird dann direkt von dem Regler 3 betrieben, der in diesem Fall ein Aufwärtsschaltungsregler ist, der von der Ausgabe der Super-Kondensatoren arbeitet. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch erforderlich, dass der Schaltungsregler 3 sehr hohe Ströme handhabt und infolgedessen sind seine Komponenten physikalisch ziemlich groß. Zum Beispiel wird erwartet, dass eine 1,2-Volt-Quelle, wie eine Ni-Cd-AA-Batterie, die eine 1000 mA, 6,8-Volt-Belastung antreibt, erfordert, dass der Spannungsregler bei über 7 Ampere an seinem Eingang arbeitet. Während solch ein Ausführungsbeispiel funktionieren würde, würde es für Anwendungen nicht optimal sein, in denen Bedenken hinsichtlich Komponentenminiaturisierung und reduzierter Energiedissipation vorrangig sind.
Nach der detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, einschließlich seiner bevorzugten Betriebsmodi, ist offensichtlich, dass diese Operation mit unterschiedlichen Elementen und Schritten ausgeführt werden kann. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel wird nur auf beispielhafte Weise dargestellt und soll nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung begrenzen, der durch die folgenden Ansprüche definiert wird.

Claims

Leistungs-Managementsystem, das aufweist: eine Belastungsschaltung (6) mit niedrigem Arbeitszyklus und hoher Leistung; zumindest eine kapazitive Vorrichtung (5), die elektrisch mit der Belastungsschaltung (6) verbunden ist, die eine primäre elektrische Leistung an die Belastungsschaltung (6) liefert; und eine begrenzte Energiequelle (4), die elektrisch mit der kapazitiven Vorrichtung (5) verbunden ist, die eine Quelle für elektrische Ladung für die kapazitive Vorrichtung (5) liefert, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die begrenzte Energiequelle (4) eine Stromversorgungsverbindung für einen Hostcomputer-Hilfsvorrichtungsanschluss ist, oder die begrenzte Energiequelle (4) zumindest eine Batteriezelle ist und die Belastungsschaltung (6), die kapazitive Vorrichtung (5) und die zumindest eine Batteriezelle in einem einzelnen Gehäuse eingeschlossen sind, das physikalisch und elektrisch mit einem Hostcomputer-Hilfsvorrichtungsanschluss kompatibel ist.
System gemäß Anspruch 1, wobei die kapazitive Vorrichtung (5) zumindest einen Super-Kondensator aufweist.
System gemäß Anspruch 2, wobei die kapazitive Vorrichtung (5) mehrere Super-Kondensatoren (20, 21, 22) aufweist, die in Reihe verbunden sind.
System gemäß Anspruch 3, das weiter eine Spannungsausgleichsschaltung aufweist, die eine ausgeglichene Spannung über jeden Super-Kondensator (20, 21, 22) erhält.
System gemäß Anspruch 4, wobei die Spannungsausgleichsschaltung aufweist: mehrere betriebsfähige Verstärker (60, 61), die als Spannungsfolger angeschlossen sind und mit einem Widerstandsteilernetzwerk (52, 53, 54) elektrisch verbunden sind, wobei die Spannungsfolger und das Widerstandsteilernetzwerk elektrisch mit den Super-Kondensatoren (20, 21, 22) verbunden sind, so dass die Spannung über jeden Super-Kondensator (20, 21, 22) auf den Wert der resultierenden Spannung des Widerstandsteilernetzwerks (52, 53, 54) gezwungen wird.
System gemäß Anspruch 1, wobei die begrenzte Energiequelle (4) eine photo-voltaische Vorrichtung ist.
System gemäß Anspruch 6, wobei die photo-voltaische Vorrichtung eine Solarzellen-Anordnung ist, die zumindest eine Solarzelle aufweist.
System gemäß Anspruch 1, wobei der Arbeitszyklus der Belastungsschaltung (6) einen Durchschnittswert von 10 Prozent nicht übersteigt.
System gemäß Anspruch 8, wobei der Arbeitszyklus der Belastungsschaltung (6) ein Wert in dem Bereich zwischen und einschließlich 10% und 75% für begrenzte Intervalle sein kann.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Belastungsschaltung (6) eine zugeführte Leistung von mehr als 1 Watt während des Betriebs erfordert.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Belastungsschaltung (6) eine zugeführte Leistung von mehr als 1 Watt für 20 mS bis zu 2 Sekunden während des Betriebs erfordert.
System gemäß Anspruch 1, wobei das Gehäuse PCMCIA-kompatibel ist.