TWI664434B

TWI664434B - 用於偵測一能量儲存器件之電阻參數的具有監督電路之電子器件

Info

Publication number: TWI664434B
Application number: TW104117846A
Authority: TW
Inventors: 李英希; 李云明; 丹尼斯麥克思微斯特; 大衛西歐德布勞
Original assignee: 美國密西根州立大學
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2019-07-01
Also published as: TW201610455A; CN105162182B; US20150355281A1; US9429627B2; CN105162182A; KR102424001B1; KR20150140238A

Abstract

一種電子器件具有一能量儲存器件及被供以來自該能量儲存器件之一儲存器件電壓之電路。一監督電路回應於該儲存器件電壓超過一啟用臨限電壓而啟用該電路。該監督電路偵測指示該能量儲存器件之一內部電阻之一電阻參數且基於該電阻參數而調整該啟用臨限電壓。

Description

用於偵測一能量儲存器件之電阻參數的具有監督電路之電子器件

本發明技術係關於電子器件之領域。更特定而言，該技術係關於具有一能量儲存器件之電子器件，在該等電子器件中，當來自該能量儲存器件之一儲存器件電壓超過一啟用臨限電壓時啟用電路。

一電子器件可具有一能量儲存器件，諸如一電池或一電容器。自該能量儲存器件供應之一儲存器件電壓可(舉例而言)取決於溫度或取決於被供以該電壓之該電路之能量消耗而隨時間變化。該電路可需要一最小電壓來操作，且因此該電路可僅在該儲存器件電壓超過一啟用臨限電壓之情況下經啟用。

自一項態樣觀察，本發明技術提供一種電子器件，其包括：一能量儲存器件；電路，其被供以來自該能量儲存器件之一儲存器件電壓；及一監督電路，其經組態以回應於該儲存器件電壓超過一啟用臨限電壓而啟用該電路；其中該監督電路經組態以偵測指示該能量儲存器件之一內部電阻之一電阻參數且基於該電阻參數調整該啟用臨限電壓。

在已知系統中，該啟用臨限電壓通常係經設定以適應最糟糕情形之狀況之一固定臨限值。當該儲存器件電壓超過該臨限值且該電路經啟用時，一電流自該能量儲存器件被汲取，此導致該儲存器件電壓之一立即下降。該電壓降與該能量儲存器件之該內部電阻成比例。該內部電阻可變化，此乃因(舉例而言)該電阻可係取決於溫度的且可在該能量儲存器件經充電及經放電時隨時間而增加。因此，通常該啟用臨限電壓經設定有一容限以考慮到將在該儲存器件之壽命內所預期之最糟糕情形之情景中啟用該電路時發生之該電壓降。此額外容限減小該電路可在其中操作之電壓之可使用範圍且使正被啟用之電路延遲，使得較不高效地利用可獲得之能量。

為解決此等問題，本發明技術提供偵測指示該能量儲存器件之一內部電阻之一電阻參數且基於該電阻參數調整該啟用臨限電壓之一監督電路。此允許將該啟用臨限電壓調適至該能量儲存器件之改變之內部電阻，從而避免對該啟用臨限電壓中之任何額外容限之需要。此允許較早地啟用該電路，而不發生由該容限所導致之一延遲。此外，由於考慮到該能量儲存器件之電阻，因此可減小電路在經啟用狀態與經停用狀態之間震盪之風險。

該能量儲存器件可係一電池或可係一電容器或超電容器。一電容器之內部電阻趨向於隨時間保持相對恆定(與其中電阻趨向於隨充電/放電循環之增加次數而增加之一電池不同)。即使電阻不隨時間顯著變化，本發明技術仍可係有用的，此乃因電路及監督電路可經設計用於與可具有不同電阻之眾多不同類型之能量儲存器件一起使用，且本發明技術允許該監督電路自動調適至已選定之能量儲存器件之特定電阻。此避免基於具有最糟糕情形電阻之能量儲存器件設定啟用臨限電壓之容限之需要。

然而，若該能量儲存器件係一電池，則本發明技術尤其係有用的。電池健康狀況隨放電循環而降低且因此電池之內部電阻可隨時間而增加。藉由將該啟用臨限電壓調適至該電池之該內部電阻，不需要基於所預期之最糟糕情形之電阻而設定該臨限值之容限，設定該臨限值之容限將在電池接近其壽命之開始時導致啟用該電路時之一顯著延遲。此技術對於採用具有(例如)大約7kΩ之一高內部電阻之小的電池之小的電子器件(諸如無線感測器節點)尤其係有利的。

能量儲存器件可具備用於採收用以對該能量儲存器件進行充電之周圍能量之一能量採收單元。取決於可獲得之周圍能量之量，自儲存器件提供之電壓可變化，且因此具有能量採收單元之器件通常可施加一啟用電壓臨限值以用於判定是否啟用電路。因此，本發明技術對於具有一能量採收單元(諸如無線感測器節點)之器件尤其係有用的。該能量採收單元可(舉例而言)包括用於自太陽輻射採收能量之一光伏打電池、用於自溫度梯度採收能量之一熱電器件、用於自聲或機械振動採收能量之一振動採收器或用於自諸如無線電波之電磁輻射採收能量之一電磁能量採收器。

監督電路可回應於儲存器件電壓下降低於一停用臨限電壓而停用電路。該停用臨限電壓可小於啟用臨限電壓。此提供某些滯後性以避免其中快速連續地重複啟用及停用電路之震盪。在使用一固定臨限值之先前系統之情況下，需要介於啟用臨限值與停用臨限值之間的一大的容限以確保當電路經啟用時，IR電壓降甚至在能量儲存器件具有一極高電阻時亦不會致使儲存器件電壓下降低於停用臨限電壓。藉由將該啟用臨限電壓調適至經偵測電阻參數，不需要提供此一容限，使得不會不必要地延遲電路之啟用且因此在電壓係足夠高以使用電路時之時間之總量可增加。

監督電路可以各種方式調整啟用臨限電壓。舉例而言，該啟用臨限電壓可經設定為對應於一目標臨限電壓與一容限電壓之一總和之一值，其中該容限電壓取決於電阻參數。因此，該目標臨限電壓可係期望在其處接通電路之有效臨限電壓(在理想情形中假定不存在IR壓降)，且該容限電壓表示將在電路經啟用時發生之所預期IR壓降，使得甚至在內部電阻增加時，啟用電路之後的儲存器件電壓仍將停留於有效臨限電壓處。舉例而言，該容限電壓可對應於I_SYSTEM x R_STORAGE，其中I_SYSTEM係由經啟用時之電路汲取之最大電流，且R_STORAGE係儲存器件之內部電阻。在小的無線系統中，在啟用電路時之電流I_SYSTEM通常係定義明確的，此乃因無線感測器節點趨向於具有不會顯著變化之一定義明確之操作。因此，基於表示R_STORAGE之所量測電阻參數而將臨限電壓更新至目標臨限電壓加I_SYSTEM x R_STORAGE係可行的。

儘管啟用臨限電壓可對應於目標臨限電壓與一容限電壓之總和，但不需要實際執行此加法。替代地，監督電路可具有眾多可獲得之臨限電壓位準且可選擇經預期對應於容限電壓及目標臨限電壓之總和之此等臨限電壓中之一者。舉例而言，該監督電路可具有產生多個不同臨限位準(舉例而言，使用一分壓器)之一臨限電壓產生器。然後，可使用電阻參數來選擇由該臨限電壓產生器產生之該等電壓中之一者，以供用作啟用臨限電壓。該臨限電壓產生器可經組態在容限電壓與電阻成比例時使得電阻參數與選定啟用臨限電壓位準之間的關係追蹤目標臨限電壓與容限電壓之所預期總和。

監督電路可在任何時間處(舉例而言，週期性地或回應於特定事件)觸發對電阻參數之偵測及對啟用臨限電壓之調整。在一項實例中，對電阻參數之偵測及對啟用臨限電壓之調整可回應於儲存器件電壓超過該啟用臨限電壓之一電流值而發生。因此，當該儲存器件電壓超過該電流臨限值且因此正常地電路將在此時經啟用時，監督電路偵測電阻參數且調整該啟用臨限電壓以反映能量儲存器件之所量測電阻。此避免在電壓無論如何仍保持低於先前臨限值時，重複地調整該啟用臨限值之需要，且亦啟用電路以用於觸發啟用信號來重新用於亦觸發電阻監測。此方法對於其中內部電阻一般而言經預期隨時間增加之儲存器件(例如，其中電阻隨放電循環而增加之一電池)可係有用的。然而，若存在電阻有時可能降低之一可能性，則亦執行對(舉例而言)經週期性觸發之啟用臨限值之進一步重新校準可係有用的，以確保電路不永久地留在經停用狀態中。

監督電路可在儲存器件電壓超過啟用臨限值與啟用電路之間實施一延遲。此出於數個原因可係有用的。首先，在啟用電路之前可需要重新設定該電路且因此延遲週期提供用於此之時間。此外，提供一延遲有助於防止可在儲存器件電壓僅暫時地上升高於啟用臨限值且然後再次下降低於該啟用臨限值時發生之震盪。因此，若該儲存器件電壓至延遲週期結束時不再超過臨限值，則可抑制電路之啟用。此機制在正調整臨限電壓時亦係有用的，此乃因由上升高於先前臨限值之儲存器件電壓觸發之對該臨限值之調整可致使該臨限值被設定得更高，使得至延遲週期之結束時，儲存器件電壓不再超過該臨限值。因此，延遲提供使電阻監測完成之時間以避免在IR壓降將致使電壓下降得過低之情況下啟用電路。

可存在量測能量儲存器件之電阻之各種方式。監督電路可具有一測試電流產生器，該測試電流產生器自能量儲存器件汲取一測試電流以用於測試該能量儲存器件之內部電阻。當一測試電流經汲取時，系統對該測試電流之回應可給出對內部電阻之一指示。

自該能量儲存器件汲取一測試電流可導致一電壓降，且若電路仍連接至該儲存器件電壓，則此將導致錯誤。因此，可提供一隔離開關以在自該能量儲存器件汲取測試電流時將電路與該儲存器件電壓隔離。

在一項實例中，所監測電阻參數可指示在施加測試電流時儲存器件下降之一量。該電壓降可取決於所汲取之測試電流之量與儲存器件之內部電阻之乘積，且因此若測試電流之量係已知的，則可推斷該內部電阻。

另一選擇係，測試電流產生器可包含跨越能量儲存器件耦合之至少一個電容性元件。當汲取該測試電流時，可存在一電壓降，且然後該儲存器件電壓可以取決於至少一個電容性元件之電容及儲存器件之內部電阻兩者之一速率而再次上升。因此，藉由量測取決於電壓上升之該速率之一參數，可監測該內部電阻。

舉例而言，電阻參數可包括一計數值，該計數值表示在由測試電流導致之電壓降之後使儲存器件電壓上升至一樣本電壓位準所耗費之一時間。舉例而言，樣本電壓位準可經設定為在汲取該測試電流之前儲存器件電壓所具有之一位準之一分率。藉由相對於儲存電壓位準設定該樣本電壓位準，儲存電壓位準中之變化不影響所量測計數值，此將取決於電容性元件及儲存器件之RC時間常數，而非取決於影響電壓位準之其他因素，諸如溫度或電路負載。一計數器可回應於一計數時脈信號而使該計數值遞增，直至儲存器件電壓超過電壓位準之樣本為止(該計數器可在電壓回應於測試電流而下降時之點處，或在電壓上升高於一計數開始臨限值時之一稍後點處而開始計數)。用於產生計數時脈信號之一時脈產生器可藉由由一電壓調節器提供之一經調節電壓供電，此對防止時脈產生器之時脈頻率隨系統電流消耗而變化係有用的。

可以不同方式產生測試電流。然而，在一項實例中，測試電流產生器可具有若干個電容器及開關，該等開關可選擇該等電容器是跨越該能量儲存器件並聯耦合還是跨越該能量儲存器件串聯。該測試電流產生器可藉由將該等開關自一第一狀態切換至一第二狀態而產生該測試電流，在該第一狀態中，電容器經串聯耦合，且在該第二狀態中，該等電容器經並聯耦合。當串聯時，電容器經放電且該等電容器上之電荷流動回至能量儲存器件。當該等電容器然後經切換至一並聯狀態時，該儲存器件對該等電容器進行充電且自該儲存器件汲取一相對大的電流。此測試電流然後可用以監測內部電阻。在其中電阻參數表示RC時間常數之情形中，用於產生該測試電流之該等電容器亦可充當提供RC時間常數之「C」部分之電容性元件。

因此，在產生該測試電流之前，該測試電流產生器可將開關自其中電容器經並聯耦合之第二狀態(例如，自在監測儲存器件之電阻時之一先前例項保持之狀態)切換至其中該等電容器經串聯耦合之第一狀態。若在一個步驟中突然進行此切換，則在儲存器件電壓中可存在一大過沖(overshoot)，此可潛在地損壞電路。為減少損壞之可能性，可在多個步驟中將電容器自第二狀態切換至第一狀態，其中每一步驟僅將該等電容器之一子集串聯耦合在一起。藉由交錯該等電容器至串聯狀態中之切換，可減少對電路之損壞。

在本申請案中對電阻之提及應解釋為包含對阻抗之監測。一般而言，在下文實施例中所論述之對電阻之監測可視為以一相對低頻率偵測能量儲存器件之阻抗。在其他系統中，可以不同頻率及相位監測阻抗且基於所偵測阻抗設定電壓臨限值。

自另一態樣觀察，本發明技術提供一種電子器件，其包括：能量儲存構件，其用於儲存能量；電路構件，其用於被供以來自該能量儲存構件之一儲存器件電壓；及監督構件，其用於回應於該儲存器件電壓超過一啟用臨限電壓而啟用該電路構件；其中該監督構件經組態以偵測指示該能量儲存構件之一內部電阻之一電阻參數且基於該電阻參數而調整該啟用臨限電壓。

自又一態樣觀察，本發明技術提供一種用於包括一能量儲存器件及被供以來自該能量儲存器件之一儲存器件電壓之電路之一電子器件之方法；該方法包括：偵測該儲存器件電壓是否超過一啟用臨限電壓；回應於該儲存器件電壓超過該啟用臨限電壓而啟用該電路；偵測指示該能量儲存器件之一內部電阻之一電阻參數；及基於該電阻參數調整該啟用臨限電壓。

本發明技術之進一步態樣、特徵及優點將自對應參考附圖而閱讀之實例性實施例之以下說明而變得顯而易見。

2‧‧‧電子器件/器件

4‧‧‧電池

6‧‧‧電路

8‧‧‧監督電路/電池監督電路

10‧‧‧能量源

12‧‧‧能量採收器

20‧‧‧分壓器

22‧‧‧比較器/比較器輸出

23‧‧‧電壓參考產生器

24‧‧‧電源及重設延遲產生器/延遲產生器/電源開啟重設延遲產生器/電源開啟延遲產生器

26‧‧‧電池內部電阻監測電路/電阻監測器/電阻監測器電路

30‧‧‧選擇電晶體

32‧‧‧零-V_TH NMOS電晶體

34‧‧‧經二極體連接PMOS電晶體

36‧‧‧多工器

38‧‧‧輸入控制信號

40‧‧‧及閘

42‧‧‧正反器

50‧‧‧測試電流產生器

52‧‧‧RC回應計算器

54‧‧‧比較器

56‧‧‧漣波計數器/計數器

70‧‧‧鬆弛震盪器

72‧‧‧切換控制器

74‧‧‧較快電流限制式震盪器

76‧‧‧電壓調節器

A‧‧‧部分

B‧‧‧部分

C‧‧‧部分

C_DC0‧‧‧解耦和電容

C_DC1...C_DC4‧‧‧電容器/測試電容器

C_DELAY‧‧‧電容器

compout‧‧‧比較器輸出信號

dout‧‧‧輸出信號

I_DELAY‧‧‧電流

R_BAT‧‧‧高內部電阻/內部電阻/電池電阻

S₁‧‧‧開關/隔離開關

S_4B‧‧‧開關

S₅‧‧‧開關

V_BAT‧‧‧電池電壓

V_DC‧‧‧電壓

V_DISABLE‧‧‧臨限電壓/停用電壓臨限值/停用臨限電壓

V_DIV‧‧‧較低電壓/所劃分電壓

V_ENABLE‧‧‧臨限電壓/啟用電壓臨限值/啟用臨限電壓

V_ENABLE.EFF‧‧‧有效啟用臨限電壓/所期望目標電壓

V_HYST‧‧‧特定容限/滯後容限

V_REF1‧‧‧電壓參考/第一參考電壓

V_REF2‧‧‧第二參考電壓

V_SAMP‧‧‧電池電壓/經劃分版本/樣本電壓

V_TH‧‧‧臨限電壓/臨限值/固定臨限電壓

V_USE‧‧‧電壓

圖1示意性地圖解說明一電子器件之一實例；圖2展示可在基於一儲存器件電壓是否超過一固定啟用臨限電壓而啟用該器件中之電路時發生之一問題；圖3展示具有用於監測儲存器件之內部電阻之一監督電路之一電子器件；圖4展示圖3中之系統之操作之一實例；圖5展示該監督電路之一更詳細實例；圖6展示一電阻監測電路之一實例；圖7展示用於產生用於控制電阻監測器之時脈信號之一時脈產生器之一實例；圖8展示使一電池之內部電阻隨放電循環變化之一實例；圖9展示一滯後電壓之追蹤錯誤；且圖10展示操作一電子器件之一方法。

圖1示意性地圖解說明具有用於儲存能量之一能量儲存器件4(諸如，一電池4或一電容器)之一電子器件2之一實例。在後續實例中，為便於闡釋，將能量儲存器件假定為一電池4，但將瞭解亦可提供其他形式之能量儲存器件，諸如一超級電容器。能量儲存器件(如電池4)可自一有線電源或自如下文所論述之一能量採收單元而充電。器件2亦具有接收由能量儲存器件(如電池4)提供之一儲存器件(如電池4)電壓之電路6及用於監測儲存電壓且取決於該儲存電壓是否大於一啟用電壓臨限值而選擇是否啟用電路6之一監督電路8。電路6可係電子器件2(諸如一處理器、微處理器、記憶體單元、無線電傳輸器或接收器等)內具有一給定功能性之任何電路。若電路6經啟用，則其可執行其功能性，例如處理資料、提供對儲存於記憶體中之資料之存取、傳輸一無線電信號等，而當經停用時，無法提供此功能性。若電路6係一記憶體，則在該記憶體經停用時可存留資料，但在經停用時對來自其他電路之資料之存取可係不可能的。在經停用狀態中，電路6比在經啟用狀態中消耗更少能量。舉例而言，電源閘控可用以實施電路6之停用/啟用，其中電源閘極控制是否將一電壓供應至電路6。

圖2展示可在此類型之系統之情況下發生之一問題之一實例。電池電壓V_BAT隨時間而變化且兩個臨限電壓V_ENABLE及V_DISABLE經設定以分別控制電路6之啟用及電路6之停用。啟用電壓臨限值V_ENABLE經設定高於停用電壓臨限值V_DISABLE，其等之間具有一特定容限V_HYST或滯後性。此乃因當電壓上升至V_ENABLE且電路6經啟用時，由電路6自電池4汲取一電流I_SYSTEM，使得電池電壓V_BAT立即下降R_BAT×I_SYSTEM之一量(參見圖2之部分A)，其中R_BAT係該電池之內部電阻。相反，當電壓下降低於V_DISABLE時，所減少之系統電流意指在電池電壓中存在一向上尖峰，如在圖2之部分B中所展示。若在啟用電路時之電壓下降或在停用電路時之電壓上升大於滯後容限V_HYST，則系統將在啟用狀態與停用狀態之間重複地震盪，如在圖2之右手部分C中所展示，此將阻止電路6恰當地起作用。

小型無線感測器節點係獨特的，此乃因其等採用諸如薄膜電池之極小電池，該等極小電池具有一高內部電阻R_BAT(例如大約7kΩ)，因此存在大的IR壓降及尖峰之一風險。此外，電池健康狀況隨放電循環之增加次數而降低，使得R_BAT在1000次放電循環內可(舉例而言)自7kΩ增加至31kΩ。電池內部電阻亦係取決於溫度的。因此，通常提供一大的滯後容限V_HYST以適應在其壽命內所預期之最糟糕情形之電池內部電阻。然而，對於其大部分壽命，電池可具有低於此最糟糕情形電阻之一電阻，且因此大部分時間容限係不必要地高的，此延遲啟用電路，使得電路6甚至在電壓將已係足夠高以支援電路時而係閒置的。此外，電池之電阻隨時間增加，且因此在一固定啟用臨限值之情況下，電路6可在其處經啟用之電壓V_USE之範圍減小，如在圖2中所展示，因此存在電壓將處於可用範圍內之較小機會。此等因素兩者在電路6經啟用時減少「可用時間」之量。

圖3展示具備一電池監督電路8以用於解決此問題之電子器件之一實例。除電池4、電路6及電池監督電路8之外，器件2亦具有用於自周圍能量採收能量之包括一能量源10及一能量採收器12之一能量採收單元。能量源10可(舉例而言)包括一太陽能(光伏打)電池、熱電器件或壓電器件，或者射頻能量採收器。某些器件可具備一種以上類型之能量源10。周圍能量可係有意提供至器件之定向能量或可係僅碰巧處於器件附近之能量。能量採收器12可(舉例而言)係提供一經調整電壓以用於對電池4進行充電之一電壓調節器。若能量源10產生AC電壓，則能量採收器12可包含用於產生一DC電壓之一整流器。

在圖3之底部處更詳細地展示監督電路8。監督電路8具有一分壓器20，該分壓器接收電池電壓V_BAT且將其劃分以產生對應於電池電壓 V_BAT之一給定分率之一較低電壓V_DIV。一比較器22比較所劃分電壓V_DIV與由一電壓參考產生器23產生之一臨限電壓V_TH，電壓參考產生器23可產生可變臨限電壓。若電路6當前經啟用，則臨限電壓V_TH對應於停用臨限電壓V_DISABLE，而若電路6當前經停用，則臨限電壓V_TH表示啟用臨限電壓V_ENABLE(在其他實例中，可針對啟用/停用臨限值提供單獨之比較器22及電壓參考產生器23)。比較器22取決於V_DIV是大於還是小於臨限值V_TH而產生一比較器輸出信號(compout)。一電源及重設延遲產生器24延遲該比較器輸出信號且若比較器輸出保持高的達一給定延遲週期，則產生用於啟用電路6之一啟用信號。若該比較器輸出在延遲週期期間返回低的(舉例而言，若電池電壓不再高於臨限值)，則該啟用信號經停用以抑制喚醒電路6。監督電路8具有偵測指示電池4之內部電阻R_BAT之一電阻參數之一電池內部電阻監測電路(電阻監測器)26。電阻監測器26控制電壓參考產生器23以取決於該電阻參數而變化啟用臨限電壓。

如在圖4中所展示，監督電路8基於變化之內部電阻R_BAT而調適啟用臨限電壓V_ENABLE以獲得係恆定且獨立於電池4之內部電阻之一有效啟用臨限電壓V_ENABLE.EFF。當電池電壓V_BAT達到V_ENABLE時，電阻監測器26藉由誘發一測試電流且量測電池電壓V_BAT對該測試電流之回應而量測電池電阻。舉例而言，電阻監測器26可量測由測試電流導致之電壓降之一量，或一RC回應(如在下文實例中所論述)以獲得對電池電阻R_BAT之一指示。啟用臨限電壓V_ENABLE經更新至一新值V_ENABLE=V_ENABLE.EFF+R_BAT×I_SYSTEM.MAX，其中I_SYSTEM.MAX係由經啟用時之電路6汲取之最大電流。電壓參考產生器23具有若干個可獲得之參考電壓且此等參考電壓中之一者可取決於監測器電阻參數而選定，以給出至少大致追蹤V_ENABLE.EFF+R_BAT×I_SYSTEM.MAX之一啟用臨限電壓。因此，V_ENABLE.EFF表示一目標啟用臨限值，若不存在IR電壓降，則該目標啟用臨限值係電路6將在其處經啟用之理想臨限值，且R_BAT×I_SYSTEM.MAX表示一容限，該容限經提供以確保在IR電壓降在新臨限值V_ENABLE處啟用之後發生時，電壓現在將處於所期望目標電壓V_ENABLE.EFF處。現在比較電池電壓V_BAT與新的啟用臨限電壓且若電池電壓大於新的臨限值，則啟用電路6。否則，系統等待電池電壓增加直至其大於新的臨限值為止，此時程序重複。雖然此技術需要由經啟用時之電路6汲取之最大電流I_SYSTEM.MAX之知識，但在諸多小的無線系統中此係可行的，此乃因此等系統通常具有一相對恆定之電流經汲取用於其之一定義明確之操作。在此方法中，有效滯後值係V_ENABLE.EFF-V_DISABLE，且獨立於電池4之內部電阻R_BAT。然而，由於實際之啟用臨限電壓V_ENABLE基於所監測器內部電阻而係變化的，因此不需要提供用以適應最糟糕情形之狀況之一額外容限以避免關於圖2所闡述之問題。

圖5展示可針對監督電路8使用之一實例性電路。分壓器20包括具有自電晶體之鏈內之一給定點而取得之所劃分電壓之若干個經二極體連接PMOS電晶體。每一電晶體皆經歷跨越其之一給定電壓降且因此取決於自其取得所劃分電壓之點，可提供施加至該鏈之開始之電池電壓V_BAT與所劃分電壓V_DIV之間的一給定比率。可基於施加至一選擇電晶體30之啟用信號而選擇性地包含電晶體中之一者或自電晶體之鏈將電晶體中之一者消除。取決於啟用信號是0(電路經停用)還是1(電路經啟用)，經二極體連接電晶體鏈經選擇以具有不同長度，使得(舉例而言)劃分比率在啟用係0時可係3.25且在啟用係1時係3.05。此對於允許同一比較器22提供與啟用電壓臨限值之比較及與經停用臨限值之比較兩者係有用的。藉由以不同比率劃分電壓，此有效地意指即使臨限電壓V_TH保持相同值，臨限電壓V_TH仍具有相對於所劃分電壓V_DIV之不同位準。在其他實例中，分壓器20可具有一固定劃分比率且可藉由改變臨限電壓V_TH而提供不同停用/啟用臨限值。

電壓參考產生器23類似地包含經二極體連接電晶體之一鏈。電壓參考產生器23包含一基於洩漏之電壓參考/分壓器且針對適應性電壓臨限值提供自1.06伏特至1.28伏特之64個可能之類比參考電壓。電壓參考產生器23之此設計已經模擬為消耗77pA同時提供319ppm/℃ TC及0.17%/V線靈敏度(所量測)。電壓參考產生器23在堆疊之頂部處具有用於洩漏產生之一零-V_TH NMOS電晶體32及將多個輸出提供至一多工器36之經二極體連接PMOS電晶體34，該多工器取決於一輸入控制信號38而選擇一特定臨限電壓位準。該控制信號係取決於由監督電路產生之啟用信號且取決於電阻監測器之輸出。

當所劃分電壓V_DIV大於臨限電壓V_TH時，比較器分離觸發電阻監測器26以開始偵測電池之內部電阻之一高比較器輸出信號。電阻監測器26包含可經串聯耦合或經並聯耦合以誘發可用以探測內部電阻之一測試電流的電容器。此在下文參考圖6進一步闡述。電阻監測器26自該電阻監測器26產生一輸出信號dout，該輸出信號控制多工器36以選擇一特定臨限電壓位準。電壓參考產生器23經組態使得自該電阻監測器26輸出之電阻參數與選定臨限值V_TH之間的映射追蹤如上文所論述之V_ENABLE=V_ENABLE.EFF+R_BAT×I_SYSTEM.MAX。若所改變臨限電壓致使V_DIV低於臨限值V_TH，則啟用觸發信號將保持低的，此乃因用於由電阻監測器26進行之電阻偵測所需之時間可比由延遲產生器24提供之電源開啟重設延遲快的多(舉例而言，與由電源開啟重設延遲產生器24提供之超過50ms之一延遲相比，電阻監測器26所需為17.8ms)。啟用信號亦閘控臨限電壓產生器，使得當啟用信號係高的時(電路6當前經啟用)，「及」閘40經箝位為低的以選擇與由分壓器20施加之劃分比率結合實施停用臨限電壓V_DISABLE之一固定臨限電壓V_TH。

延遲產生器24使用一電壓參考V_REF1來驅動產生一電流I_DELAY(此實例中為3.3nA)之一電流源。該電流經鏡射至一電容器C_DELAY。當比較器輸出22切換為高的時，電流I_DELAY開始對電容器C_DELAY進行充電且最終電容器處之電壓將上升高於使用一比較器與電容器處之電壓相比之一第二參考電壓V_REF2。當電容器C_DELAY上之電壓超過V_REF2時，一啟用觸發信號(enable_trigger)切換狀態且此轉動正反器42之狀態以確證啟用信號致使電路6經啟用。第一參考電壓V_REF1補償由I_DELAY充電之電阻器之溫度相依性以提供一溫度不敏感延遲(0.9%/℃ TC，9.7%/V線靈敏度，所量測)。若比較器輸出在延遲週期之結束之前下降為低的，則重設正反器42以抑制電路6之啟用。將瞭解，亦可提供其他形式之延遲產生器24。

圖6展示電阻監測器26之一電路實例。電阻監測器26具有用於產生待自電池4汲取之一測試電流之一測試電流產生器50，及基於系統對測試電流之回應來計算自電阻監測器26輸出之電阻參數之一RC回應計算器52。測試電流產生器50具有若干個電容器C_DC1至C_DC4及開關S₁-S₅，該等開關可置於不同狀態中以跨越電池4串聯或並聯地連接電容器。當電阻監測器26經觸發時(在圖6之左下方中所展示之步驟1至步驟3中)，耦合之電容器C_DC1至C_DC4經串聯放置以使其等放電。該等電容器在若干個步驟中逐步經串聯放置，其中每一步驟僅將該等電容器之一子集串聯連接。進行此步驟以減少在每一電容器經串聯連接以使該電容器放電且致使電荷流動回至電池4時產生之電池電壓V_BAT之過衝量。雖然圖6展示具有四個電容器之一實例，但可提供更多數目個電容器，使得可自步驟1之開始處之並聯狀態至步驟3之結束處之串聯狀態提供更多數目個步驟。

一旦所有電容器係串聯的，則執行一最後之步驟4以跨越電池4同時並聯連接所有電容器(參見圖6之底部處之步驟4)。由於電池電壓對電容器C_DC1至C_DC4中之每一者進行充電，因此此形成自電池汲取之一大的電流。此導致關於隨一特性時間常數R_BAT×Σ C上升之電池電壓V_BAT之一RC電壓曲線，其中Σ C係電容器C_DC1至C_DC4中之個別電容之總和。RC回應計算器52藉由比較電池電壓與電池電壓V_SAMP之一較早取樣及劃分版本而量測RC時間常數。在此實例中，V_SAMP在電容器組態操作之步驟1之前藉由閉合開關S₅而取樣，且藉由斷開開關S₅(舉例而言，介於步驟3與步驟4之間)而穩定。然而，一般而言V_SAMP可在步驟4處將電容器自串聯狀態切換至並聯狀態之前於任一時間處經取樣。藉由使用電池電壓之一經劃分版本V_SAMP作為用於量測時間曲線之參考，將相對於電池電壓設定參考位準，使得用以上升至參考位準所耗費之時間獨立於電池電壓之位準，從而提供對電池內部電阻之一更可靠量測。

一漣波計數器56經觸發以在電容器於步驟4處經切換為並聯時開始計數時脈循環。一比較器54比較電容器C_DC4及開關S_4B之間的一節點處之一電壓V_DC與樣本電壓V_SAMP，且當V_DC上升高於V_SAMP時，則此觸發一漣波計數器56停止計數時脈循環。因此，當V_DC<V_SAMP時，以自該漣波計數器56輸出之計數值量化時間。由於V_SAMP係相對於V_BAT的，於是來自漣波計數器56之輸出信號dout對V_BAT不敏感。然後，由電壓參考產生器23使用來自漣波計數器56之輸出信號dout選擇臨限電壓。雖然圖6展示在於步驟4處電壓下降時之點處開始計數循環之漣波計數器56，但亦可提供低於V_SAMP之又一經取樣參考位準，且計數使電壓自該更低參考位準上升至V_SAMP所耗費之循環之次數。不管量測RC曲線之哪一部分，上升時間皆將取決於RC。

在圖6中，與V_SAMP相比之電壓係電容器C_DC4與開關S_4B之間的節點處之電壓V_DC。由於在步驟4中開關S_4B係閉合的，於是此時V_DC係與電池電壓V_BAT相同的。因此，使用比較器54比較V_BAT與V_SAMP亦將係可能的。然而，如在圖6之右下方處之圖中所展示，V_BAT在步驟4之前係高的而V_DC係低的。藉由比較V_DC(替代V_BAT)與V_SAMP，不需要確保計數器56在電壓已下降之後開始計數，從而簡化計數器56之設計。一般而言，在步驟4期間與電池電壓成比例之任何電壓位準皆可與V_SAMP相比。開關S₅在偵測V_SAMP時係閉合的且然後經斷開以確保在後續步驟期間保持V_SAMP。

一隔離開關S₁經提供以在正量測電阻時將電路6與電池電壓V_BAT隔離。藉由斷開開關S₁，系統由測試誘發之電壓降保護。由於在此時間期間系統自一解耦和電容(C_DC0)操作，因此測試事件經保持為短的(舉例而言，小於65微秒)。注意，測試電容器C_DC1至C_DC4在電路6之正常操作期間充當標準解耦和電容器。

因此，一般而言由漣波計數器56計數之循環之次數係取決於電池4之內部電阻，此乃因電壓之上升時間由取決於電容器之電容及電池4之電阻之一時間常數表徵。

圖7展示用於產生用於漣波計數器56之時脈信號及用於控制電阻監測器26之開關之控制信號之一時脈產生器之一實例。該時脈產生器具有一鬆弛震盪器70，該鬆弛震盪器產生用於控制一切換控制器72之一相對緩慢時脈信號clk_ro以產生用於控制圖6中之開關S₁至S₅之控制信號。亦提供一較快電流饑餓式震盪器(current starved oscillator)74以用於產生用於控制漣波計數器56之計數時脈信號clk_cso。時脈產生器自一系統供應電壓V_DD而非V_BAT操作，此乃因V_BAT趨向於在RC曲線產生期間降低得過低。然而，V_DD由於系統電流消耗而降低，此乃因開關S₁在RC曲線產生期間係斷開的，且因此為時脈產生器提供一電壓調節器76。

上文實施例中所展示之電路以180nm CMOS製造。用一小型2μ Ah薄膜電池(1.375×0.85mm²)及其中I_SYSTEM.MAX=11μ A之一感測器系統測試電池監督電路8。電池監督電路8在電池監測期間汲取1nA且汲取10nJ/conv.用於R_BAT偵測。圖8及圖9展示在2μ Ah電池之情況下之電池監督電路之一500循環測試。圖8展示R_BAT自16kΩ至54kΩ之所量測改變。圖9展示電池監督電路8具有為27mV之一最大V_HYST追蹤錯誤。追蹤錯誤表示理想滯後性V_HYST=V_ENABLE.EFF-V_DISABLE與對應於(V_ENABLE-R_BAT×I_SYSTEM)-V_DIABLE所達成的實際有效滯後性之間的差，該差係由於圖5中之電壓參考產生器23具有若干個其可選擇之離散臨限位準，而非提供一不斷變化之臨限值而產生。假定一50mV容限，則所提議系統需要一有效V_HYST=50+27=77mV。相比之下，一習用系統需要656mV滯後性以適應在500循環之後之最糟糕情形R_BAT=54kΩ之狀況。因此，所提議電池監督電路8提供2.7倍之可用電池電壓範圍(V_BAT min/max=3.2V/4.2V)。

圖10展示取決於由儲存器件4產生之儲存器件電壓而控制電路6之啟用之一方法。在步驟100處，監督電路8判定儲存器件電壓是否超過啟用臨限電壓。若否，則監督電路8繼續監測儲存器件電壓。當儲存器件電壓超過該臨限值時，則在步驟102處監督電路8觸發電阻監測器26以量測指示儲存器件(如電池4)之內部電阻之電阻參數。在步驟104處，基於該電阻參數選擇一新的臨限值。同時，在於步驟106處由電源開啟延遲產生器24提供之一延遲之後，在步驟108處判定儲存器件電壓是否仍超過啟用臨限電壓。若否，則該方法返回至步驟100。舉例而言，若儲存器件電壓下降，或在步驟104處對臨限值之調整意指該臨限值現在高於電壓，則監督電路8抑制電路6之啟用。另一方面，若儲存器件電壓高於啟用臨限電壓，則在步驟110處啟用電路。

亦可出於除調整啟用臨限電壓以用於啟用電路之外的目的而使用圖6中所展示之電阻監測器電路26。舉例而言，自電阻監測器電路26輸出之電阻參數可用作對電池4或其他能量儲存器件之健康狀況之一個一般性指示。舉例而言，若電阻變得過高，則此可指示(舉例而言)應替換電池。因此，若電阻參數指示電阻高於一給定臨限值，則監督電路8可輸出一警告信號。然後可使用該警告信號來觸發電池係不可用或不久將變成不可用之一視覺或聲訊指示。因此，一般而言一電子器件可具有用於監測一能量儲存器件之一內部電阻之一電阻監測電路，該電阻監測電路包括以下特徵中之任何一者或相結合之多者：

‧該電阻監測電路可包括一測試電流產生器，該測試電流產生器經組態以自能量儲存器件汲取一測試電流以用於測試該能量儲存器件之內部電阻。

‧該電阻監測電路可包括一隔離開關，該隔離開關經組態以在自能量儲存器件汲取測試電流時將該電路與儲存器件電壓隔離。

‧該測試電流產生器可包括跨越能量儲存器件耦合之至少一個電容性元件，且電阻參數可指示在自能量儲存器件汲取測試電流導致之一電壓降之後儲存器件電壓上升之一速率。

‧電阻參數可包括一計數值，該計數值表示在由測試電流導致之電壓降之後使儲存器件電壓上升至一樣本電壓位準所耗費之一時間。

‧樣本電壓位準可對應於在自能量儲存器件汲取測試電流之前所捕獲之儲存器件電壓之一位準之一分率

‧該電阻監測電路可具有一計數器，該計數器經組態以回應於一計數時脈信號而使該計數值遞增，直至儲存器件電壓超過樣本電壓位準為止；

‧用於產生該計數時脈信號之一時脈產生器可由一經調節電壓供電。

‧測試電流產生器可包括複數個電容器及複數個開關，該複數個開關用於選擇該等電容器是跨越能量儲存器件並聯耦合還是串聯耦合

‧測試電流產生器可經組態以藉由將該複數個開關自一第一狀態切換至一第二狀態而產生測試電流，在該第一狀態中，該複數個電容器係跨越能量儲存器件串聯耦合，且在該第二狀態中，該複數個電容器係跨越能量儲存器件並聯耦合。

‧在產生測試電流之前，測試電流產生器可將該複數個開關自第二狀態切換至第一狀態。

‧測試電流產生器可在複數個步驟中將該複數個開關自第二狀態切換至第一狀態，每一步驟用於將電容器之一子集串聯耦合。

儘管本文中已參考附圖詳細闡述本發明之說明性實施例，但應理解，本發明並不限於彼等精確實施例，且熟習此項技術者可在該等實施例中達成各種改變及修改而不背離如由所附申請專利範圍所定義之本發明之範疇及精神。

Claims

一種用於偵測一能量儲存器件之一電阻參數的電子器件，其包括：一能量儲存器件；電路，其供應來自於該能量儲存器件之一儲存器件電壓；及一監督電路，其經組態以回應於該儲存器件電壓超過一啟用臨限電壓而啟用該電路；其中該監督電路經組態以偵測指示該能量儲存器件之一內部電阻之一電阻參數且基於該電阻參數調整該啟用臨限電壓；其中該監督電路包括一測試電流產生器，該測試電流產生器經組態以自該能量儲存器件汲取一測試電流以用於測試該能量儲存器件之該內部電阻；及其中該測試電流產生器包括複數個電容器及複數個開關，該複數個開關用於選擇該等電容器是跨越該能量儲存器件並聯耦合或跨越該能量儲存器件串聯耦合。
如請求項1之電子器件，其中該能量儲存器件包括一電池。
如請求項1之電子器件，其包括經組態以採收周圍能量之一能量採收單元，其中該能量儲存器件係基於由該能量採收單元所採收之該能量而進行充電。
如請求項1之電子器件，其中該監督電路經組態以回應於該儲存器件電壓下降低於一停用臨限電壓而停用該電路，其中該停用臨限電壓小於該啟用臨限電壓。
如請求項1之電子器件，其中該監督電路經組態以將該啟用臨限電壓調整為具有對應於一目標臨限電壓與一容限電壓之一總和之一值，其中該容限電壓取決於該電阻參數。
如請求項1之電子器件，其中該監督電路包括一臨限電壓產生器，該臨限電壓產生器經組態以產生複數個不同臨限電壓位準且基於該電阻參數將該啟用臨限電壓設定為所選定之該複數個臨限電壓位準中之一者。
如請求項1之電子器件，其中該監督電路經組態以回應於該儲存器件電壓超過該啟用臨限電壓之一電流值而觸發對該電阻參數之偵測及對該啟用臨限電壓之調整。
如請求項1之電子器件，其中該監督電路經組態以在該儲存器件電壓超過該啟用電壓臨限值後已逝去一延遲週期之後啟用該電路；且若該儲存器件電壓在該延遲週期之結束之前不再超過該啟用電壓臨限值，則該監督電路經組態以抑制該電路之啟用。
如請求項1之電子器件，其包括經組態以在自該能量儲存器件汲取該測試電流時將該電路與該儲存器件電壓隔離之一隔離開關。
如請求項1之電子器件，其中該電阻參數指示在自該能量儲存器件汲取該測試電流時該儲存器件電壓下降之一量。
如請求項1之電子器件，其中該測試電流產生器包括跨越該能量儲存器件耦合之至少一個電容性元件，且該電阻參數指示在自該能量儲存器件汲取該測試電流導致之一電壓降之後該儲存器件電壓上升之一速率。
如請求項1之電子器件，其中該電阻參數包括一計數值，該計數值表示在由該測試電流導致之該電壓降之後使該儲存器件電壓上升至一樣本電壓位準所耗費之一時間。
如請求項12之電子器件，其中該樣本電壓位準對應於在自該能量儲存器件汲取該測試電流之前所捕獲之該儲存器件電壓之一位準之一分率。
如請求項12之電子器件，其包括一計數器，該計數器經組態以回應於一計數時脈信號而使該計數值遞增，直至該儲存器件電壓超過該樣本電壓位準為止；其中用於產生該計數時脈信號之一時脈產生器由一經調節電壓供電。
如請求項1之電子器件，其中該測試電流產生器經組態以藉由將該複數個開關自一第一狀態切換至一第二狀態而產生該測試電流，在該第一狀態中，該複數個電容器係跨越該能量儲存器件串聯耦合，且在該第二狀態中，該複數個電容器係跨越該能量儲存器件並聯耦合。
如請求項15之電子器件，其中在產生該測試電流之前，該測試電流產生器經組態以將該複數個開關自該第二狀態切換至該第一狀態。
如請求項16之電子器件，其中該測試電流產生器經組態以在複數個步驟中將該複數個開關自該第二狀態切換至該第一狀態，每一步驟用於將該等電容器之一子集串聯耦合。
如請求項1之電子器件，其中該監督電路經組態以：若該電阻參數指示該能量儲存器件之該內部電阻高於一臨限電阻，則輸出一警告信號。
一種用於偵測一能量儲存器件之一電阻參數的電子器件，其包括：用於儲存能量的能量儲存構件；電路構件，其供應來自於該能量儲存構件之一儲存器件電壓；及用於回應於該儲存器件電壓超過一啟用臨限電壓而啟用該電路構件的監督構件；其中該監督構件經組態以偵測指示該能量儲存構件之一內部電阻之一電阻參數且基於該電阻參數而調整該啟用臨限電壓；其中該監督構件包括一測試電流產生器，該測試電流產生器經組態以自該能量儲存器件汲取一測試電流以用於測試該能量儲存器件之該內部電阻；及其中該測試電流產生器包括複數個電容器及複數個開關，該複數個開關用於選擇該等電容器是跨越該能量儲存器件並聯耦合或跨越該能量儲存器件串聯耦合。
一種用於包括一能量儲存器件及被供以來自該能量儲存器件一儲存器件電壓之電路之一電子器件之方法；該方法包括：偵測該能量儲存器件電壓是否超過一啟用臨限電壓；回應於該能量儲存器件電壓超過該啟用臨限電壓而啟用該電路；偵測指示該能量儲存器件之一內部電阻之一電阻參數，其中該監督電路包括一測試電流產生器，該測試電流產生器經組態以自該能量儲存器件汲取一測試電流以用於測試該能量儲存器件之該內部電阻，且其中偵測包括利用複數個電容器及複數個開關，選擇該等電容器是跨越該能量儲存器件並聯耦合或跨越該能量儲存器件串聯耦合；及基於該電阻參數調整該啟用臨限電壓。