基于电池电荷的动态睡眠模式的制作方法

本申请要求于2014年7月11日提交的美国专利申请序列号14/329,790的权益，该申请通过引用整体纳入于此。

技术领域

本申请涉及功率管理，并且尤其涉及具有基于电池电压的动态睡眠模式的设备。

技术背景

因为在使用由电池供电的设备期间电池电荷耗尽，所以对应的电池电压降低。在某一时刻，随着电池被放电，电池电压变得不可接受地低，以使得该设备掉电。例如，如果电池电压下降到诸如3.5V之类的软件截止阈值电压以下，则手持机通常会掉电。随后该设备不可用，直至电池被重新充电。因为消费者需求延长的使用时间，所以期望尽可能长时间地延迟设备的关闭。

在移动设备内，电池可以向提供对应功率域的众多不同的电源轨进行供电。每个电源轨由对应的功率调节器(诸如低压差调节器)提供电源。设备通常包括电源管理集成电路(PMIC)，以管理用于各种电源轨的功率调节器。为了延长电池寿命，在设备处于待机或睡眠模式时，PMIC通常使各种各样的电源轨掉电。例如，在未使用时，移动电话主要处于空闲待机(睡眠)模式。移动电话将随后根据其不连续接收(DRX)循环而周期性地苏醒以检查消息或者呼叫。在处于睡眠模式时，不必要的电源轨通常被掉电以延长电池寿命。如果取而代之在睡眠模式期间电源轨被提供电源，则耦合至该电源轨的晶体管和其他设备将传导使电池不必要地放电的泄漏电流。

尽管现代电源管理技术增加了操作时间，但是本领域中仍然存在对于附加的电池寿命的需要。

概述

提供了具有睡眠操作模式和活跃操作模式两者的设备。在睡眠模式中，取决于与动态睡眠阈值电压相比的电池电压来不同地控制设备的电源轨。如果电池电压超过动态睡眠阈值电压，则用于电源轨的功率调节器在睡眠模式期间被关闭，以使得电源轨的电压塌陷(电源变为接地)。相反地，如果电池电压小于动态睡眠阈值电压，则功率调节器在睡眠模式期间为电源轨提供电源。尽管维持电源轨电压而不管电池接近耗尽是反直观的，但是在睡眠模式期间，从来自经提供电源的电源轨的泄漏电流得到的功率损失通过关于电池的软件截止阈值电压的延长的设备操作寿命来掩盖。就此而言，如果电池电压下降到低于软件截止阈值电压，则设备关闭以保护设备不受来自降低的电池电压的故障或损害是常规的。但是如果电池电压已经下降到低于动态睡眠阈值电压，则通过在睡眠模式期间为电源轨提供电源以维持供电电压来关于常规操作为本文公开的设备延迟这一关闭。

在睡眠模式期间，如果电池电压低于动态睡眠阈值电压，则电源轨被提供电源到至少足够用于低电压操作模式的电压，诸如足够维持诸如SRAM存储器状态之类的状态的电压。由于电源轨上的预先存在的电压，所以电池将不必提供在设备从睡眠模式转变到活跃模式时在从电源轨的塌陷状态向电源轨提供电源之际原本将发生的电流浪涌(涌入电流)。正是此电流浪涌将常规地使电池电压拉到低于软件截止阈值电压，随后触发设备的关闭，而不管在电池中剩余用于继续操作的足够电荷。本文中所公开的动态电源管理技术有利地利用了这一剩余电荷以获得延长的设备操作时间。

可通过下述详细描述更好地领会这些以及其他有利特征。

附图简述

图1是根据本公开的一实施例的配置成执行电源管理技术的示例电子系统的框图。

图2A解说了关于常规的从睡眠模式恢复的电池电压、截止阈值电压、以及电池电流。

图2B解说了常规移动设备电池的电池电压对照电荷余量。

图2C解说了根据本公开的一实施例的关于从动态睡眠模式恢复的电池电压、截止阈值电压、以及电池电流。

图3A解说了关于从常规的睡眠模式恢复的电池电压、轨电压、降压电感器电流、以及电池电流。

图3B解说了根据本公开的一实施例的关于动态电压步进器速率从睡眠模式恢复的电池电压、轨电压、降压电感器电流、以及电池电流。

图4是根据本公开的一实施例的示例操作方法的流程图。

本公开的各实施例及其优势通过参考以下详细描述而被最好地理解。应当领会，在一个或多个附图中，相同的参考标记被用来标识相同的元件。

详细描述

公开了电源管理技术，该电源管理技术使由电池供电的设备的操作时间延长而无需对现有电池进行任何改变。在此电源管理技术中，电源轨是关于动态睡眠阈值电压来管理的。此技术被应用于包括集成电路(诸如片上系统(SOC))的设备，该设备具有可在对应的睡眠模式中被独立地掉电的一个或多个功率域。每个功率域可对应于其自己的功率调节器，诸如为该功率域的一个或多个电压轨供电的线性压差调节器(LDO)。如本文定义的，术语“电源轨”和“电压轨”可以被可互换地使用。如果包括要转变到睡眠模式中的功率域的设备的电池电压高于动态睡眠阈值电压，则可以关闭对应的功率调节器，以使得用于功率域的电源轨在睡眠模式期间塌陷。相反，如果电池电压低于动态睡眠阈值电压，则用于转变到睡眠模式中的功率域的功率调节器继续在电源轨上维持至少一降低的电压。例如，该降低的电压可足够在睡眠模式期间维持功率域中的存储器的状态。由此睡眠模式是动态的，因为如果电池电压高于动态睡眠阈值电压，则睡眠模式中的电源轨是塌陷的，并且如果电池电压低于动态睡眠阈值电压，则睡眠模式中的电源轨是非塌陷的。

此外，本文中公开的电源管理技术中的一些功率调节器可被允许使它们的电源轨塌陷，但是如果电池电压低于动态睡眠阈值电压，则关于在从睡眠模式转变回到活跃模式中时对他们的电源轨供电使用较慢的电压步进速率。相反，如果电池电压高于动态睡眠阈值电压，则在从睡眠操作模式转变到活跃操作模式时，可以使用较快的电压步进速率以推升对应的电源轨上的供电电压。

在图1中示出被配置成实践本文中公开的电源管理技术的实施例的示例系统100。系统100中的SOC 110包括多个独立的功率域，每个功率域由至少一个对应的电源轨121供电。电源管理集成电路(PMIC)101管理各种电源轨121的电压和电源定序。为了提供此电源管理，PMIC 101包括被配置成管理期望的电源定序和电压电平的逻辑电路125。PMIC 101不仅管理SOC 110中的功率域，还可管理数个外围设备(未解说)(诸如显示器、扬声器驱动器、USB接口等)的功率。为了调节电源轨121以及外围设备的功率，PMIC 101可包括对应的低压差(LDO)调节器120以及开关功率调节器(诸如降压调节器115)。调节器120和115从电池105获得它们的功率。逻辑电路125关于动态睡眠阈值电压来监视电池105的电池电压。此动态睡眠阈值电压确定由逻辑电路125实现的睡眠模式的动态本质。在一个实施例中，如果SOC 110中的功率域要被转变到睡眠模式中并且电池电压超过动态睡眠阈值电压，则逻辑电路125可关闭对应的LDO调节器120，以使得其电源轨121上的电压塌陷(放电至接地)。但是如果电池电压小于动态睡眠阈值电压，则逻辑电路125将对应的LDO调节器120至少维持在低电压模式中，以保持其电源轨121被提供电源以便携带供电电压。

在一个实施例中，PMIC 101可被认为包括用于管理第一电源轨的装置，以使得在为SOC供电的电池的电池电压大于动态睡眠阈值电压时，在SOC的睡眠模式期间第一电源轨是塌陷的，并且使得在电池电压小于动态睡眠阈值电压时，在SOC的睡眠模式期间第一电源轨被提供电源。如本文中所使用的，电压轨在其电压由功率调节器维持在供电电压电平时被认为是“被提供电源的(sourced)”。

使用动态睡眠阈值电压的优点可以参照图2A来更好的领会，图2A解说了从常规睡眠模式转变所涉及的电流和电压。在模式转变之前的电池电压200高于可以由软件或者由硬件确定的截止阈值电压205。如果对应的PMIC确定电池电压200小于截止阈值电压205，则其关闭用于为到SOC或者ASIC的电源轨供电的功率调节器以防止SOC或者ASIC中的任何损坏或者故障。在从睡眠模式转变之前，电池电流210是可忽略的(例如，1毫安)。在约4毫秒左右，大的尖峰在电池电流210中是明显的，这是在对应的电源轨从其塌陷状态被提供电源(电压增大到供电电压电平)时被标示为涌入电流的现象。此种涌入电流在电池电荷耗尽时是有问题的。具体而言，如图2B示出的，随着电池中剩余电荷的百分比减少，电池电压200下降。同时，电池的内部电阻也上升。由此存在区划201，其中电池电压200中的经涌入电流引起的下陷可触发对应设备的经软件控制的关闭。此类关闭在较低温度下由于电池的内部电阻的对应增大将被更频繁地触发。无论温度如何，如果电池电压200下沉到低于截止阈值电压205，则对应的设备将随后发生关闭。再次参照图2A，作为由于内部电池电阻乘以经涌入电流增大的电池电流210的欧姆电压降的结果，在电池电压200的点A处发生此类关闭。但是如图2B的区划201中示出的，尽管有经软件控制的关闭，但是仍然有一部分(例如，2％)的可用电荷留在电池中。

通过动态地变更睡眠模式，所公开的电源管理技术有利地利用由于截止阈值电压问题而常规地不可用的剩余电池电荷部分。在图2C中示出对于从动态睡眠模式苏醒而言所得到的电池电流215。在此动态睡眠模式中，如果电池电压200高于动态睡眠阈值电压(在此实施例中是3.5V)，则对应的电压轨将塌陷。因为电池电压200下降到低于动态睡眠阈值，所以对应的电压轨没有塌陷，而是取而代之由对应的LDO调节器维持在低电压模式中。由此当睡眠模式转变为活跃或苏醒模式时，不存在涌入电流。电池电压200随后保持大于截止阈值电压205(在一个实施例中等于3.5V)，以使得该设备从未关闭而是取而代之可继续操作。

如以上关于图2B的区划201所讨论的，除了在常规睡眠模式中将被放电的电池电荷之外，一般仅存在数个百分比的总体电池电荷随后可以被利用。但是此类相对较小部分的总体可用电池电荷实际上相当有意义。例如，常规的蜂窝电话电池可具有在2000到3100毫安小时(mAh)的范围内的总体电荷存储。两个百分比的此类总体电荷存储等于约40到62mAh的电荷以供附加的电池寿命。睡眠模式功率使用通常为1.4到2.5mAh，从而使得该额外的2％随后提供29到25小时的额外空闲待机时间。将此电荷转换成更加实用的术语：计及正常使用模式的移动电话的平均使用天数(DoU)的电流大约是40到50mA。本文中所公开的电荷节省技术由此提供另外的1.1到1.2小时的正常使用(与仅仅将电话留在待机模式中而不使用它相反)。这是电池寿命的显著增加，而无需对电池进行任何改变。就此而言，通过增大电池的大小来增加电池寿命是相对直截了当的提议。但是这种大小增大随后违背了紧凑型设备占用面积。本文中所公开的电源管理技术为使用者有效地提供较大的电池，而无需电池大小或成本的任何实际增大。

动态睡眠模式是反直观的，因为将预期：随着电池电荷减少，电源轨的塌陷甚至将更加强有力地被实施。当电源轨塌陷时，可能不存在来自此类电源轨的泄漏电流，并且由此电池上不存在消耗。相反，如果在睡眠模式中甚至在降低的电压状态中维持电源轨，则将存在一些泄漏电流损失。但是这一损失是可接受的，因为它是由如以上讨论地实现的增加的正常使用小时数来主导的。注意，无论动态睡眠模式的实现如何，一些电源轨仍可以是塌陷的。例如，可假定用户随着电池电荷变得减弱而知悉电池电荷的不稳定状态，因为对于移动设备而言包括剩余电池寿命的显示是常规的。由此，用户将在此类时间不具有使用高功耗的操作模式(诸如通过扬声器来播放音乐或者视频游戏)的期望。对应于用于驱动这些可任选的操作模式的电路系统的电源轨可以是塌陷的，即使电池电压已经减小到低于动态电压阈值。相反，诸如语音呼叫之类的基础功能所涉及的电路系统的电源轨在睡眠模式期间被维持在低电压状态中。替换地，这些电源轨可被维持在高于用于低电压状态的电压的活跃电压处。

除了动态睡眠模式之外，可以控制功率调节器以实现它们的对应电源轨的动态电压步进或者斜升。在电池电压大于动态睡眠阈值电压时，对于从睡眠模式苏醒而言，可以控制功率调节器以按正常速率来步进其电源轨上的电压。例如，当电池电压315大于动态睡眠阈值电压时，在对应功率域从动态睡眠模式苏醒期间，图3A中示出的电源轨电压300以正常速率斜升。电源轨电压300的这种相对较快的步进在对应的功率调节器的降压电感器电流305中产生对应的大尖峰。由于降压电感器电流305中的尖峰，所以电池电流310显著地增大。由于电池的内部电阻，电池电压315相应地由于电池电流310的增大而下降。相反，对于在电池电压320小于动态睡眠阈值时从睡眠模式苏醒的电源轨电压330，图3B中示出较低的电压步进速率。由于较低的电压步进速率，所以与图3A的降压电感器电流305相比，降压电感器电流335具有显著较低的电流增大。由此电池电流325具有非常缓和的增大，以使得无论电池的内部电阻如何，电池电压320在电源轨电压330的斜升期间具有对应的较小下陷。在一个实施例中，较快的电压步进速率可以是每微秒40毫伏，而较慢的电压步进速率可以是每微秒5毫伏。将领会，如果这些非必要的电源轨在设备的后续苏醒期间变得必要，则在电池电压下陷到低于动态睡眠阈值电压时，可以将电压步进速率的这种减慢应用于塌陷的非必要的电源轨。例如，用户可能需要在语音呼叫期间短暂地进行web浏览。如先前所讨论的，用于语音呼叫功能的电源轨没有塌陷。可随后以降低的步进速率来使非必要的电源轨上电，以防止当电池电压低于动态睡眠阈值电压时经软件控制的关闭。现在将讨论一种用于使用动态睡眠阈值电压的电源管理技术的操作方法。

图4是一种示例操作方法的流程图。该方法可以由图1的PMIC 101中的逻辑电路125来管理，以用于诸如SOC 110之类的设备及其电源轨121。动作400响应于设备转变为睡眠操作模式，并且包括在为第一功率调节器供电的电池的电池电压大于动态睡眠阈值电压时，关闭该设备的第一电压轨的第一功率调节器。动作400的示例是关闭LDO 120，该LDO 120在电池电压大于动态睡眠阈值电压时为图1的SOC 110的对应电源轨121提供电源。动作405响应于设备转变为睡眠操作模式，并且包括在电池电压小于动态睡眠阈值电压时，驱动第一功率调节器为第一电压轨提供电源。这种通电状态可包括将电压轨提供至诸如在存储器的读取和写入期间使用的活跃电压，或者替代地将电压轨提供至诸如在空闲保留操作模式中使用的降低的电压。当SOC 110处于睡眠模式时并且当电池电压小于动态睡眠阈值电压时，LDO 120保持其对应的电源轨121被提供电源的操作是动作405的示例。

如本领域普通技术人员至此将领会的并取决于手头的具体应用，可以在本公开的设备的材料、装置、配置和使用方法上做出许多修改、替换和变动而不会脱离本公开的精神和范围。有鉴于此，本公开的范围不应当被限定于本文中所解说和描述的特定实施例(因为其仅是作为本公开的一些示例)，而应当与所附权利要求及其功能等同方案完全相当。