一种系统及其供电方法
【技术领域】
[0001]本申请的各个实施例涉及能源再利用用于成本节约的平台以最优化能源效率用于低功率系统。
【背景技术】
[0002]各种应用所面临的普遍问题是低功率设计的实现。随着如基于无线能量的系统、物联网(1T)等这些应用的新纪元的来临，设计中的能量消耗成为最重要的要求。这是相比于各种传统的应用例如电脑、笔记本电脑、移动电话等，因为传统的应用中能量消耗也是重要的，但是调速和面积要求是最重要的。以下认识也是重要的:往往在静态模式中能量消耗，其中发生泄漏，与设计的动态能量消耗相比同等重要或更重要。另外，缩小的电路技术可能加重这些问题，其中，每个设备的泄漏增加并且存储器的电压可测性被限制。对于限制能量预算的各种系统，存在开发新的设计技术的需求以最大化能量的利用率。
【发明内容】
[0003]各种实施例简单总结如下。在以下
【发明内容】
中可能作了一些简化和省略，其目的是强调和介绍各种实施例的一些方面，但并不是为了限制发明的内容。在以下部分的各个实施例的详细描述将使本领域技术人员能够制造和使用本发明的思想。
[0004]各种实施例涉及一种系统，包括:配置为将来自电源的电压转换到与之不同电压的电压转换器；耦合到电压转换器的存储器；数字逻辑电路；和耦合在存储器和数字逻辑电路之间的电平位移器；其中存储器耦合在电压转换器和数字逻辑电路之间，其中来自存储器的电荷存储在数字逻辑电路中的电容中，其中电压转换器还耦合到存储器和数字逻辑电路之间的节点，其中电压转换器配置为:监控节点处的电压，其中节点具有所需要的工作电压值；和当节点处的电压不同于所需要的工作电压值时调整节点处的电压。
[0005]各种实施例涉及给低功率系统供电的方法，包括:将输入DC电压转换到具有不同电平的输出电压；将该输出电压施加到包括存储器和数字逻辑电路的堆叠上，其中存储器堆叠在数字逻辑电路的顶部；对存储器和数字逻辑电路之间的数据信号进行电平转换；将来自存储器的泄露电流存储在数字逻辑电路中的电容中；监控节点处的电压，其中节点具有所需要的工作电压值；和当节点处的电压不同于所需要的工作电压值时调整节点处的电压。
【附图说明】
[0006]为了更好地理解各种实施例，参考以下附图，其中:
[0007]图1示出了使用磁耦合来传送无线能量的传统系统；
[0008]图2示出了可能使用电源供电的低功率系统；
[0009]图3示出了根据相关技术的堆叠电路系统；
[0010]图4示出了在存储器和数字电路之间实现电荷再利用的系统；
[0011]图5示出了具有电平位移器的系统；和
[0012]图6示出了与图5的电平位移器相关联的各种输入和输出。
[0013]为了便于理解，相同的参考数字用于表示具有基本相同或相似的结构和/或基本相同或相似的功能的元件。
【具体实施方式】
[0014]说明书和附图示出了本发明的原理。可以理解的是，本领域技术人员可以设计包含在本申请范围内的本申请的原理的各种具体布置，虽然这些具体布置没有在本文中明确记载或示出。而且，这里记载的所有例子主要是为了教导作用以帮助读者理解本发明的原理以及发明人在技术进步上所贡献的思想，它不是为了限制到这些具体记载的实施例和条件。另外，本文用的术语“或者”指的是非排他的(即，和/或)，除非另外指出(如“要不然”或“或替代地”)。这里记载的各种实施例不一定是互相排斥的，因为一些实施例可以与一个或更多其他实施例相结合以形成新的实施例。本文中所使用的术语“上下文”和“上下文对象”将被理解为是相同的，除非另有指出。
[0015]Nikola Tesla首先想出了无线能量传递，而当今的技术进步导致重新燃起了对这一概念的兴趣。在使用无线能量传递的系统中，可用的功率是有限的并且需要被尽可能地有效利用。结果，以下通过无线能量传递来供能的系统提供一种系统的示例，该系统将受益于以下记载的实施例，这些实施例提供增加的能量利用率。
[0016]图1示出了使用磁耦合来传递无线能量的传统系统。系统100包括电源105，谐振电路110，发射机线圈115，接收机线圈120，二极管125，电容器130，和计算平台135。基本工作原理是:发射机线圈115建立磁场，该磁场感应接收机线圈120的电流以给电容器130供电。系统的能量传输部分包括电源105，谐振电路110，发射机线圈115以建立电磁场。系统100的接收机部分被分成接收线圈120，整流电路125，以及作为储能设备的电容器130。所接收的能量存储在电容器130中，然后可能给计算平台135上的元件供电。
[0017]以上记载的和相似的系统的主要特点是来自能源的能量有效性的非静态性质。因此，只要有可能，无线能量接收系统可能获取来自磁场的能量并将它存储在电容器130中。所存储的能量允许系统即使在没有磁场时也能继续运作。这种对能量存储的需求导致用于系统的各种设计要求，特别是对电容器130。电容器130的尺寸是基于系统中的能量消耗。通常电容器130占用系统的总硅面积的大量面积。还要注意的是电容器130的尺寸很大程度上取决于系统中泄漏的电流量。该泄漏电流通过磁场消耗存储在电容器130上的电荷。
[0018]因此，为了限制电容器130的尺寸和与它相关联的成本，最小化电容器130的面积是非常重要的。这可能通过最小化系统中的电荷消耗来实现，特别是在运作的静态模式中，其中泄漏电流可以耗尽电容器上的电荷。以下描述实施例的目的。
[0019]在如以上图1所示的无线供电的系统中，例如可能是非接触智能卡，系统需要持续供电用于甚至不存在能量场的一些时间周期。为了这个目的，电容器中存储的能量用于提供系统能量，在非接触智能卡的情况中主要是静电泄漏。然而，为了提供供该能量用于给定的周期而所需要的电容量变得太高并且成为设计的面积的主要贡献者。这导致用于系统的高的硅成本。
[0020]图2示出了可能使用电源供电的低功率系统。系统200包括电源205，电压转换器210，数字逻辑215，存储器220，和电平转换器225。电源205可能提供例如为1.65-5.5V的电压源。注意电源可能是电池或能量存储电容器。另一方面，数字逻辑215和存储器220需要在最低允许的电压源下操作，该最低允许的电压源通常低于电压源电源。例如，存储器电压可能是IV。
[0021]因此，电源205产生比逻辑电路215和存储器220所使用的更高的电压。因此，需要电压转换器210将电源电压转换到数字逻辑215和存储器220使用的电压。电压转换器215占用面积和功率。低压差稳压器(LDO)开关转换器可能用于电压转换。LDO是更简单和更小的设计，但效率更低，约50-60%。开关转换器具有更高的效率(> 85% )，但需要更多面积和更复杂的设计。因此许多应用喜欢使用LD0，因此问题变成低效率，但是限制也更宽。
[0022]在图2所示出的系统拓扑中，数字逻辑215和存储器220消耗来自电源205的电荷用于它们的运行。电荷和电流需求是数字逻辑215和存储器220的个体电荷要求的总合。还有，电压转换器210可能必须产生两个分离的电压水平，一个用于数字逻辑215，一个用于存储器220。这导致在电压转换器210中进一步的低效率。另外，在每个域上的安全性要求可能需要在逻辑和存储域上的电压传感器/监视器的位置。额外的监视器的经费通常迫使设计者保持单个电压域用于逻辑和存储器，从而降低了设计的能量效率。进一步地，电源205提供的电流是数字逻辑215和存储器220所需要的电流的总合，这导致变换损耗增加，因为电流增加导电性以及在功率转换器210中开关损耗的增加。进一步地，因为数字逻辑215和存储器220可能在不同的电压水平运作，当数字逻辑215和存储器220通信时可能需要电平转换。
[0023]改善系统效率的一种方法是电路堆叠，在电路堆叠中数字逻辑与存储器堆叠或与功率转换器串联。这具有以下效果:减少提供给堆叠的电流和增加提供给堆叠的电压。这导致增加转换器效率因此减少电源需求。
[0024]传统地，通过将系统设计分解成多个堆叠来配置电路堆叠技术。堆叠可能被设计成使不同堆叠水平之间的活动几乎相同。这确保了来自一个水平的电荷被另一个水平上的要求完全平衡。活动之间的失配可以使用以下记载的不同技术来补偿。然而，不同水平之间的活动平衡和开关计时同步限制了电荷再利用的使用。在动态阶段的电荷再利用指示设计策略并经常使系统非常复杂。
[0025]图3示出了根据相关技术的堆叠电路系统。系统300包括N个堆叠电路305和N_1个稳压器310。N个堆叠电路305串联连接并接收电源电流Iwd, so进一步地，在每个堆叠电路两端存在电压降Vn。因此，电源可能提供V1+V2+...+Vn的电压给堆叠电路305。如上所述，其中一个挑战是平衡电路两端的电荷，因为不同电路的运作彼此不同。这导致改变了不同堆叠电路305之间的电压水平。稳压器310调节电压以补偿堆叠电路305之间的电荷不平衡。这种解决方案增加成本和设计的复杂性。这在低功率和低成本应用中是特别不受欢迎的。
[0026]在相关技术中提出了另外两种充电平衡的方案。一种是使用软件方案，其中使用编译器和运行时调度器平衡堆叠电路305的运行。第二种是时钟节流，其中修改每个堆叠电路305的时钟速度以调整每个堆叠电路305的电流和功率牵引。这两种解决方案都增加了成本和复杂性。另外，它们仍然导致堆叠电路305之间的电荷不平衡。
[0027]以下记载的本发明的实施例分解系统如下:通过泄露模式指示电荷再利用，从而减少传统电路堆叠的限制；分解存储器和逻辑如下:使逻辑可以在最小的所需电压下运行；只用于一个域的电压传感器/监视器减少安全系统的经费，从而允许分离的电压域用于逻辑和