使用升降压技术跟踪能量消耗的制作方法
【专利摘要】一种使用升降压技术跟踪能量消耗。本发明涉及用于跟踪能量消耗的设备和方法。能量跟踪系统(200)包括至少一个开关元件(SWA)、至少一个电感器(LA)和将输出电压(V1)保持在预选水平的控制块(432)。开关元件(SWA和SWB)经配置以将能量源施加到电感器(LA)。控制块(410)将能量跟踪系统(200)的输出电压(VO)与基准值(ref)比较并控制开关元件(202、204和206)的开关，以便在能量跟踪系统(200)的输出端将初级电压(VPS)的能量传输到次级电压(VO)。电子装置进一步包括接通时间和关断时间发生器(408)和累加器(430)，其中所述控制块(432)被耦合以接收来自接通时间和关断时间发生器(408)的信号(TG1)并以接通时间脉冲的形式产生用于至少一个开关元件(SWA)的开关信号，其中接通时间脉冲具有恒定宽度的接通时间。
【专利说明】使用升降压技术跟踪能量消耗
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于跟踪能量消耗的电子装置和方法，并且更具体地涉及一种使用在电感器中储存能量以及将能量传输到输出能量存储部件的原理来确定能量消耗的电子装置和方法。
[0002]本申请涉及标题为“ElectronicDevice and Method for Power Measurement (用于功率测量的电子装置和方法)”，申请号为13/329，073的共同拥有的美国专利申请。
【背景技术】
[0003]降低能量消耗在电子装置的开发和改进中是重要的，特别是如果它们是移动或便携式电子装置时尤为重要。为了节约能量，电子装置越来越多地由复杂方案控制，其中所消耗的电流的量级在几十个量级的范围上变化。在低功率模式下，可消耗数百nA(纳安培)的电流，而其他操作模式需要高达几百mA(毫安)的电流。在宽范围上(例如，从纳安培到毫安培)以可接受的准确度测量这些电流，同时能够跟踪高动态电流变化往往是很有必要的。此外，因测量消耗的能量的任何副作用也应避免或被很好控制。例如，优选的是能量测量本身引起的能量消耗增加不会发生。
[0004]测量电流的更常见的一种技术是使用分流装置或分流电阻器测量。使用分流装置进行功率测量要求非常高精度的模数转换器，以覆盖整个动态范围上可能的电流量级。例如，当要求以百分之一的精度进行四十五电流量级测量时，则要求24位的转换器。另外，分流装置会产生电压降。此电压应该被补偿，但补偿电路形成潜在的误差源。直接负载补偿很困难。因此，这意味着测量范围和测量功率消耗的电路在能量测量过程期间必须适应。这增加了复杂性，并引起更多的潜在误差。
[0005]此外，通过测量分流装置两端的电压来间接测量电流要求目标上的初始电压变化。如果缓冲电容器耦合到目标侧(能量传输电路的输出端)，则缓冲电容器立即传递电流并需要再充电。这种行为影响被测装置的真实电流响应。测量能量消耗的另一种方法采用电流镜。电流镜的一侧传递电流到包括目标电容器的目标。电流镜的另一侧耦合到电流表，其馈送镜像电流。这种方法具有最小化因目标电容器引起的失真的优点。然而，功率和感应场效应晶体管(FET)所需的配对较弱，不能跟踪所支持的大电流量级。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种测量能量消耗系统中的能量消耗但不影响其能量消耗被测量的电路的基本功能的电子装置200和方法，所述能量消耗系统包括大范围的电源电流量级、高动态电流变化。根据本发明的一个方面，所提供的电子装置200包括开关(switch,切换)模式能量跟踪电路。开关模式电路包括一个或更多个开关元件SWA-SWB、Sffla-Sfflb和SWia-SWib、一个或更多个电感器LA_L1、电容器CA和分别控制输出电压电平VO和输出电压电平Vl的比较电路406和434。开关元件，SWA-SWia经配置以分别通过电感器LA-Li分别切换电流。开关，SWA-SWB、Sffla-Sfflia和SWlb-SWlib，可以是晶体管。电压比较电路406和434可以是误差放大器、电压比较器，或A/D转换器(其转换结果与基准电压VL(ref)进行比较)。接通/断开发生器408经配置以控制开关元件SWla-SWlia以及Sfflb-Sfflib的接通时间和关断时间，以便从初级能量源(例如电源)传递能量到能量跟踪系统的输出端VO并控制输出电压VO的电平。电子装置200进一步包括控制逻辑级CNTLA、CNTLl和CTNLi。控制块410包括误差处理块420、报告块416、校准块428、单个接通时间事件的累加器430、测序块422、范围控制块418和需求控制块424。
[0007]控制逻辑级CTNLA-CNTLi以具有恒定宽度的接通时间的接通时间脉冲的形式产生开关晶体管SWA-SWB、SWla-SWlia以及SWlb-SWlib的开关信号SWSA、SWSla到SWSib。控制逻辑级，CTNLA-CNTLi，还控制关断时间，关断时间也用作被传输到输出端VO的电感器中的能量的指示符。当必须产生下一个接通时间脉冲时，电压比较电路406和432进行标记。如果在下一个接通时间触发之前关断时间还没有结束，系统将报告错误状态。如果输出电压VL不在预定限度内，也将报告错误状态。
[0008]开关信号，SWSla到SWSib，被根据脉冲密度方案而形成。当请求另一个接通时间时接通时间和关断时间满足时，出现脉冲的最高密度。更高的密度由默认值或控制信息开启(例如，控制位，并且这通过先前所述的控制电路处理)。在本发明的一个实施例中，脉冲累加器430能够是最简单实现的数字计数器。然后，本实施例中的计数器经配置以计算接通时间的脉冲数，以基于每次的接通时间脉冲数确定所消耗的功率。接通时间脉冲的恒定脉冲宽度影响系统部件如开关晶体管或可忽略的电感器的非线性特性。能量跟踪系统的输出端处的目标电压偏移大幅降低。能够覆盖宽范围的测量电流的量级。
[0009]根据本发明的另一个方面，电子装置包括耦合到能量跟踪系统的输入端的第一电容器Cl、在能量跟踪块204和206的输入端上的第二电容器CA以及耦合到能量跟踪系统的输出端的第三电容器C2。与电感器的LI值和电容器CA的值结合的开关元件的接通时间经配置以将电压保持在该系统精度要求内。输出电容器C2值使得在从电感器LI传送能量给Li期间电压在精度期望范围内增加。
[0010]本实施例的能量跟踪系统与脉冲宽度调制方案相反，并且电感器Ll-Li中的几乎所有的能量都能传送到电容器C2。接通时间脉冲的频率正比于并且实际上是所消耗的电流的线性函数。在稳定的操作条件期间，输入和输出电压以及输入和输出电容器上的电荷已经稳定，每个开关接通时间脉冲传送大约相同量的能量。
[0011]根据本发明的另一个实施例，基准阻抗205或基准电阻器R能够耦合到能量跟踪系统的输出端，以便作为能量测量值的基准。然后基准测量值(一个或更多个)的结果能够用于校准系统的能量消耗。因此，接通时间脉冲数能够用于确定即使具有未知负载(例如C3和Z)的正常操作期间的能量消耗。根据本发明的一个实施例，未知负载能够是电子
>j-U ρ?α装直。
[0012]在本发明的一个实施例中，电子装置200包括能量跟踪系统，所述能量追踪系统具有开关部件SWA-SWB、Sffla-Sfflia和SWlb-SWlib，电感器LA、L1、Li，传输支持二极管DA-Di0然后开关部件SWA-SWlia能够经配置以分别通过电感器LA-Li开启电流。可选开关SWB-SWib可以在关断时间期间用来传导电流，以支持从电感器传输能量到输出端。能量传输完成之后，可选开关SWB不传导能量，阻止能量从输出端回流到输入端。可选开关Sfflb-Sffib在能量传输完成后不传导能量，阻止能量从输出端回流到地。电压比较电路406和434能够是误差比较器或误差放大器。电压比较电路406经配置以发送信号426到控制电路410和接通/断开发生器408，以使开关部件SWla-SWlia以及SWlb-SWlib能够被触发或准备被触发。比较电路406和434用于传递能量需求以分别维持输出电压VO和Vl稳定。接通时间脉冲的产生和频率能够响应于输出电压VO的变化而控制。接通时间脉冲能够与单独基础或一组脉冲上的时间标识相结合。
[0013]本发明的另一个实施例包括基于规定时间的接通时间脉冲，并且规定时基的差由脉冲或一组脉冲界定。然后能量消耗可以基于每个考虑的时间段的接通时间脉冲数来确定。
[0014]在本发明的一个方面，能量消耗可从接通时间脉冲的相位变化导出。这个方面允许功率消耗的变化的快速估计。接通时间脉冲期间的能量传输通常显著小于储存在耦合到能量传输系统的输入端的第二电容器CA上的能量。能量传输系统的输入端上的能量源的能量消退影响接通时间期间传输的能量。能量供应能力的影响是校准周期中的因素。
[0015]储存在耦合到能量传输系统的输出端的第二电容器C2上的能量也显著大于接通时间期间储存在电感器中以及在关断时间期间被传输到输出端和电容器C2的能量。能量消耗可以通过耦合一个或更多个基准阻抗205到能量传输系统的输出端来校准。然后，该校准结果可以用于归一化正常操作期间的能量消耗。在正常操作期间，目标装置或受测装置(DUT) 208耦合到能量传输系统的输出端，而不是基准阻抗205。然而，在另一个实施例中，基准阻抗205可以耦合到输出端，而目标负载装置或DUT208仍然耦合到输出端。因基准负载的额外负载引起的一个或一组接通时间脉冲的能量能够被估计，以基于能量脉冲接通时间和关断时间状态校准功率测量值。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1示出测量电流、电压和时序关系以计算受测装置的负载内消耗的能量的电路。(现有技术)
[0017]图2a是本发明的实施例的简化电路图。
[0018]图2b和图2c是本发明的实施例的简化电路图。
[0019]图3是根据本发明的实施例示出图2a中所示的电路的信号波形的图表。
[0020]图4是本发明的实施例的电路图。
【具体实施方式】
[0021]图1示出电路101，其经由电压-电压转换器102、A/D转换器104和定时器106测量负载电流。负载使用的能量EL在块EL108中计算。电压VL经由A/D转换器104测得。当A/D转换器104用于连续转换时，会出现相位相关误差。定时器106用于创建A/D转换器104的时基t(b)。负载(即DUT)使用的能量EL根据下面的公式I由块EL计算。
[0022]公式IELx = IL*VL*t(b)其中 X= {1...1}
[0023]图2a示出本发明的一个实施例的简化图。在本实施例中，能量跟踪系统200包括能量传输块202、204、206、控制电路201和基准阻抗205。在本发明的实施例中，能量传输块202是包括开关晶体管SWA和SWB、二极管DA、电容器CA和电感器LA的“升压”电路。在本发明的这个实施例中，能量传输块204和206是“降压”电路。能量传输块204包括开关晶体管SWla和SWlb、二极管Dl和电感器LI。能量传输块206包括开关晶体管SWia和SWib、二极管Di和电感器Li。在这个实例中，示出两个降压型能量传输块204和206。然而，可以使用两个以上的降压型能量传输块。
[0024]在升压块202中，电感器LA的其中一个终端耦合到第一开关晶体管SWA、第二开关晶体管SWB并耦合到二极管DA的阳极。电感器LA的另一个终端耦合到能量传输块202的输入端。二极管DA的阴极、电容器CA的终端和第二开关晶体管SWB的终端连接到升压块202的输出端。电容器CA的终端和第一开关晶体管SWA的终端接地。开关晶体管SWA和SWB能够被称为激励开关。二极管DA可以由第二开关SWB替换或补充。控制电路201控制能量开关SWSA和SWSB。升压块202的功能是将输入端上的电压传输或“升压”到较高的电压电平，以获得用于能量跟踪块204和206的足够电压裕量。控制电路201将在后面的说明书中更详细地解释。
[0025]在降压能量传输块204中，电感器LI的其中一个终端稱合到第一开关晶体管SWla、第二开关晶体管SWlb并耦合到二极管Dl的阴极。电感器LI的另一个终端耦合到能量传输块204的输出端。二极管Dl的阳极和第二开关晶体管SWlb的终端接地。第一开关晶体管SWla的终端连接到降压能量传输块204的输入端。开关晶体管SWla和SWlb能够被称为激励开关。二极管Dl可以由第二开关SWlb替换或补充。控制电路201控制能量开关SWla和SWlb。控制电路201将在后面的说明书中更详细地解释。
[0026]在降压能量传输块206中，电感器Li的其中一个终端稱合到第一开关晶体管SWia、第二开关晶体管SWib并耦合到二极管Di的阴极。电感器Li的另一个终端耦合到能量传输块206的输出端。二极管Di的阳极和第二开关晶体管SWib的终端接地。第一开关晶体管SWia的终端连接到降压能量传输块206的输入端。开关晶体管SWia和SWib能够被称为激励开关。二极管Di可以由第二开关SWib替换或补充。控制电路201控制能量开关SWia和SWib。控制电路201将在后面的说明书中更详细地解释。
[0027]图2b示出本发明的一个实施例的简化图。在本实施例中，能量跟踪系统200包括能量传输块209、211，控制电路201和基准阻抗205。在本发明的该实施例中，能量传输块209和211是“升压-降压”电路。在这个实例中，示出两个升压-降压能量传输块209和211。然而，可以使用两个以上的升压-降压能量传输块。
[0028]在升压能量传输块209中，电感器Lla的其中一个终端稱合到第一开关晶体管SWla、第二开关晶体管SWlb并耦合到二极管Dla的阳极。电感器Lla的另一个终端耦合到能量传输块209的输入端。二极管Dla的阴极、电容器Cla的终端、第二开关晶体管SWlb的终端和第三开关晶体管SWlc的终端连接在一起。电容器Cla的终端、第一开关晶体管SWla的终端、二极管Dlb的阳极和第四开关晶体管SWld的终端接地。电感器Llb的终端耦合到第三开关晶体管SWlc的终端、第四开关晶体管SWld的终端和二极管Dlb的阴极。电感器Llb的另一个终端耦合到能量传输块209的输出端。开关晶体管SWSla、SffSlb, SffSlic和SWSld能够被称为激励开关。二极管Dla可以由第二开关SWlb替换或补充。二极管Dlb可以由第四开关SWld替换或补充。控制电路201控制能量开关SWSla、SWSlb、SWSlc和SWSld。控制电路201将在后面的说明书中更详细地解释。
[0029]在升压能量传输块211中，电感器Lia的其中一个终端稱合到第一开关晶体管SWia、第二开关晶体管SWib并耦合到二极管Dia的阳极。电感器Lia的另一个终端耦合到能量传输块211的输入端。二极管Dia的阴极、电容器Cia的终端、第二开关晶体管SWib的终端和第三开关晶体管SWic的终端连接在一起。电容器Cia的终端、第一开关晶体管SWia的终端、二极管Dib的阳极和第四开关晶体管SWid的终端接地。电感器Lib的终端耦合到第三开关晶体管SWic的终端、第四开关晶体管SWid的一个终端并耦合到二极管Dib的阴极。电感器Lib的另一个终端耦合到能量传输块209的输出端。开关晶体管SWSia、SWSib、SWSic和SWSid能够被称为激励开关。二极管Dia可以由第二开关SWib替换或补充。二极管Dib可以由第四开关SWid替换或补充。控制电路201控制能量开关SWSia、SWSib、SWSic和SWSid。控制电路201将在后面的说明书中更详细地解释。
[0030]图3不出一种具有两个传输路径的能量传输电路(在图2a中不出)的时序图。第一路径具有SWla、L1、Dl和施加到SWla的接通时间信号SWSla。在该实例中，不使用能量传输块204中所示的开关SWlb。第二路径具有SWia、L1、Di和施加到SWia的接通时间信号SWSia。在这个实例中，不使用能量传输块206中所示的开关SWSib。两个能量传输路径主要用来提高传递能量的动态范围。可选开关SWlb和SWib可用于在关断时间期间传导电流，以支持从电感器到输出端的能量传输。可选开关SWlb和SWib在能量传输完成后不传导能量，阻止能量从输出端回流到输入端。该系统可以具有多于两个的路径，使能量跟踪电路的动态范围进一步扩展。
[0031]图4示出控制电路201中的更多细节。比较电路406和434被耦合以接收用于确定输出电压VL和Vl的基准信号VL(ref)。比较电路406和423的输出端耦合到控制逻辑级CNTLA432、CNTL1402和CNTLi404。接通时间和关断时间发生器408被耦合以分别馈送接通时间信号TGl和TGi到控制逻辑CNTLl和CNTLi。控制逻辑级CNTLA提供开关信号SWSA和SWSB，用于切换开关元件SWA和SWB以产生电压VI。控制逻辑级CNTLl提供具有恒定宽度接通时间脉冲的开关信号SWSla和SWSlb，用于切换开关元件SWla和SWlb。控制逻辑级CNTLi提供具有恒定宽度接通时间脉冲的开关信号SWSlia和SWSib，用于切换开关元件 SWia 和 Sffib0
[0032]发出下一个接通时间脉冲是比较电路406和接通/关断时间的输出信号426的函数。在此实施例中，恒定宽度接通时间根据恒定时钟CLK(例如，从晶体振荡器)产生。由于接通时间几乎独立于电压及温度状态，因此这种实施简化了校准情况。能量跟踪系统的初级侧稱合到第一电容器Cl。因此，电感器LA的一侧稱合到第一电容器CA的一侧。第一电容器CA的另一侧耦合到地。能量跟踪系统的初级侧通过电路202实现的稳定电源供电。能量跟踪系统的输出端或次级侧耦合到第二电容器C2，用于缓冲输出电压V0。目标板或受测装置208能够耦合到能量跟踪系统的输出端。目标板或受测装置消耗的电流是负载电流IL0输出电压的电平是V0。
[0033]基准电阻器R和开关LS形式的一个或更多个基准阻抗205能够通过开关LS耦合到能量跟踪系统。代替目标板，基准电阻器R可以被切换到输出V0。然而，在基准测量期间，目标板或DUT仍然可以耦合到输出端。然后，具有良好表征的基准电阻器R的基准测量结果能够用来校准测量值，用于目标板208的未知负载(例如，C3和Z)的操作。在接通时间脉冲期间，通过开关晶体管SWl和SWi传输的能量通常比储存在电容器CA和C2上的小得多。如果接通时间脉冲期间传输的能量是ESW，电容器CA上的能量是ECA，电容器Cl上的能量是ECl，而电容器C2上的能量是EC2，下面有利的比率是冒险的:
[0034]ECl = kl*ESWA
[0035]以及
[0036]ECA = k2* (ESffl+...ESffi)，其中 X = {1...1}
[0037]以及
[0038]EC2 = k3* (ESffl+...ESffi)，其中 X = {1...1}
[0039]其中
[0040]kl>20，k2 和 k3>50。
[0041]ESffl到ESWi的总和与ESWA比EC1、ECA和EC2小得多。当输出电压VO固定，比较块426测量目标输出电压VL和对比VL(ref)的任何偏差。控制块CNTLl和CNTLi增加或降低接通时间脉冲的密度。所生成的接通时间脉冲具有恒定宽度的接通时间和最小关断时间。电感器LI和Li由来自第二电容器CA的一定量的能量充电。在关断时间期间，电感器中的能量被传送到第三电容器C2。在本发明的一个实施例中，第二电容器CA和第三电容器C2按大小分类，以使该能量传输不大幅改变第二电容器CA和第三电容器C2两端的电压。
[0042]只要第三电容器C2中的能量足以维持输出电压V0，比较块将不会通过开关信号SWSla.SWSlb或SWSia、SWSib请求另一个接通时间脉冲。然而，如果一定的负载电流IL由目标板或DUT消耗，第二电容器C2两端的电压降低，直到电压比较块VL = VL (ref)确定输出节点OUT上的输出电压VO低于所规定的值，并产生请求信号到CNTLl和CNTLi。然后，将产生另一个接通时间脉冲。在正常操作期间，这使得信号SWSla和SWSia的接通时间脉冲的脉冲密度与DUT/目标板208消耗的能量成正比。在另一个实施例中，每次的接通时间脉冲数由累加器430计数，并且当前的数据反映并指示能量消耗。在固定输入电压的条件下，每个接通时间脉冲近似表示相同量的能量在每个接通时间脉冲期间被传输。开关信号SffSil和SWSia的接通时间脉冲的关断时间变化也指示负载电流IL的当前变化。
[0043]已知的基准电阻器R上的基准测量值能够用于标准化测量的电流。基准电阻器R可以通过除目标板208以外的开关LS接通。然后能够估计信号SWSla和SWSia中的关断时间上的基准电阻器R的影响。然而，如果基准电阻器R接通但目标板未连接，则所获得的结果能够得到改善。
[0044]在图3示出的图形中，示出负载电流IL、输出电压VO和施加到开关SWla和SWS2a的接通时间信号的波形。目标或DUT的负载电流IL在一定时间点上增加。输出节点OUT上的电压VO根据围绕目标输出电压电平的锯齿图而变化。接通时间脉冲SWSla和SWS2a的脉冲密度在一定时间点上增加或根据负载电流IL的范围启动(SWS2a)。电压VO根据围绕目标输出电压电平(虚线)的锯齿图而变化。接通时间脉冲的脉冲密度在负载电流IL增加后增大。这两个路径的接通时间脉冲的密度变化被估计。
[0045]虽然已在上文中参考具体实施例描述了本发明，但是，本发明并不限于这些实施例，并且毫无疑问，本领域的技术人员将在本发明所要求保护的范围内提出进一步的替代方案。
【权利要求】
1.一种包括能量跟踪系统的电子装置，所述能量跟踪系统包括升压块、至少一个能量传输块和控制电路，其中所述控制电路经配置以控制在第一和第二能量传输块中的能量切换，以便将来自施加在所述能量跟踪系统的输入端上的初级电压的能量传输到所述能量跟踪系统的输出端上的次级电压； 其中所述控制电路包括接通时间和关断时间发生器、至少一个控制逻辑块与累加器，其中所述至少一个控制逻辑块被耦合以接收来自所述接通时间和关断时间发生器的信号并以接通时间脉冲的形式产生用于所述第一和第二能量传输块的开关信号，其中所述接通时间脉冲具有恒定宽度的接通时间，并且其中所述累加器经配置以收集接通时间脉冲数，从而基于每次的接通时间脉冲数确定所消耗的能量； 其中所述升压块包括: 第一电感器，其具有第一终端和第二终端，其中所述第一终端连接到所述升压块的输入端; 第一开关元件，所述第一开关元件连接到所述第一电感器的所述第二终端，连接到地，并连接到所述控制电路； 第一二极管，其具有阴极和阳极，其中所述阳极连接到所述第一电感器的所述第二终端并且所述阴极连接到所述升压块的输出端； 第二开关元件，所述第二开关元件连接到所述第一电感器的所述第二终端，连接到所述升压块的所述输出端并连接到所述控制电路；和 电容器，其具有第一终端和第二终端，所述第一终端连接到所述第一二极管的所述阴极，并且所述电容器的所述第二终端接地； 其中所述至少一个能量传输块包括: 第三开关元件，所述第三开关元件连接到所述控制电路，连接到所述至少一个能量传输块的输入端； 第二电感器，其具有第一终端和第二终端，其中所述第一终端连接到第三开关装置并连接到所述至少一个能量传输块的输出端； 第二二极管，其具有阴极和阳极，其中所述阳极接地，并且所述阴极连接到所述第二电感器的所述第一终端； 第四开关元件，所述第四开关元件连接到所述控制电路，连接到所述第二二极管的所述阴极和所述第二二极管的所述阳极。
2.根据权利要求1所述的电子装置，其中第二电容器连接到所述能量跟踪系统的所述输入端。
3.根据权利要求2所述的电子装置，其中第三电容器连接到所述能量跟踪系统的所述输出端。
4.根据权利要求1所述的电子装置，其中阻抗连接到所述能量跟踪系统的所述输出端。
【文档编号】G01R22/06GK104133108SQ201410174518
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2013年5月1日
【发明者】H·戴沃德, J·齐佩雷尔, P·韦伯尔, A·布劳赫勒 申请人:德克萨斯仪器德国股份有限公司