FI101109B - Menetelmä elektronisen laitteen tehonkulutuksen pienentämiseksi - Google Patents

Description

101109

Menetelmä elektronisen laitteen tehonkulutuksen pienentämiseksi - Förfarande för reducering av effektforbrukningen av en elektronisk anordning 5 Esillä oleva keksintö koskee menetelmää ainakin yhden jänniteregulaattorin sisältävän elektronisen laitteen, edullisesti akulla toimivan laitteen, tehonkulutuksen pienentämiseksi, ainakin yhden jänniteregulaattorin sisältävää elektronista laitetta ja jänniteregulaattoria.

10 Nykyään kuluttajalle on taijolla mitä erilaisimpia laitteita, jotka toimivat akulla. Tällaisia laitteita ovat esim. matkapuhelimet, kannettavat tietokoneet, kannettavat telekopiokoneet (eli telefaxkoneet), kannettavat kopiokoneet, kannettavat oskil-loskoopit ja muut kannettavat mittalaitteet sekä esim. kannettavat sairaalalaitteet jne. Vaihtoehtoja on siis lukuisia. Esillä olevaa keksintöä voidaan käyttää hyväksi missä 15 tahansa elektronisessa laitteessa, erityisesti akulla toimivassa laitteessa, eikä se siten rajoitu mihinkään tiettyyn laitteeseen. Akulla tarkoitetaan tässä mitä tahansa sähköenergiaa varastoivaa komponenttia, kuten ladattavissa olevaa paristoa tai kertakäyt-töparistoa tai akkua tai vastaavaa.

20 Keksinnön käyttöalueen ja sen myötä saavutettavien etujen sekä tekniikan tason haittojen havainnollistamiseksi käsittelemme seuraavassa elektronisena laitteena ak-kukäyttöistä matkapuhelinta.

Solukkopuhelinjärjestelmä, kuten GSM, käsittää tavallisesti useita tukiasemia, joista 25 jokainen palvelee ennalta määrättyä maantieteellistä aluetta eli solua. Jokainen tukiasema lähettää sanomia usealle matkaviestimelle solun alueella. Matkaviestimet käsittävät mikroprosessorin ja sen ohjaaman lähetinvastaanottimen ja dekooderin. Akkukäyttöisissä matkaviestimissä akun kestoaika voi olla 40 tuntia puhelimen ollessa odotustilassa ja yhdestä kahteen tuntiin puhetilassa, jolloin puhelin lähettää ja 30 vastaanottaa dataa ja/tai puhetta. Kun akku on purkautunut, se täytyy vaihtaa tai la- '· data uudelleen.

GSM-järjestelmää, joka perustuu aikajakomonikäyttöön (TDMA, Time-Division Multiple Access), ei tässä selosteta tarkemmin, koska se on alan ammattimiehen 35 tuntema, ja järjestelmä on määritelty tarkasti ns. GSM-spesifikaatioissa sekä on esitetty esimerkiksi julkaisussa "M.R.L. Hodges, The GSM radio interface, British Telecom Technological Journal", Voi. 8, No 1, 1990, s. 31-43.

2 101109

Matkapuhelimista tunnetaan ns. virransäästötila, jolloin matkapuhelimen toimintaa ohjaavia piirejä, kuten mikroprosessori, kytketään virransäästötilaan, ja virransääs-tötilassa pienennetään kellotaajuuksia ja jopa pysäytetään osa kelloista. Eurooppalaisessa patenttijulkaisussa EP-473 465 on esitetty virransäästötilan hyödyntäminen.

5 Solukkomatkapuhelinjäijestelmissä nimittäin suurin osa tukiaseman matkaviestimille lähettämistä sanomista on matkaviestinkohtaisia, joten tukiaseman lähettämistä viesteistä vain pieni osa on tarkoitettu määrätylle matkaviestimelle. Jotta matkaviestin ei jatkuvasti vastaanottaisi ja dekoodaisi kaikkia tukiaseman lähettämiä sanomia, on eurooppalaisessa patenttijulkaisussa EP-473 465 ehdotettu tehon säästämiseksi, 10 että ilmaistaan matkaviestimelle tulevat sanomat sen havaitsemiseksi, onko vastaanotettava sanoma tarkoitettu jollekin toiselle matkaviestimelle, ja jos on, niin vähennetään akkutehoa (aktivoidaan virransäästötila) siihen asti kunnes tukiaseman kyseiselle matkaviestimelle lähettämän seuraavan sanoman odotetaan tulevan. Julkaisun EP-473 465 mukainen virransäästö perustuu kaksiosaisen sanoman vastaanottoon, 15 jonka ensimmäisestä osasta voidaan havaita, että kyseinen sanoma on tarkoitettu jollekin toiselle matkaviestimelle ja että tämä toiselle matkaviestimelle suunnattu sanoma sisältää toisen osan, jota ei julkaisun EP-473 465 mukaisesti tarvitse vastaanottaa, jos sanoma on osoitettu toiselle matkaviestimelle. Näin matkaviestin voi kytkeä suuren osan vastaanottopiireistään virransäästötilaan aina siihen asti kunnes 20 seuraavan kyseiselle matkaviestimelle mahdollisesti suunnatun sanoman odotetaan tulevan. Tätä virransäästöjaksoa ohjaa ajoituspiiri, jolle voidaan ohjelmoida uuden vastaanoton alkamisaika.

Useimmissa elektronisissa laitteissa tarvitaan erisuuruisia käyttöjännitteitä laitteen 25 eri osille ja eri käyttöjännitteiden muodostamiseksi ja vakauttamiseksi käytetään tavallisesti jänniteregulaattoreita. Regulaattorin kytkentöjä ja toimintaa havainnollistaa kuvan 1 yksinkertaistettu kaavio, jossa regulaattoria kuvaa kolmiporttinen piiri-elin REG. Seuraavassa toimintakuvauksessa ja jäljempänä olevassa keksinnön kuvauksessa keskitytään esimerkinomaisesti positiivisen jännitteen regulointiin, mutta 30 alan ammattimiehelle on selvää, että myös negatiivisen jännitteen regulointi voi tulla ’ - kyseeseen. Regulaattorin ensimmäinen portti 1 kytketään jännitelähteeseen ja toinen portti 2 maatasoon, jolloin porttien välillä on tulojännite Vin. Lähtöjännite Vout muodostuu kolmannen 3 ja toisen 2 portin välille.

35 Regulaattorin toimintaperiaatteen mukaisesti lähtöjännite Vout on pienempi kuin tulojännite Vin ja regulaattorin tehtävä on pitää lähtöjännite Vout vakiona riippumatta tulojännitteen Vin vaihteluista. Kullakin regulaattorilla on olemassa pienin mahdollinen jännite-ero Vin-Vout, jolla lähtöjännite vielä pysyy vakioarvossaan.

3 101109 Tätä raja-arvoa kutsutaan dropout-jännitteeksi eli jännitepudotukseksi ja siitä käytetään seuraavassa merkintää Vdropout. Jos tulojännite Vin laskee pienemmäksi kuin Vout+Vdropout, regulaattori ei enää pysty pitämään lähtöjännitettä Vout vakiona vaan se alkaa seurata tulojännitteen Vin vaihteluita. Jännitepudotuksen lisäksi toinen 5 regulaattorin tärkeä suoritusarvo on lepovirta eli quiescent-virta, joka tarkoittaa re gulaattorissa ja siihen välittömästi liittyvissä komponenteissa käyttöjännitteestä maapotentiaaliin eli välillä Vin - GND ja Vout - GND kulkevaa virtaa.

Kannettavissa matkapuhelimissa jännitelähteenä käytettävien akkujen kennomäärä 10 pyritään minimoimaan, jotta puhelimesta tulisi pieni ja kevyt. Tämän seurauksena akusta regulaattorille saatava jännitetaso Vin on matala. Esimerkkinä voidaan tarkastella matkapuhelinta, jonka akussa on neljä nimellisjännitteeltään 1,2 voltin kennoa. Kennot on kytketty sarjaan, jolloin akun nimellisjännite on 4,8 V. Kun akku on täysin varattu, sen napajännite on noin 5,8 V. Kun akku kytketään puhelimeen, 15 kuormitus pudottaa täyden akun napajännitteen nopeasti noin 5,5 V:iin. Käytön aikana akun napajännite edelleen laskee, kunnes sen ollessa noin 4,0 V akun käyttö on lopetettava ja se on ladattava uudelleen.

Normaaleiden yleiskäyttöisten regulaattoreiden, kuten National LM 78 -saijan, 20 jännitepudotus Vdropout on noin 2,0 - 2,5 V. Jos esimerkkimatkapuhelimessa käytettäisiin tällaista regulaattoria, sen syöttämään kuormaan saataisiin vain noin 1,5 - 2,0 V:n käyttöjännite Vout, kun akkujännite on pienimmillään. On selvää, että näin alhainen jännitetaso ei riitä, vaan laitteessa täytyy käyttää ns. vähäpudotteista regulaattoria (low-dropout regulator), joissa jännitepudotus on tyypillisesti vain noin 0,3 25 V. Näin kuormajännite saadaan pidettyä vakiona 3,7 voltissa koko akun purkaus-syklin ajan, myös akkujännitteen ollessa minimiarvossaan eli 4,0 voltissa. Jäljempänä esitetyissä tarkasteluissa vaaditaan, että regulaattorikytkennän ulostulojännite eli kuormajännite Vout on juuri 3,7 V.

30 Tekniikan tason mukaisesti vähäpudotteisissa regulaattoreissa käytetään yleensä ' i PNP-tyyppistä saijatransistoria välillä Vin - Vout, koska PNP-rakenteella saavute taan pienempi transistorin sisäinen jännitehäviö kuin NPN-rakenteella. Tällaisessa regulaattorissa suuri osa quiescent-virrasta koostuu transistorin kantavirrasta, joka täytyy mitoittaa tarvittavan kuormavirran mukaan. K an ta virta on lähes suoraan ver-35 rannollinen kuormavirtaan. Esimerkiksi National LM2931 -regulaattorissa kantavirta on 10 % kuormavirrasta. Yleiskäyttöisissä regulaattoreissa PNP-transistorin kanta-virta täytyy mitoittaa maksimikuormavirran mukaan, jolloin optimaalinen hyötysuhde saavutetaan vain, kun laite toimii maksimikuormavirralla. Pienempi kuorma- 4 101109 virta merkitsee huonompaa hyötysuhdetta, kun hyötysuhde määritellään kuorman käyttämän sähkötehon ja regulaattorin akusta ottaman sähkötehon suhteena. Matkapuhelin on tyypillinen esimerkki laitteesta, jossa virrankulutus vaihtelee suuresti sen mukaan, missä toimintatilassa puhelin on. Jos esillä olevan regulaattorikytkennän 5 tapaista kytkentää käytetään matkapuhelimessa, puhetilan kuormavirta on tyypillisesti noin 2,5-kertainen odotustilan kuormavirtaan verrattuna.

Eräissä tunnetuissa ratkaisuissa kuormavirtaa niitataan ja PNP-transistorin kantavir-taa säädetään siten, että kantavilta on verrannollinen kuormavirran hetkelliseen ar-10 voon. Virran mittaaminen edellyttää kuitenkin jonkin sarjakomponentin sijoittamista virtatielle Vin - Vout. Suurella kuormavirralla sarjakomponentissa tapahtuva jännitehäviö kasvattaa jännitepudotusta Vdropout, mikä on ristiriidassa tavoitellun vähä-pudotteisuuden kanssa. Lisäksi virranmittauspiirit kuluttavat itsekin virtaa ja tekevät kytkennän monimutkaisemmaksi, suuremmaksi ja kalliimmaksi toteuttaa.

15

On myös tunnettua ohjata PNP-transistorin 13 kantavilta kuormaan. Kuva 2 esittää patentin US 4 613 809 mukaista regulaattorikytkentää, joka tavoittelee tällaista ratkaisua. Patentin selitysosassa mainitaan, että quiescent-virta ohjautuu kuormaan, kun jännite-ero Vin-Vout on yli 1,5 V. Edellä esitetyssä esimerkkitapauksessa tämä 20 tarkoittaa, että virransäästö toimii vain, kun akkujännite on yli 5,2 V, joten saavutetulla virransäästöllä on vain vähäistä käytännön merkitystä.

Patentissa US 4 906 913 ja sen mukaisessa kuvassa 3 on esitetty toinen kytkentä, jossa PNP-transistorin 26 kantavilta ohjataan kuormaan. Patentin selitysosassa 25 mainitaan, että virransäästö toimii pienemmällä jännitepudotuksella kuin patentin US 4 613 809 tapauksessa, mikä johtuu siitä, että kantavirtatiellä on yksi diodiliitos vähemmän kuin aikaisemmin, mikä oletetulla 0,6 V:n liitosjännitteellä tarkoittaa vir-ransäästöä 1,5 V:n sijasta 0,9 V:n jännite-erolla Vin-Vout. Esimerkkinä olleessa neljän akkukennon tapauksessa ei saavuteta virransäästöä, kun akkujännite on välillä 30 4,0 - 4,6 V. Lisäksi kytkentään kuuluva erovahvistin 80 kuluttaa quiescent-virtaa, vaikka sille ei piirroskäytännön mukaisesti ole piirretty käyttöjännitekytkentää.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on esittää menetelmä ja piiri, jolla pienennetään elektronisen laitteen, edullisesti akulla toimivan laitteen, tehonkulutusta, jolloin 35 akun toiminta-aikaa saadaan pidennettyä. Menetelmän mukaisen piirin tulee olla rakenteeltaan yksinkertainen ja sen tulee soveltua akku-ja paristokäyttöisiin laitteisiin, joiden virrankulutus eri toimintatiloissa tunnetaan ja joissa toimitaan alhaisilla käyttöjännitteillä.

5 101109

Keksinnössä hyödynnetään sitä tietoa, että laitteen virrankulutus eri toimintatiloissa tunnetaan. Keksintö perustuu oivallukseen, jonka mukaan regulaattorin quiescent-virta voidaan erikseen säätää kunkin toimintatilan edellyttämään arvoon, kun nämä arvot ovat etukäteen tiedossa. Tällaisella järjestelyllä vältetään tunnetun tekniikan 5 haitat, kuten turha virrankulutus kuormavirran vaihdellessa ja monimutkaiset virta-tai jännitemittauskytkennät, joissa on lisäongelmana pienen jännitepudotuksen aikaansaaminen.

Keksinnön perusajatus on järjestää regulaattoriin vaihtoehtoisia kantavirtateitä, jotka 10 mitoitetaan siten, että kytkemällä niitä eri tavoin sarjatransistorin kannan ja maapo-tentiaalin välille transistorin kantavilta saadaan vastaamaan kulloisenkin toimintatilan ja vastaavan tehonkulutuksen edellyttämää kuormavirran arvoa.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että elektronisen laitteen 15 ainakin yhden jänniteregulaattoiin sarjatransistorin kantavilta ohjataan pienemmäksi ja nollasta poikkeavaksi sellaisena ajankohtana, kun regulaattorilta ei vaadita suurinta mahdollista kuormavirtaa, ja tämä ajankohta on elektronisen laitteen tiedossa.

Keksinnön mukaiselle elektroniselle laitteelle on tunnusomaista se, että laitteen jän-20 niteregulaattoriin on järjestetty ainakin yksi ylimääräinen välitulo, ja laitteen jänni-teregulaattori käsittää virtatien kantavirran johtamiseksi sarjatransistorin kannan ja jonkin toisen kytkentään kuuluvan pisteen välillä, joka virtatie käsittää virransäätö-elimen, jolla on ainakin ensimmäinen ja toinen tila, joissa sen läpi kulkee virtaa ja joista ensimmäisessä tilassa virransäätöelimen läpi kulkee enemmän virtaa kuin toi-25 sessa tilassa, ja mainittu ylimääräinen välitulo on jäljestetty ohjaamaan mainittu virransäätöelin ensimmäiseen tilaan tai toiseen tilaan.

Keksinnön mukaiselle jänniteregulaattorille on tunnusomaista se, että se käsittää ylimääräisen välitulon ja virtatien kantavirran johtamiseksi saijatransistorin kannan ja 30 jonkin toisen kytkentään kuuluvan pisteen välillä, joka virtatie käsittää virransäätöelimen, jolla on ainakin ensimmäinen ja toinen tila, joissa sen läpi kulkee virtaa ja joista ensimmäisessä tilassa virransäätöelimen läpi kulkee enemmän virtaa kuin toisessa tilassa, ja mainittu ylimääräinen välitulo on jäljestetty ohjaamaan mainittu virransäätöelin ensimmäiseen tilaan tai toiseen tilaan.

35

Keksinnön mukaisessa menetelmässä regulaattorikytkennän sarjatransistorin kanta-virtaa ei ohjata kuormaan kuten tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa, mutta sillä 6 101109 saavutetaan silti tekniikan tasoa parempi säästö tehonkulutuksessa. Virrankulutusar-vojen suhteita voidaan havainnollistaa tarkastelemalla esimerkinomaisesti matkapuhelinta, jonka virrankulutus on odotustilassa 25 mA ja puhetilassa 400 mA. Odotustilan virta ja osa puhetilan virrasta kulkee keksinnön mukaisen regulaattorin 5 kautta. Keksinnön mukaisessa regulaattorikytkennässä, jonka teknisiä yksityiskohtia selostetaan jäljempänä, odotustilaa vastaava lepovirta on noin 0,6 mA pienempi kuin puhetilaa vastaava lepovirta. Odotustilan virransäästö on siis 2,4 % koko odotustilan virrankulutuksesta. Jos puhelin on koko akun kestoajan odotustilassa, akun kestoaika pitenee edellä mainitusta 40 tunnista noin tunnilla. Puhetilassa taas mainittu 0,6 10 mA:n lisäys lepovirtaan, jota ei ohjata kuormaan ja joka kuluu siis tavallaan hukkaan, on noin 0,15 % koko virrankulutuksesta, mikä lyhentää edellä mainittua kahden tunnin puheaikaa vain noin 10 sekuntia. Keksinnön mukaisella menetelmällä, joka perustuu lepovirran minimoimiseen niinä aikoina, kun regulaattorikytkennältä ei vaadita täyttä kuormavirtaa, saavutetaan siis merkittävää etua.

15

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti erään edullisen suoritusmuodon avulla ja viittaamalla oheisiin kuviin, joissa kuva 1 esittää kaaviona jänniteregulaattorin toimintaa ja asemaa virtapiirissä, 20 kuva 2 esittää patentista US 4 613 809 tunnettua regulaattorikytkentää, jossa sarjatransistorin kantavilta ohjataan kuormaan, kuva 3 esittää patentista US 4 906 913 tunnettua toista regulaattorikytkentää, 25 jossa saijatransistorin kantavilta ohjataan kuormaan, kuva 4 esittää keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista kytkentää, ja kuva 5 esittää muunnelmaa kuvan 4 kytkennästä.

30

Kuvia 1, 2 ja 3 selostettiin jo edellä tekniikan tason selostuksen yhteydessä, joten seuraavassa keksintöä selostetaan viittaamalla lähinnä kuviin 4 ja 5.

Kuvassa 4 käytetään seuraavia merkintöjä: 35 Vbat akkujännite, jonka arvo on 4,0 V - 5,5 V (neljä kennoa)

Vref tarkka vertailujännite 3,3 V

Vrx vastaanotinasteiden käyttöjännite 3,7 V

Vtx lähetinsynteesiasteiden käyttöjännite 3,5 V

7 101109

Vsx kytkentäjännite, jolla kytketään Vtx päälle ja pois (OV / 3,3 V)

Iql lepovirta (quiescent-virta) vastuksen Rel kautta Iq2 lepovirta (quiescent-virta) vastuksen R4 kautta

Iq3 lepovirta (quiescent-virta) vastuksen Re2, diodin Dl ja transistorin T4 5 kautta

Irx vastaanottimen kuluttama virta 25 mA

Itx lähetinsynteesin kuluttama virta 40 mA.

Kuvassa 4 on regulaattorikytkentä 100, joka syöttää sekä vastaanotin- että lähetin-10 synteesipiirejä. Vastaanotinpiirien jännite Vrx on aina päällä, kun puhelimeen on kytketty virta, mutta lähetinsynteesin käyttöjännite Vtx on päällä vain, kun puhelin on puhelutilassa tai se päivittää sijaintiaan solukkoverkossa. Aika, jonka puhelin on puhelutilassa, on tyypillisesti hyvin lyhyt verrattuna odotustila-aikaan, jonka aikana vain vastaanotinpiirit ovat kytkettyinä. On hyvin tärkeää minimoida puhelimen vir-15 rankulutus odotustilassa. Mikäli regulaattorin quiescent-virta mitoitetaan puhelutilan virrankulutuksen mukaan, odotustilan aikana sähkötehoa kuluu hukkaan. Esimerkkitapauksessa transistorin Tl kantavilta on puhelutilassa noin 2,5-kertainen odotustilaan verrattuna, koska regulaattorin läpi kulkeva kuormavirta on odotustilassa 25 mA ja puhelutilassa 65 mA. Regulaattorin kuormavirta määritellään sen syöttämiin 20 kuormiin menevien virtojen summana; tässä tapauksessa kuormavirran suuruus on Irx+Itx.

Keksinnön mukaisessa kytkennässä käytetään hyväksi kytkentäsignaalia Vsx, jolla puhelimen prosessori (ei esitetty kuvassa) kytkee puhelutilan alkaessa käyttöjännit-25 teen Vtx lähetinasteille. Keksinnössä käytetään samaa signaalia kontrolloimaan transistorin Tl kantavirtaa siten, että kantavirtaa lisätään puhelutilan ajaksi, jolloin kuormavirta Irx+Itx on suuri.

Transistorit T5 ja T4 ja vastus R2 muodostavat kytkinpiirin, jolla prosessori kytkee 30 lähetinsynteesin käyttöjännitteen Vtx päälle. Transistori T4 ohjaa transistoria T5 niin, että kun Vsx on positiivinen (esimerkissä 3,3 V), T4 on johtavassa tilassa ja sen kollektori on lähes maapotentiaalissa. Transistorin T5 kannan potentiaali on tällöin noin 0,6 V pienempi kuin vastaanottimen kuormajännite Vrx. Kun ohjaus-jännite Vsx on nollassa, transistorin T4 kollektorijännite on korkeampi kuin transis-35 torien T2 ja T3 yhteisen emitteripisteen jännite.

Regulaattorin 100 jännitteensäätäjänä toimii differentiaalipari T2/T3. Transistorin T3 kannalle tuodaan tarkka vertailujännite Vref. Koska transistorien T2 ja T3 emit- 8 101109 terit on kytketty yhteen, T2:n kannalle muodostuu sama jännite kuin T3:n kannalle. Sarjatransistorin Tl kollektorilta otetaan takaisinkytkentä säätäjälle vastuksista R3 ja R4 muodostetulla jännitteenjakajalla. Jos lähtöjännite pyrkii muuttumaan, tieto siitä välittyy transistorin T2 kannalle ja differentiaalipa!! koijaa välittömästi virheen.

5 Koska säätöpiirissä ei ole takaisinkytkentää hidastavia aikavakioita, säädön hitaudesta johtuvaa jännitteen heilumista ei tapahdu. Regulaattorin lähtöjännite määräytyy resistanssien R3 ja R4 keskinäisestä suhteesta. Vastusten resistanssit valitaan mahdollisimman suuriksi, jotta niiden kautta kulkeva virta ei lisää virrankulutusta.

Ne voidaan valita niin, että vastusten R3 ja R4 kautta kulkeva virta Iq2 on merkityk-10 setön verrattuna transistorin Tl kantavirtaan Ib.

£simerkkikytkennässä on sarjatransistorina PNP-tyyppinen transistori Tl, jonka emitteri-kollektori -kyllästymisjännite (saturaatiojännite) on pieni, tyypillisesti alle 200 mV maksimikuormavirralla. Virtatiellä Vin - Vout ei ole muita saijakomponent-15 teja, joten regulaattorin jännitepudotus on pieni. Transistorin T1 kantavilta määräy tyy transistorien T2 ja T3 yhteisen emitteripisteen ja maapotentiaalin välisestä resistanssista. Jotta kytkentä olisi esillä olevan keksinnön mukainen, transistorin Tl kantavirtaa Ib on voitava säätää kuormitustilanteen mukaan tiettyjen arvojen välillä. Esimerkkikytkennässä T2:n ja T3:n yhteisestä emitteripisteestä on kytketty suoraan 20 maapotentiaaliin vastus Re 1. Lisäksi siitä on kytketty vastuksen Re2 ja diodin D1 muodostama sarjapiiri ohjaintransistorin T4 kollektorille siten, että kun T4 on johtavassa tilassa, diodin Dl katodi kytkeytyy maapotentiaaliin ja vastus Re2 kytkeytyy näin ollen diodin Dl kautta vastuksen Rel rinnalle vähentäen sarjatransistorin Tl kantavirtatien resistanssia, mikä kasvattaa kantavirtaa Ib. Transistorin T4 tekee joh-25 tavaksi positiivinen ohjausjännite Vsx, jonka pääasiallinen tarkoitus on käyttöjännitteen Vtx kytkeminen lähetinsynteesiin. Diodi Dl estää jännitteensäätäjänä toimivan differentiaaliparin T2/T3 häiriintymisen, kun transistori T4 ei ole johtavassa tilassa ja sen kollektorilla on differentiaaliparin T2/T3 emitteripistettä korkeampi potentiaali.

30 . Keksintö ei rajoitu sarjatransistorin kantavirran vaihtelemiseen kahden arvon välillä.

Laitteella, jossa regulaattoria käytetään, voi olla useita toimintatiloja, joihin liittyy tilalle ominainen ja ennalta määrätyn suuruinen kuormavirta Irx+Itx. Edellä selostettu kuvan 4 esimerkkikytkentä voidaan mukauttaa tällaisiin tilanteisiin kuvan 5 35 mukaisesti lisäämällä vaihtoehtoisia virtateitä transistorien T2 ja T3 emitteripisteen ja maapotentiaalin välille. Kuvassa 5 on lisätty yksi vaihtoehtoinen virtatie, joka käsittää vastuksen Re3, suojadiodin D2 ja kytkimenä toimivan transistorin T6 muodostaman sarjapiirin, jolle tulee oma ohjaussignaali TX on/off. Kukin vaihtoehto!- 9 101109 nen virtatie käsittää resistiivisen elementin, suojadiodin ja kytkinelementin. Näistä suojadiodi on tarpeellinen vain, jos virtatie on kytketty siten, että se muuten jossain tilassaan kytkisi transistoreiden T2 ja T3 emitteripisteen sitä korkeampaan potentiaaliin.

5

Ohjausjännitteet Vsx ja TX on/off tuodaan regulaattorikytkentään 101 ulkopuolisesta piiristä (ei kuvassa), joka ohjaa laitteen toiminnan ajoitusta. Matkapuhelimessa tämä laite on tyypillisesti puhelimen prosessori, joka toteaa tukiaseman lähettämän kutsuviestin tai käyttäjän toimenpiteen perusteella, että puhelin on muutettava odo-10 tustilasta puhelutilaan, ja kytkee ohjausjännitteen Vsx ja transistorien T4 ja T5 välityksellä lähetinsynteesin käyttöjännitteen Vtx päälle. Mikäli puhelimella on useita toimintatiloja ja regulaattoriin on edellä esitetyn mukaisesti jäljestetty useita vaihtoehtoisia virtateitä sarjatransistorin kantavirralle, ohjaussignaalit näiden virtateiden kytkemiseksi, joista esimerkkinä TX on/off, otetaan vastaavasti niistä prosessorin 15 antamista signaaleista, jotka ilmaisevat kunkin toimintatilan alkua.

Sarjatransistorin Tl kantavirran Ib asettamiseksi haluttuihin arvoihin voidaan käyttää myös vakiovirtageneraattoreita, jotka sinänsä ovat tunnettuja. Vakiovirtagene-raattori kytkettäisiin esimerkkikytkennässä vastuksen Re2 ja diodin Dl muodosta-20 man sarjapiirin paikalle. Mikäli regulaattorikytkentä ja virransäätöpiiri integroidaan samalle IC-piirille, vakiovirtageneraattorina on edullista käyttää virtapeiliä, joka sinänsä on alan ammattimiehen tuntema piirielin.

Sarjatransistorin Tl kantavirta voidaan ohjata myös sellaisen virtatien kautta, jonka 25 kytkinelimen tilat eivät vastaa pelkästään auki- ja kiinni-asentoja. Jos kytkinelimenä (T4; T6) on bipolaaritransistori kuvien 4 ja 5 mukaisesti, muuttamalla sen kanta-jännitettä (Vsx; TX on/off) pienin askelin voidaan virtatien läpi ohjata suurempi tai pienempi virta. Tällöin kytkintransistorin (T4; T6) kantajännitettä ei tosin voida ottaa prosessorilta tai muulta regulaattorin toimintaa ohjaavalta digitaalipiiriltä suo-30 raan vaan esimerkiksi sopivan D/A-muunnoksen kautta. Keksinnössä on tarkoitus . välttää regulaattorin kuormavirran mittaamista, jotta regulaattorin vähäpudotteisuus voidaan säilyttää, joten keksinnön mukaisesti myös mainitut pienin askelin toteutetut muutokset sarjatransistorin Tl kantavirrassa suunnitellaan etukäteen vastaamaan tiettyjä sen laitteen toimintatiloja, jolle regulaattori syöttää sähkötehoa.

35

Keksinnön avulla saadaan yksinkertaisesti pienennettyä sellaisen elektronisen laitteen virrankulutusta, joka sisältää ainakin yhden regulaattorin, asettamalla regulaattorissa olevan sarjatransistorin kantavirta vastaamaan kulloisenkin kuormavirran ar- ίο 101109 voa. Keksintö soveltuu käytettäväksi erityyppisissä elektronisissa laitteissa, erityisesti akku-ja paristokäyttöisissä laitteissa, kuten matkapuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, kannettavissa telekopiokoneissa (eli telefaxkoneissa), kannettavissa kopiokoneissa, kannettavissa oskilloskoopeissa ja muissa kannettavissa mittalaitteis-5 sa sekä esim. kannettavissa sairaalalaitteissa jne, jolloin akun käyttöaikaa saadaan pidennettyä.

« I

Claims (16)

101109 π

1. Menetelmä ainakin yhden jänniteregulaattorin (100; 101) sisältävän elektronisen laitteen tehonkulutuksen pienentämiseksi, joka regulaattori käsittää sen läpi kulkevan kuormavirran (Irx+Itx) kannalta sarjaan kytketyn sarjatransistorin (Tl), tun-5 nettu siitä, että elektronisen laitteen ainakin yhden jänniteregulaattorin saijatransis-torin (Tl) kantavilta (Ib) ohjataan pienemmäksi ja nollasta poikkeavaksi sellaisena ajankohtana, kun regulaattorilta ei vaadita suurinta mahdollista kuormavirtaa (Irx+Itx), ja tämä ajankohta on elektronisen laitteen tiedossa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sarjatransis torin (Tl) kantavirtatie käsittää ainakin kaksi haaraa (Rel; Re2-Dl-T4) kantavirran (Ib) johtamiseksi sarjatransistorin kannan ja jonkin toisen kytkentään kuuluvan pisteen välillä, joista haaroista ainakin yksi (Re2-Dl-T4) käsittää kytkinelimen (T4), ja kantavirran ohjaaminen pienemmäksi toteutetaan asettamalla mainittu kytkinelin 15 auki-tilaan, jolloin sen läpi oleellisesti ei kulje virtaa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sarjatransistorin (Tl) kantavirtatie kantavirran (Ib) johtamiseksi sarjatransistorin kannan ja jonkin toisen kytkentään kuuluvan pisteen välillä käsittää virransäätöelimen (T4), 20 jolla on ainakin kaksi tilaa, joista ensimmäisessä tilassa virransäätöelimen läpi kulkee enemmän virtaa kuin toisessa tilassa, ja kantavirran (Ib) ohjaaminen pienemmäksi toteutetaan asettamalla mainittu virransäätöelin (T4) ensimmäisestä tilasta toiseen tilaan.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elekt ronisen laitteen ainakin yhden jänniteregulaattorin sarjatransistorin (Tl) kantavilta (Ib) järjestetään pienemmäksi sellaisena ajankohtana, kun elektroninen laite on päällä, mutta toiminnallisesti passiivisessa tilassa.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektronisena laitteena on matkapuhelin, jonka ainakin yhden jänniteregulaattorin sarjatransistorin (Tl) kantavilta (Ib) järjestetään pienemmäksi samalla, kun matkapuhelin kytketään ns. virransäästötilaan.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektronisena laitteena on solukkomatkapuhelin, jossa matkapuhelinjärjestelmässä on tukiasemia ja tukiaseman ja matkapuhelimen väliseen liikennöintiin on jäljestetty ohjauskanava, ja matkapuhelimen ainakin yhden jänniteregulaattorin sarjatransisto- 101109 rin (Tl) kantavilta (Ib) jäljestetään pienemmäksi tukiasemalta vastaanotettavien kahden peräkkäisen ohjauskanavaviestin väliseksi ajaksi.

7. Elektroninen laite, joka käsittää ainakin yhden jänniteregulaattorin (100; 101), 5 joka käsittää sen läpi kulkevaksi järjestettävän kuormavirran (Irx+Itx) kannalta sarjaan kytketyn sarjatransistorin (Tl), tunnettu siitä, että laitteen jänniteregulaattoriin on järjestetty ainakin yksi ylimääräinen välitulo (Vsx), ja laitteen jänniteregulaattori käsittää virtatien kantavirran (Ib) johtamiseksi mainitun sarjatransistorin (Tl) kannan ja jonkin toisen kytkentään kuuluvan pisteen välillä, joka virtatie käsittää virran-10 säätöelimen (T4), jolla on ainakin ensimmäinen ja toinen tila, joissa sen läpi kulkee virtaa ja joista ensimmäisessä tilassa virransäätöelimen läpi kulkee enemmän virtaa kuin toisessa tilassa, ja mainittu ylimääräinen välitulo (Vsx) on järjestetty ohjaamaan mainittu virransäätöelin (T4) ensimmäiseen tilaan tai toiseen tilaan.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen elektroninen laite, tunnettu siitä, että mainit tu virtatie käsittää ainakin kaksi haaraa (Rel; Re2-Dl-T4) kantavirran (Ib) johtamiseksi mainitun sarjatransistorin (Tl) kannan ja jonkin toisen kytkentään kuuluvan pisteen välillä, joista haaroista ainakin yksi (Re2-Dl-T4) käsittää virransäätöelimenä toimivan kytkinelimen (T4), ja mainittu ylimääräinen välitulo (Vsx) on järjestetty 20 ohjaamaan mainittu kytkinelin (T4) auki-tilaan tai kiinni-tilaan.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että ainakin yksi mainituista virtateistä (Rel; Re2-Dl-T4) käsittää vakiovirtageneraattorin.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu vakiovir- tageneraattori on toteutettu virtapeilikytkennällä.

11. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu jänniteregulaattori käsittää 30 - vertailujännitetulon (Vref), - transistoreista muodostetun differentiaaliparin, joka käsittää ensimmäisen transistorin (T3) ja toisen transistorin (T2), joiden emitterit on kytketty yhteen, - ensimmäisen virtatien (Rel) ja toisen virtatien (Re2, Dl), - jännitteenjakajan (R3, R4), 35. ensimmäisen kytkintransistorin (T5) ja toisen kytkintransistorin (T4), sekä - ensimmäisen lähtöportin (Vrx) ja toisen lähtöportin (Vtx), jotka on kytketty siten, että 101109 - differentiaaliparin ensimmäisen transistorin (T3) kollektorille on kytketty sarja-transistorin (Tl) kantaja kannalle vertailujännite (Vref), - differentiaaliparin toisen transistorin (T2) kollektorille on kytketty saijatransistorin (Tl) lähtöjä kannalle takaisinkytkentäjännite saijatransistorin lähdöstä mainitun 5 jännitteenjakajan kautta, - ensimmäinen virtatie (Rel) on kytketty differentiaaliparin (T2, T3) yhteisestä emitteripisteestä maapotentiaaliin ja toinen virtatie (Re2, Dl) on kytketty samasta pisteestä toisen kytkintransistorin (T4) kautta maapotentiaaliin, - ensimmäinen lähtöportti (Vrx) on kytketty saijatransistorin (Tl) lähtöön ja toinen 10 lähtöportti (Vtx) on kytketty ensimmäisen kytkintransistorin (T5) kautta saijatransis- torin (Tl) lähtöön, - ensimmäisen kytkintransistorin (T5) kanta on kytketty toisen kytkintransistorin (T4) kautta maapotentiaaliin, ja - toisen kytkintransistorin kanta on kytketty ylimääräiseen välituloon (Vsx). 15

12. Jänniteregulaattori jännitelähteestä (VBat) saatavan jännitteen reguloimiseksi, joka jänniteregulaattori käsittää sen läpi kulkevan kuormavirran (Irx+Itx) kannalta sarjaan kytketyn saijatransistorin (Tl), tunnettu siitä, että se käsittää ylimääräisen välitulon (Vsx) ja virtatien kantavirran (Ib) johtamiseksi mainitun saijatransistorin 20 (Tl) kannan ja jonkin toisen kytkentään kuuluvan pisteen välillä, joka virtatie käsittää virransäätöelimen (T4), jolla on ainakin ensimmäinen ja toinen tila, joissa sen läpi kulkee virtaa ja joista ensimmäisessä tilassa virransäätöelimen läpi kulkee enemmän virtaa kuin toisessa tilassa, ja mainittu ylimääräinen välitulo (Vsx) on järjestetty ohjaamaan mainittu virransäätöelin (T4) ensimmäiseen tilaan tai toiseen tilaan. 25

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jänniteregulaattori, tunnettu siitä, että mainittu virtatie käsittää ainakin kaksi haaraa (Rel; Re2-Dl-T4) kantavirran (Ib) johtamiseksi mainitun saijatransistorin (Tl) kannan ja jonkin toisen kytkentään kuuluvan pisteen välillä, joista haaroista ainakin yksi (Re2-Dl-T4) käsittää virransäätöelimenä 30 toimivan kytkinelimen (T4), ja mainittu ylimääräinen välitulo (Vsx) on järjestetty ohjaamaan mainittu kytkinelin (T4) auki-tilaan tai kiinni-tilaan.

14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen jänniteregulaattori, tunnettu siitä, että ainakin yksi mainituista virtateistä (Rel; Re2-Dl-T4) käsittää vakiovirtageneraatto- 35 rin.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen jänniteregulaattori, tunnettu siitä, että mainittu vakiovirtageneraattori on toteutettu virtapeilikytkennällä. 101109

16. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen jänniteregulaattori, tunnettu siitä, että se käsittää - vertailujännitetulon (Vref), - transistoreista muodostetun differentiaaliparin, joka käsittää ensimmäisen transis-5 torin (T3) ja toisen transistorin (T2), joiden emitterit on kytketty yhteen, - ensimmäisen virtatien (Rel) ja toisen virtatien (Re2, Dl), - jännitteenjakajan (R3, R4), - ensimmäisen kytkintransistorin (T5) ja toisen kytkintransistorin (T4), sekä - ensimmäisen lähtöportin (Vrx) ja toisen lähtöportin (Vtx), 10 jotka on kytketty siten, että - differentiaaliparin ensimmäisen transistorin (T3) kollektorille on kytketty saija-transistorin (Tl) kantaja kannalle vertailujännite (Vref), - differentiaaliparin toisen transistorin (T2) kollektorille on kytketty saijatransistorin (Tl) lähtöjä kannalle takaisinkytkentäjännite saijatransistorin lähdöstä mainitun 15 j ännitteenjakajan kautta, - ensimmäinen virtatie (Rel) on kytketty differentiaaliparin (T2, T3) yhteisestä emitteripisteestä maapotentiaaliin ja toinen virtatie (Re2, Dl) on kytketty samasta pisteestä toisen kytkintransistorin (T4) kautta maapotentiaaliin, - ensimmäinen lähtöportti (Vrx) on kytketty saijatransistorin (Tl) lähtöön ja toinen 20 lähtöportti (Vtx) on kytketty ensimmäisen kytkintransistorin (T5) kautta sarjatransis- torin (Tl) lähtöön, - ensimmäisen kytkintransistorin (T5) kanta on kytketty toisen kytkintransistorin (T4) kautta maapotentiaaliin, ja - toisen kytkintransistorin kanta on kytketty ylimääräiseen välituloon (Vsx). 101109