具有用于使外部电源稳定的电流限制反馈控制环路修改的便携式电子设备电力管理器

摘要

一种便携式电子设备，具有：电池，用于提供操作所述设备的电力；连接器，包括将耦接到外部电源的电源引脚；以及电力管理器，具有通过所述电源引脚吸取电力来给所述电池充电的电池充电器电路。所述电力管理器具有根据所述外部电源的预定输出电流额定值来限制吸取的电流的电流限制反馈控制环路。所述电力管理器自动地改变所述控制环路的行为来使耦接的外部电源的操作稳定。还描述和要求保护其它实施例。

说明书

本发明的实施例涉及便携式电子设备中的自动地使耦接的外部 电源（power supply）稳定的电力和/或信号调节技术。

背景技术

诸如手持无线通信设备（移动电话或智能电话）和笔记本或膝 上型个人计算机之类的许多便携式电子设备具有内置的、由外部电源 供电的开关电源电路。例如，当具有规定输出的交流电源适配器被插 接到智能电话中时，智能电话中的开关电源电路从插接的电源适配器 吸取电流，并且产生用来对设备的电池充电和/或用于操作设备的组 件中的其余组件所需要的电压。然而，开关电源电路吸取电流的方式 产生负阻抗负载。因此，外部电源有时行为反常，例如，其通常稳定 的直流输出下降到规定之外，呈现出过度的下冲（undershoot）和/ 或过冲（overshoot），并且甚至可能振荡。

发明内容

本发明的一个实施例是一种便携式电子设备，其具有：电池， 用于提供操作所述设备的电力；以及连接器，包括将被耦接到外部电 源的电源引脚。该设备还具有电力管理器电路。该电力管理器通过所 述电源引脚从耦接的外部电源吸取电力，来对电池充电（例如，使用 开关电源电路）。该电力管理器具有电流限制反馈控制环路，其根据 外部电源的预定输出电流额定值（例如通过控制串联导通晶体管）来 限制吸取的电流。该电力管理器自动地改变反馈控制环路的行为来帮 助使耦接的外部电源的操作稳定。

该电力管理器可以通过修改控制环路的环路频率响应来改变其 行为。

该电力管理器还可以通过改变控制环路中使用的误差放大器的 偏置电流改变以例如或者增大或者减小控制环路的带宽来改变控制环 路的行为。

该电力管理器还可以改变控制环路中的滤波器的频率响应来改 变控制环路的谐振频率。该滤波器可以是控制信号滤波器，例如数字 滤波器，或其可以是电力线调节滤波器。

在另一实施例中，电力管理器可以用信号通知预定的脉冲类型 的负载被施加于电源引脚上。耦接的外部电源对该脉冲型负载的响应 随后被测量，并且基于此，控制环路的行为可以被改变。例如，电力 管理器可以基于测得的响应来计算耦接的外部电源的谐振频率，并且 基于此，例如通过改变控制环路的带宽以避开计算出的谐振频率来改 变控制环路的行为。

以上概要不包括对本发明的所有方面的穷举。可以构想到，本 发明包括可以根据以上概要的各个方面以及在以下详细描述中公开的 以及特别是在与本申请一起提交的权利要求书中指出的那些方面的所 有适当组合来实施的所有系统和方法。这样的组合具有没有在以上概 要中具体记载的特别优点。

附图的简要说明

本发明的实施例是通过示例方式而不是限制方式在附图中图示 的，在附图中，相似的标号表示相似的元素。应当理解，在本公开中 对本发明的“一个（an）”或“一个（one）”实施例的提及并不一 定是指同一实施例，它们是指至少一个实施例。

图1示出便携式设备耦接到外部电力源（power source）的两 种情形。

图2是外部电力源和便携式设备在相互耦接时的电路示意图， 包括各自的某些相关组件。

图3是便携式设备的电力管理器的组合电路示意图和框图，其 中，电流限制反馈控制环路的一个实例被示出为是根据本发明一个实 施例来调节或控制的。

图4是电流限制反馈控制环路的另一实例的组合电路示意图和 框图。

图5是电流限制反馈控制环路的又一实例的组合电路示意图和 框图。

图6是用于调节电流限制反馈控制环路的数字信号处理的示例 算法。

详细描述

现在说明参考附图的本发明的若干实施例。每当实施例中描述 的部件的形状、相对位置和其它方面未被清楚限定时，本发明的范围 不仅仅被限制于所示出的部件，这些部件仅仅用于图解的目的。并 且，尽管阐述了大量细节，但是，应当理解，可以在没有这些细节的 情况下施行本发明的一些实施例。在其它实例中，没有详细示出公知 的电路、结构和技术以免模糊对本描述的理解。

如以上所总括的，本发明的一个实施例是一种可以通过修改便 携式设备中的电流限制控制环路的行为来帮助使耦接到便携式设备的 外部电源稳定但又不实际损害其电流限制功能的技术。关于本发明的 更好的观点，考虑也能够帮助使外部电源稳定的如下不同技术。便携 式设备中（并且由外部电源馈电）的开关电源电路的输入处的电压谱 （直流以上并且在所关心的预定频率范围中）被监视。在这样做时， 从外部电源吸取的电流谱被调节以使得呈现给外部电源的负载变成正 阻抗（或线性阻抗）。然而，在一些情况下，负载的此线性化并不足 以使外部电源稳定，特别是在后者可能是开关模式（开关）电压调节 器的情况下。本发明的一个实施例是可以在便携式设备中做出的不同 调节，其可以单独使用或与负载线性化组合使用，来帮助使外部电源 稳定。

图1示出便携式设备（PD）10耦接到外部电力源（EPS）18 以对PD的电池（未示出）充电的若干不同情形。这里的术语“电 池”一般被用来不仅包括适合在PD 10中使用的传统的电化学电池 系统也包括燃料电池系统。PD 10是可以由用户容易地在一只手中四 处携带的电池操作的消费电子设备。其可以向用户提供如下电子功能 中的一者或多者：双向实时或实况无线通信（一般称为移动音频或视 频电话）；消息传送；网络浏览和基于网络的服务；导航；指南针； 日历应用；照相机和视频相机；数字摄影应用；文字处理器应用；电 子数据表应用；团体演示应用；音频和视频记录；包括音频和视频的 数字媒体播放器；和视频游戏。PD 10具有外壳，在外壳中集成了本 领域技术人员公知的提供以上功能中的任意一个或多个功能所需要的 各种电子电路组件。

在图1中，示出PD 10的两个实例。在一个实例中，PD 10通 过外围通信接口线缆装配件12耦接至台式个人计算机。台式计算机 可以通过插接到交流墙壁插座而被供电，如图所示。在另一实例中， PD 10耦接到EPS 18，EPS 18是交流墙壁电源适配器单元。在又一 实例（未示出）中，EPS 18可以是点烟器/汽车电压适配器单元或膝 上型/笔记本计算机。

在一个实例中，线缆装配件12除了具有EPS侧线缆连接器13 以外，还具有PD侧线缆连接器11，其被设计用于与PD 10的内置 连接器（未示出）配对。EPS侧线缆连接器13可以是可利用内置到 EPS 18中的配对连接器来插接的。线缆装配件12可以例如是依据计 算机外围通信接口规范的，诸如用于与外围设备的通信的通用串行总 线（USB）或其它适合的替代物。通信接口也可以称为通信总线。注 意，在另一实例中，线缆装配件12尽管具有PD侧连接器1，但是 没有对应的EPS侧连接器13。在该情况中，线缆装配件12的电线 可以被硬连线到EPS 18的外壳内的电路系统中。

在EPS 18中，存在EPS电源电路15（这里也称为外部电源 15）。外部电源5可以是提供规定的直流输出电压的开关模式电压调 节器。在交流墙壁适配器单元的情况下，这可以使用交流到直流变换 器来获得，或者，在点烟器适配器或台式个人计算机的情况下，使用 直流到直流变换器来获得，这取决于输入电力的类型。

在PD 10中，其中集成有电力管理电路3，其负责调节PD 10 中所消耗的（和可以从外部电源15吸取的）电力的量以便使得电力 的使用更加有效而保存电池能量和/或避免热情况。例如，电力管理 器可以执行如下控制功能中的一者或多者的组合：对显示屏进行背光 照明；硬盘旋转减慢（spin down）；睡眠和唤醒；电池充电；跟踪 板控制；睡眠期间的输入/输出；和PD 10的对电力消耗具有实质影 响的其它功能。这些可以基于由电力管理器3的数据处理组件，例如 微控制器，运行的算法。电力管理器3也可以视作包括电源电路系统 （控制组件和电力组件两者），诸如以下组件中的任意一者或多者： 电池充电器电路；直流到直流开关和/或线性电压调节器；以及升压 变换器。电力管理器3也可以包括传感电路系统（包括A/D变换 器），来通过响应于感测PD 10中的温度而调节PD 10中的组件的 电力消耗来帮助其执行诸如温度调节和热管理之类的功能。

在一个实施例中，电力管理器3具有开关电源电路系统，该开 关电源电路系统在此情况下通过连接器11的电力（P）引脚或电源 线从外部电源15吸取电力，并且对电池充电，从而实质上用作开关 模式电池充电器电路。电力管理器3也可以具有从外部电源15吸取 电力来实质上对PD 10的组件中的其余组件进行供电（操作）的额 外功能。这可以使用一个或多个线性的或开关模式的调节电源电路来 实现，所述电源电路的输出对PD 10中的所有其他组件（例如，主 逻辑板，显示屏，触摸屏，跟踪板，硬盘驱动器，射频功率放大器等 等）供应电力。电力管理器3可以是安装在PD 10的主外壳内的印 刷线路板上的封装集成电路（芯片）、多芯片模块，或若干封装集成 电路和分立器件的组合。

现在转到图2，示出EPS 18和PD 10在相互耦接时的电路示 意图，包括各自的某些关联组件。为了论述的目的，线缆端连接器 11用于将便携式设备侧与外部电力源（EPS）侧分开，如图所示。 连接器11与PD侧连接器20配对，PD侧连接器20至少具有一个数 据引脚（在此示例中，一对数据引脚D1，D2）和一对电力（P）和 返回（R）引脚。这对电力（P）和返回（R）引脚主要用于供应电力 给PD 10，而数据引脚主要用于执行信令信息和数据传输。信令和数 据传输由EPS侧的总线PHY 23和PD侧的对应总线PHY 22执行。 总线PHY是用来连接EPS和PD的给定通信总线的物理层接口。例 如，总线PHY可以依据任何现有的通信总线规范，例如，用于消费 电子设备中的外围设备通信的USB或其它适合的替代物。

在此示例中，EPS侧还包含EPS标识生成器25，其可以是与 总线PHY 23分离的。EPS标识生成器25允许EPS 18的制造商标识 EPS 18的各种属性，包括其类型或型号、序列号和/或其外部电源15 的某些特征，诸如其（P和R线上的）电源输出功率、电流和/或电 压额定值。后面的信息可以在通信总线的数据线D1或D2上被用信 号通知，随后被PD侧的EPS标识解码器21识别，并且随后被电力 管理器3使用，来确定如何管理PD中的电力消耗。具体地，电力管 理器3可以使用所识别的外部电源输出额定值来限制电力线上的吸取 电流或功率，以及如下所述地监视电力线上的电压来使外部电源的操 作稳定。可以使用用于EPS标识生成器25和EPS标识解码器21之 间传输电源属性的任何传统技术，包括模拟信令方法，其中，数据线 上的已知的上拉（pull up）或下拉（pull down）电阻器（其阻抗值 与各自的功率或电流限制相关联）在生成器25中被选择和设置，其 随后在解码器21中被检测到。

注意，为了方便起见，这里对外部电源15的“输出电流额定 值”的任何提及应当理解为可替换地为“输出功率额定值”，因为这 两者通过功率=电流*电压的关系式而被关联。

电力管理器3包含通过电源引脚（P）吸取电力来对电池24充 电的电池充电器电路。在此示例中，电力管理器3通过过电压保护/ 反向电压保护（OVP/RVP）电路27和电源线调节滤波器（LC）28 来吸取电流。OVP/RVP 27防止其输出处的电压超过预定限制（例 如，由于静电放电事件或极性反转）。LC滤波器28包括在输入到 电力管理器3之前对电源线执行低通滤波功能的一个或多个模拟滤波 组件，例如，串联导通电感器（series pass inductor）和并联电容 器。吸取的电力也可以用来操作PD 10的所有其他组件，包括主逻 辑板、射频功率放大器、显示屏等。电力管理器3管理分配来给电池 24充电以及分配给PD 10中的组件中的其余组件的电流的量，以便 不超过外部电源15的预定输出额定值（如由EPS标识解码器21所 确定的）。这是使用电流限制反馈控制环路来执行的。为了帮助使耦 接的EPS 15的操作稳定，电力管理器3自动地改变其电流限制反馈 控制环路的行为。以下详细说明这些方面。

现在转到图3，示出电力管理器3的组合电力示意图和框图， 其中，图示出电流限制反馈控制环路31的一个实例。在此情况中， 通过线路调节滤波器28吸取的电力在在电池充电器30和开关电源 29之间被分割之前，经过串联导通晶体管34。开关电源29可以用来 给PD 10的射频功率放大器和/或其它组件供电（包括例如除了电池 以外的所有组件），而电池充电器30可以是线性的或开关模式类型 的充电器，负责使电池进入满充的状态。

除了这些串联导通晶体管以外，电流限制反馈控制环路31还包 括获取电源线（其对电力管理器和其控制环路31馈电）中的电流的 测量值的电流测量电路32。这可以是给定瞬间的直流电流的测量 值，其在PD 10利用耦接的外部电源15操作（参见图2）时随时间 过去而重复。测得的直流电流可以被感测，或者，其可以通过计算被 估计。例如，电流可以通过获取串联导通晶体管上的电压被感测到， 或者，其可以通过使用围绕电源线放置的磁电流环被感测到。作为替 代，可以由外部电力源18自身（例如使用EPS标识生成器25并且 通过数据线D1,D2——参见图2）将电流的测量值用信号通知给电流 测量电路32。在任意情况下，由比较器电路33将测得的电流与参考 电流电平比较。参考电流电平可以先前已经被EPS标识解码器21 （参见图2）识别，作为外部电源的预定输出电流额定值或从功率额 定值导出。预定输出电流额定值可以是指定的最大稳定状态电流或功 率（其可以由外部电源指示）。测得的电流与参考电流之间的误差或 差随后在被用来驱动串联导通晶体管34的控制电极之前，被控制信 号滤波器/解码器电路35滤波或解码。电流限制反馈控制环路31对 电源线上的电流进行周期采样并且作为响应，调节串联导通晶体管 34来确保预定输出额定值不被超过。该技术可以允许电池充电器30 和开关电源29独立于电流限制反馈控制环路31地操作。相对照地， 如以下参考图4和图5说明的，存在本发明的其它实施例，其中，电 池充电器30和/或开关电源29不独立于电流限制控制环路，而是他 们本身对来自滤波器/解码器35的控制信号进行响应，以便限制电源 线上的总的直流电流。

从另一方面来看，控制环路31是闭合反馈控制环路，因为其连 续监视电源线中的直流电流，并且，如由滤波器/解码器35的频率响 应或输入/输出特征所限定的那样，调制传递晶体管34，以便在不超 过外部电源的输出电流额定值的同时在传递晶体管34的下游保持尽 可能高的电压。

根据本发明的实施例，电流限制反馈控制环路31的“正常”行 为被实时地或连续地动作的稳定化控制器37调节或修改，以便帮助 使外部电源稳定。在一个实施例中，如图3中所示，这是使用数字信 号处理（DSP）电路39来完成的，DSP电路39执行如下算法，该算 法将电源线上的测得的电压谱视为输入（在此情况下，使用模拟到数 字变换器（ADC）38来在线路调节滤波器28的下游并且在电池充电 器和开关电源29之前或上游将电源线电压数字化）。DSP电路39 实时分析电压，并且响应于习得例如外部电源正在其电压规范外操作 而基于该电压立即改变控制环路31的行为。例如，电源线上的直流 电压可能正呈现振荡、瞬变（过冲和下冲）和/或过压或电压不足 （即，稳定状态直流电压在其规定范围之外）。

从另一方面来看，电力管理器以及特别是控制器37监视电源线 的电压来找出耦接的外部电源正在异常地或以不稳定的方式操作的任 何指示。响应于检测到这样的事件，控制器37通过修改其环路频率 响应来改变控制环路31的行为。这可以例如通过作为比较器33（参 见图3）的一部分的误差放大器的偏置电流来完成。偏置电流中的该 改变的信号通知可以被设计为增大或减小控制环路31的带宽，这是 控制环路对所监视的电源线电压中的改变进行响应的速度。因此，比 较器33可以包括这样的误差放大器，该误差放大器的可变偏置电流 可以被增大或减小以便改变环路带宽。预期通过以这种方式改变环路 带宽，呈现给外部电源的有效交流负载被修改以便使得该交流负载看 起来更适合外部电源的调节电路。如以上所建议的，对电流限制反馈 控制环路的频率响应的此改变可以与本领域中已知的尝试使呈现给外 部电源的交流负载线性化的其它技术结合使用。

电流限制反馈控制环路31中可以旋转（来帮助使外部电源稳 定）的另一“旋钮”（knob）是控制信号滤波器解码器35的频率响 应。滤波器解码器35可以是依赖于实现的模拟或数字带通滤波器， 具有可被控制器37改变的频率响应，以便改变控制环路31的谐振频 率。滤波器35处于环路31的控制信号路径中，以使得修改其数字滤 波器的抽头或系数导致整个环路31的谐振频率的变化。谐振频率的 变化被设计成避开耦接的外部电源的谐振频率。通过强制实现控制环 路31的谐振频率和外部电源的谐振频率之间的差，降低了电源线上 产生潜在不稳定的电压信号（例如，振荡；过冲或下冲）的可能性。

可以改变控制环路31的谐振频率（从而使其远离外部电源的谐 振频率）的又一种方式是改变电源线路调节滤波器28的频率响应。 因此，在一个实施例中，控制器37具有如下输出，该输出以改变控 制环路31的谐振频率（来避开外部电源的谐振频率）的方式，控制 线路调节滤波器28的参数和特征以改变后者的频率响应（还保持器 总体的低通滤波或波纹减少功能）。

鉴于以上内容，本发明的一个实施例可以是一种存储了指令的 机器可读介质，诸如集成电路存储器或大容量存储设备（在便携式设 备内），所述指令将一个或多个数据处理组件（在这里一般称为“处 理器”）编程为执行上述DSP电路39的操作中的一些。在其它实施 例中，这些操作中的一些可以由包含硬连线逻辑的特定硬件组件执 行。这些操作可以可替换地由经编程的数据处理组件和固定的硬连线 电路组件的任意组合执行。

现在参考图4，图示出电流限制反馈控制环路31的组合电路示 意图和框图。在该实施例中，电流测量电路32、比较器33和滤波器/ 解码器35可以以与图3的情况很相似的方式操作，除了电源线（电 池充电器30和开关电源29的上游）上没有分离的串联导通晶体管 34以外。而是，在此情况下，电流限制通过直接控制在电源线上的 电源电路（在此情况下为电池充电器30和开关电源29）来实现，以 使得在电源线上吸取的的总的直流电流保持在参考电流电平或低于参 考电流电平。这里，滤波器/解码器35具有向电池充电器30提供控 制信号的输出，该控制信号指示例如电池充电电流应当降低（来确保 电源线上的总的电流不超过预定阈值）。类似地，在另一实例中，滤 波器/解码器35可以用信号通知开关电源29降低其在电源线上总的 电流吸取（例如，帮助允许电池充电器30吸取更多电流以便例如更 快地对电池充电）。这样的决定可以由滤波器/解码器35根据传统的 便携式设备电力管理技术来做出。为了简练起见，在图3中图示出的 电力管理器的其余部分，即动作来调节电流限制反馈控制环路31的 控制器37（其具有ADC 38和DSP电路39）在图4中没有图示出， 但是应当理解，存在该控制器以提供使外部电源稳定所需要的调节。

图5图示出电流限制反馈控制环路31的又一实例的组合电路示 意图和框图。在此情况下，电源线仅终止于电池充电器30中，以使 得便携式设备中的其它电源电路PS 1、PS 2等被直流耦接至供应电 流来对电池再充电的电池充电器30的正极节点。相对照地，图3的 布置会需要将电池的正极节点直接耦接到便携式设备的所有其它电源 电路的额外电力开关电路系统（电池充电器的下游）。回到图5，该 实施例中的电流限制反馈控制环路31以总的来说与其它实施例类似 的方式操作，除了还是不要求与电池充电器30本身分离的串联导通 晶体管34（参见图3）以外。滤波器/解码器35的输出提供命令电池 充电器30限制其在电源线上吸取的电流的量的控制信号。再次，该 控制信号基于：滤波器/解码器35已经确定了在电源线上已经达到了 最大指定直流电流。

现在参考图6，图示出供DSP电路39用来调节电流限制反馈 控制环路31的示例算法。该算法至少具有两个输入，即电源线 （P）上的测得电压信号和电源线电压规范。后者可以从耦接的外部 电源读取或由耦接的外部电源发送，或者，其可以先前已经在便携式 设备的制造时被编程或存储到便携式设备中。该算法包括判决电路 45，其判定电源线电压是否稳定。这可以包括简单地判定测得的直流 电压信号是否在规范的规定直流电压范围以内。判决电路45可以可 替换地从分析测得的交流电压信号的若干其它模块获取输入，所述其 它模块即过冲检测块41、下冲检测块42和振荡检测块43。如它们的 名称所暗示的，这些模块可以对测得的电压信号特别是交流电压谱 （在期望操作的给定频率范围上）执行数字信号处理，来检测过冲情 形、下冲情形，或具有充分高幅度的振荡。如果这些“问题”中的任 何一者被检测到，则电源线电压被视为是不稳定的，响应于此，该算 法修改电流限制反馈控制环路的行为（框46）。这里，再次，该算 法采用以下选项中的一者或多者来解决所面临的问题：改变控制信号 滤波器/解码器35的一个或多个参数；改变比较器33中的误差放大 器的偏置；和/或改变模拟电源线调节滤波器28的一个或多个参数 （参见图3）。如以上所说明的，该对控制环路处理的修改可以视为 改变环路频率响应，而不影响电流限制反馈控制环路的直流电流限制 功能。控制环路的行为的改变也可以视为改变反馈控制环路处理的环 路带宽。注意，这样的改变可以限定成是相对较小的增大，以使得控 制环路的总的直流电流限制功能不会实质上受损。由于该算法的实时 或连续操作特质，以这种方式强制实现小的改变在仅产生所需的行为 的最小改变以便去除检测到的电源线电压上的不稳定性中可以是有效 的。

以上针对控制器37描述的调节或修改电流限制反馈控制环路处 理的行为的处理可以“在后台”操作，即在便携式设备的正常操作期 间持续地并且不为设备的端用户显见地操作。然而，在一些情况下， 可能期望对控制环路处理进行较频繁的改变，或者期望预见电源线上 的潜在不稳定性。这可以通过首先激励外部电源以便从其引发响应 （电源线上的电压响应）来获取有关电源线上的不稳定性的可能性的 信息来实现。例如，稳定化控制器37可以能够用信号通知电池充电 器30和/或开关电源29（参见图3）对电源线施加预定负载，以便从 外部电源引发响应。该预定负载可以是脉冲型负载，诸如通常被用来 测量传统电压调节器电路的响应的一种负载。控制器37随后将以先 前描述的方式（包括例如对电源线上的交流电压谱进行测量）测量响 应，并且随后分析测得的响应来确定外部电源的特征。具体地，控制 器37可以通过例如检测在测得的响应中观测到的振荡的频率，使用 测得的响应数据来计算外部电源的谐振频率。控制器37随后基于所 分析的响应来修改控制环路31。例如，控制器37可以改变控制环路 31的环路带宽来避开计算出的谐振频率。该仿真外部电源并测量其 响应的能力可以是用于DSP电路39的独立算法，或者其可以被添加 到图6中图示出的的算法来例如仅偶尔被执行，以便验证先之前对电 流限制反馈控制环路做出的修改。

尽管已经在附图中示出并且描述了某些实施例，但是应当理 解，这样的实施例仅仅是本广泛发明的例示而不是限制，并且本发明 不限于所示出和所描述的具体构建和布置，因为本领域技术人员可以 进行各种其他修改。例如，尽管图3示出监视电源线电压的数字化版 本的DSP电路39如何调节电流限制反馈控制环路31，但是这可以 可替换地使用纯模拟监视和控制电路（用于控制器37）来实现。并 且，尽管图1中图示出的PD 10是多功能移动电话（智能电话）但 是本发明适用于其他类型的便携式设备，例如膝上型/笔记本计算 机、平板计算机、专用导航设备、数字媒体播放器、蜂窝电话和个人 数字助理。因此，该描述被视为是说明性的而非限制性的。