專利名稱：適用于無線電通信設備的電能控制方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子設備的電能控制，具體涉及在便攜式電子設備中最大化利用電池能量。
傳統(tǒng)上，業(yè)已開發(fā)出一些電能控制裝置，用以控制由電池提供給便攜式電子設備的電能。這些電能控制裝置監(jiān)視該電池的電壓，將該電池電壓與一個硬件欠電壓(undervoltage)閾值相比較。當該電池電壓下降到低于該欠電壓閾值時，就切斷供給該便攜式電子設備的電能。這個閾值典型地設定得比該便攜式電子設備的最低工作電壓高200-300毫伏。在無線電通信設備中，該閾值典型地設定得比該無線電通信設備中的電壓調(diào)節(jié)器工作電壓高200-300毫伏。電壓調(diào)節(jié)器用來向該無線電通信設備中的其余部分提供一個穩(wěn)定的基準電壓。因提供了這樣的閾值，故無線電通信設備的工作很可靠；可是，在電池中余留了一些未用的能量。根據(jù)無線電通信設備中使用的電池類型，未用能量的數(shù)量是不同的。


圖1示出NiCd(鎳鎘)電池的電壓/泄漏特性曲線100的一個例子。從該電壓/泄漏特性曲線上可以看出，在到達傳統(tǒng)的欠電壓閾值101之后，電池中余留的未用能量的量值很小。圖2示出鋰離子電池的電壓/泄漏特性曲線200的一個例子。從圖2中可以看出，鋰離子電池具有線性的電壓/泄漏特性。據(jù)此，在到達傳統(tǒng)的欠電壓閾值201之后，在電池中余留明顯的一部分的未用能量。如果可以提供一個較低的欠電壓閾值，例如閾值203，則由該電池供電的設備的工作時間將會顯著增加。
在便攜式電子設備市場中，促使制造廠家應提供長的持續(xù)工作時間。這在無線電通信設備市場更是如此。鋰離子電池的引進到電池技術(shù)中是一個重大的進步，對便攜式電子設備提供了增加的工作時間。但是，這種進步的沖擊并未被上述的傳統(tǒng)的電能控制裝置充分利用。傳統(tǒng)的電能控制裝置在電池中余留的未用能量還有明顯部分時，仍會切斷對便攜式電子設備的供電。據(jù)此，提供一種電能控制裝置可在切斷供電之前能利用電池中較大部分能量，將是有益的。
圖1示出本領(lǐng)域公知的一種NiCd電池的電壓/泄漏特性曲線的例子。
圖2示出本領(lǐng)域公知的一種鋰離子電池的電壓/泄漏特性曲線的例子。
圖3示出包括根據(jù)本發(fā)明可被使用的便攜式無線電通信設備的無線電通信系統(tǒng)的方框圖例子。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的圖3所示的電能控制電路的方框圖例子。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的方法流程圖例子。
圖6的部分1示出先有技術(shù)中是已知的電能控制裝置的性能例子。
圖6的部分2示出按照本發(fā)明的電能控制裝置的性能例子。
本實施例說明用于無線電通信系統(tǒng)中的一種便攜式無線電通信設備。該無線電通信設備由可再充電電池供電，雖然可再充電電池可以是一個鋰離子電池，但其它電池例如NiCd電池、鎳金屬氫化物電池及其等效物也可使用。便攜式無線電通信設備內(nèi)含電能控制電路，用以監(jiān)視該電池的電壓電平并向該無線電通信設備內(nèi)含的、包括無線電電路在內(nèi)的其它電子部件供電。
該電能控制電路含有一個升壓調(diào)節(jié)器，用以提供一個恒定電平的輸出電壓，它與輸入電壓值無關(guān)，該輸入電壓低于輸出的調(diào)節(jié)電壓。利用升壓調(diào)節(jié)器的輸出信號產(chǎn)生一個內(nèi)部基準信號，為整個無線電通信設備應用，升壓調(diào)節(jié)器含有一個模/數(shù)變換器(ADC)，用以數(shù)字化電池電壓，由電能控制電路使用。數(shù)字化的電池電壓與至少一個閾值相比較，響應該比較結(jié)果，無線電通信設備按照許多種已知的方式之一進入斷電狀態(tài)，如在1987年2月10日公開的美國專利4,642,479中所述的斷電方式，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。應用升壓調(diào)節(jié)器的輸出信號作為ADC的基準，容許電池電壓下降到內(nèi)部基準信號的電壓之下，并在比本發(fā)明背景技術(shù)中所述的傳統(tǒng)的欠電壓閾值更低的一個欠電壓閾值時切斷供電。應用這個較低的欠電壓閾值可最大化利用電池供給的電池能量的數(shù)量。
此外，使用一個硬件比較器將電池電壓與第二電池電壓閾值和第三電池電壓閾值比較，借此，防止損壞電池和無線電通信設備電路。具體地說，當無線電通信設備處于加電狀態(tài)時，將電池電壓與第一硬件欠電壓閾值比較，后者低于軟件欠電壓閾值。當無線電通信設備處于斷電狀態(tài)時，將電池電壓與第二硬件欠電壓閾值比較，后者高于軟件欠電壓閾值。第一硬件欠電壓閾值用以在軟件電能控制電路故障時保護電池不致?lián)p壞。第二硬件欠電壓閾值可確保在加電狀態(tài)進程期間無線電通信設備能正常工作。一到達加電狀態(tài)，硬件欠電壓閾值切換到第一硬件欠電壓閾值。
圖3示出無線電通信系統(tǒng)300的方框圖例子。無線電通信系統(tǒng)300含有一個固定現(xiàn)場收發(fā)信機(TXCVR)301。該固定現(xiàn)場收發(fā)信機301往和從一個固定地理區(qū)域內(nèi)的多個無線電通信設備發(fā)送和接收射頻信號。一種這樣的無線電通信設備就是圖3所示的無線電通信設備303，在固定現(xiàn)場收發(fā)信機301與無線電通信設備303之間發(fā)送的射頻信號，提供了諸如無線電電話業(yè)務、電子郵體業(yè)務、無線傳真業(yè)務和短消息業(yè)務之類的無線電通信業(yè)務。本發(fā)明的其它完全等同的實施例可以包括這些通信業(yè)務的其它組合以及其它已知的無線電通信業(yè)務。
無線電通信設備303也稱為“便攜式電子設備”303，它包括一個無線305、一個發(fā)射機(TX)307、一個接收機(RX)309、一個處理器311、一個用戶接口313、一個電能控制電路(也稱為“電能控制裝置”)315和電池317。無線電通信設備303由天線305接收射頻信號。天線305將接收的射頻信號轉(zhuǎn)換為電的射頻信號，以供接收機309使用。接收機309解調(diào)該電的射頻信號，恢復出利用射頻信號發(fā)送的數(shù)據(jù)。無線電接收機309還把該數(shù)據(jù)輸出給處理器311。處理器311含有至少一個主微處理器，例如摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC68040；有關(guān)的存儲器；以及含有集成電路的其它控制電路，和其它已知的技術(shù)。處理器311將從無線電接收機309接收的數(shù)據(jù)輸出格式化成為可識別的話音或消息信息，以供無線電通信設備中包括用戶接口313的其它電路部分使用。用戶接口313將格式化的數(shù)據(jù)輸出，通過揚聲器、顯示器或任何其它通信媒體傳送給用戶。
射頻信號從無線電通信設備303傳送到固定現(xiàn)場收發(fā)信機301時，用戶接口313就把用戶輸入數(shù)據(jù)傳送給處理器311。這樣的數(shù)據(jù)可包括話音數(shù)據(jù)和/或消息信息。處理器311格式化從用戶接口313得到的信息，再把格式化的信息傳送給無線電發(fā)射機307。無線電發(fā)射機307把格式化的信息轉(zhuǎn)換成為電的射頻已調(diào)制信號，并把這些信號輸出給天線305，以便發(fā)送給固定現(xiàn)場收發(fā)信機301。
在優(yōu)選實施例中，電池317是鋰離子型電池。雖然，其它電池例如鎳鎘電池、鎳金屬氫化物電池和任何其它已知的電池類型可以替代，但可以相信，本發(fā)明對于使用線性放電型電池例如鋰離子電池的那些便攜式電子設備是最有益的。電池317輸出一個地電位信號和一個正電池輸出信號(B+)。B+信號具有電池電壓，由電能控制電路315監(jiān)視。在優(yōu)選實施例中，電能控制電路315監(jiān)視B+信號電壓，或是將B+信號電壓與三個獨立的閾值信號比較。第一閾值是一個軟件關(guān)斷(shutdown)電壓閾值。為了比較，由一個ADC數(shù)字化B+信號，該ADC利用由升壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的一個內(nèi)部基準。利用該升壓調(diào)節(jié)器，允許軟件欠電壓閾值處在無線電通信設備的最低工作點上，它低于傳統(tǒng)的硬件欠電壓閾值。如上文論述的，傳統(tǒng)的硬件欠電壓閾值設定得比調(diào)節(jié)器工作點高出200-300毫伏。這個傳統(tǒng)的閾值之所以需要，是因為電池電壓一旦下降到調(diào)節(jié)的輸出電壓之下，未提升的基準電壓將與電池電壓一起下降。為此，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，如果使用這種較低的軟件欠電壓閾值關(guān)斷，則傳統(tǒng)的系統(tǒng)將再不指示一個關(guān)斷狀態(tài)。當無線電通信設備處于加電狀態(tài)而降低關(guān)斷的閾值時，關(guān)斷閾值下降允許使用電池中未用的能量，而這種未用的能量在傳統(tǒng)的硬件欠電壓電路中是不能使用的。這允許無線電通信設備303增加其工作時間，明顯地比先有技術(shù)中可得到那些電話多些。
此外，電能控制電路315還包含有與兩個附加的硬件欠電壓閾值的硬件比較。當無線電通信設備303處于加電狀態(tài)時，B+信號的電壓與第一硬件欠電壓閾值比較，后者低于軟件欠電壓閾值。在優(yōu)選實施例中，第一硬件欠電壓閾值設定等于2.7伏。
當便攜式無線電通信設備303處于斷電狀態(tài)時，B+信號的電壓與第二硬件欠電壓閾值比較，后者高于軟件欠電壓閾值。在優(yōu)選實施例中，第二硬體欠電壓閾值設定等于3.1伏。第二硬件欠電壓閾值設定在一個電平上，該電平能防止無線電通信設備303不致加電處于禁用狀態(tài)并保證無線電通信設備303在加電狀態(tài)下工作一段合理的時間量。電能控制電路315的細節(jié)情況在圖4中示出。
圖4示出圖3所示的電能控制電路315的方框圖例子。在優(yōu)選實施例中，電能控制電路315包含一個定標器401、模/數(shù)變換器(ADC)403、一個處理器405、一個升壓調(diào)節(jié)器407、一個基準發(fā)生器409、一個線性調(diào)節(jié)器411、一個硬件比較器413、一個閾值發(fā)生器415和一個硬件關(guān)斷電路417。
當無線電通信設備303處于加電狀態(tài)時，B+信號321的電壓輸入到定標器401。定標器401并不是本發(fā)明的必需部分，但它是優(yōu)選的部分。定標器401把B+信號321的電壓定標，以便最佳地適配ADC 403的輸入電壓范圍。B+信號321還輸入到升壓調(diào)節(jié)器407、線性調(diào)節(jié)器411和硬件比較器413。升壓調(diào)節(jié)器407可以是Maxim Integrated Products公司生產(chǎn)的一種升壓調(diào)節(jié)器型號為MAX631。升壓調(diào)節(jié)器的作用是提供一個輸出電壓高于其輸入電壓。雖然，電能控制電路315只含有一個線性調(diào)節(jié)器411，但無線電通信設備中使用的線性調(diào)節(jié)器的實際數(shù)量是可變的，這取決于具體的無線電通信設備設計的特定需要。線性調(diào)節(jié)器411用來向無線電通信設備303中所包括的一部分無線電通信設備電路提供一個調(diào)節(jié)的電壓。線性調(diào)節(jié)器411的正常工作要求B+信號的電壓比線性調(diào)節(jié)器411的輸出電壓至少高出0.2伏。
升壓調(diào)節(jié)器407的調(diào)節(jié)輸出電壓423攜帶有一個提升的調(diào)節(jié)器電壓，并輸入到基準發(fā)生器409。在優(yōu)選實施例中，基準發(fā)生器409用來控制提升的調(diào)節(jié)器輸出信號423中的變動，以向ADC403以及無線電通信設備303內(nèi)的其它電路提供一個穩(wěn)定的內(nèi)部基準信號425?；鶞拾l(fā)生器409并不是本發(fā)明的一個基本單元，它只不過是一種器具，用以在優(yōu)選實施例中提供一個平滑的基準。其它的完全等同的裝置包括一種改進的提升調(diào)節(jié)器可以取代基準發(fā)生器409。
ADC 403利用該基準信號，對B+信號的電壓取樣，產(chǎn)生一個數(shù)字化的電池電壓427。數(shù)字化電池電壓427輸入到處理器405。處理器405可以與圖3的處理器311是共用電路，或是一個單獨的處理電路，這取決于本發(fā)明的實施，在優(yōu)選實施例中，處理器405含有一個存儲器裝置和一個微處理器，前者用以存儲計算機程序，后者用以執(zhí)行計算機程序的步驟。關(guān)于計算機存儲器裝置中存儲的計算機程序的細節(jié)示例在圖5的流程圖中。通常，當無線電通信設備處于加電狀態(tài)時，將數(shù)字化電池電壓信號427與一個預定的軟件欠電壓閾值比較。如果數(shù)字化電池電壓下降到預定的軟件欠電壓閾值之下，則無線電通信設備按照許多種已知的方式之一斷電。一種這樣的方式已敘述在1987年2月10日公開的美國專利4,642,479中，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。一旦軟件關(guān)斷結(jié)束，處理器405輸出一個斷電信號429，它輸入到硬件關(guān)斷電路417。硬件關(guān)斷電路417切斷對其余的無線電通信設備電路的電能。
如果由于不可預見的事件而使軟件關(guān)斷程序不能執(zhí)行，則在電能控制電路315的優(yōu)選實施例中提供一個備用的硬件關(guān)斷電路。具體地說，閾值發(fā)生器415向比較器413輸出一個第一硬件欠電壓閾值。電池電壓B+也輸入到比較器413，它與第一硬件欠電壓閾值比較。如果電池電壓B+下降到第一硬件欠電壓閾值之下，則比較器413向硬件關(guān)斷電路417輸出一個斷電信號，硬件關(guān)斷電路417切斷對其余的無線電通信設備電路的電能。在優(yōu)選實施例中，第一硬件欠電壓閾值設定等于2.7伏，它低于軟件欠電壓閾值。利用一個硬件關(guān)斷電路作為電能關(guān)斷的一種故障保護或輔助方法，增加了電能控制電路315的可靠性。因用來關(guān)斷無線電通信設備的硬件可以工作在比軟件控制關(guān)斷顯著低的電壓上，故硬件關(guān)斷電路能保證電池和無線電通信設備303正常地被關(guān)斷。
優(yōu)選實施例還包括一個第二硬件欠電壓閾值，用以當無線電通信設備處于斷電狀態(tài)時與電池電壓B+比較。具體地說，當位于圖3用戶接口313中的一個無線電通信設備的電源鍵由用戶按壓、而使無線電通信設備303通電時，比較器413的電池電壓B+與閾值發(fā)生器415產(chǎn)生的第二硬件欠電壓閾值比較。如果電池電壓B+超過第二硬件欠電壓閾值，則其余的無線電通信設備電路按照一種已知的方式加電。在正常的加電過程結(jié)束時，閾值發(fā)生器415向比較器413輸出第一硬件欠電壓閾值。如上所述，在比較器413中電池電壓B+不斷地與閾值發(fā)生器415產(chǎn)生的閾值之一相比較。在優(yōu)選實施例中，第一硬件欠電壓閾值低于第二硬件欠電壓閾值。具體地說，第二硬件欠電壓閾值設定等于3.1伏，第一硬件欠電壓閾值設定等于2.7伏。第二硬件欠電壓閾值設定等于3.1伏可防止無線電通信設備不致加電處于禁用狀態(tài)。這保證無線電通信設備303一通電，含在無線電通信設備303之內(nèi)的所有部件將正常地工作足夠長的時間，而對無線電通信設備303的用戶不會出現(xiàn)麻煩。
圖5示出圖4所示的處理器405的存儲器內(nèi)含的程序流程圖的例子。在步驟501，程序提供一個數(shù)字化電池電壓和一個軟件欠電壓閾值。在步驟503，程序是將數(shù)字化電池電壓B+與軟件欠電壓閾值比較。如果電池電壓B+大于軟件欠電壓閾值，則在步驟505程序向無線電通信設備303中的其余電路不斷地提供電能。如果數(shù)字化電池電壓B+小于軟件欠電壓閾值，則在步驟507程序使無線電通信設備303斷電。典型地，在步驟507，表明的斷電作用是將無線電通信設備303來的一個信號傳送給固定現(xiàn)場收發(fā)信機301，該信號表明與固定現(xiàn)場收發(fā)信機301的通信結(jié)束，其中包括現(xiàn)在進行著的通信；并請求向無線電通信設備303返送回一個確認信號。接著，無線電通信設備303等侯一段預定的時間，直到從固定現(xiàn)場收發(fā)信機301返回一個確認信號時為止。接收到確認信號之后，在步驟507，將處理器405來的斷電信號429傳送給硬件關(guān)斷電路417。硬件關(guān)斷電路417提供出一種機構(gòu)，用以切斷無線電通信設備303中其余電路的電能。
圖6的部分1示出先有技術(shù)中各種欠電壓閾值和可得到的一些有關(guān)閾值的例子。軸601表示先有技術(shù)中可用的電池的電池電壓值，單位為伏(V)，變化范圍是0V與6V之間。圖6的部分1表明了如下的閾值；如標號603指示的，軟件欠電壓閾值等于5.15V；如標號605指示的，先有技術(shù)的硬件欠電壓閾值等于5.05V；又如標號607指示的，無線電通信設備內(nèi)的調(diào)節(jié)器閾值為4.75V。據(jù)此，在先有技術(shù)中，如圖6中部分1所示的，軟件欠電壓閾值和硬件欠電壓閾值設定得明顯高于無線電通信設備中調(diào)節(jié)器的工作電壓。
圖6的部分2示出優(yōu)選實施例中各種欠電壓閾值和有關(guān)的一些閾值例子。圖中，軸609表示圖3所示的電池317的電池電壓。軸609指明的電池電壓在0V與7V之間變化。圖6的部分2示出如下閾值如標號613指示的軟件欠電壓閾值設定等于2.85V；如標號615指示的，無線電通信設備303內(nèi)含的調(diào)節(jié)器的標稱調(diào)節(jié)閾值安全地工作在2.75V上；如標號617指示的，第一硬件欠電壓閾值設定等于2.7V；如標號611指示的，第二硬件欠電壓閾值設定等于3.1V。如標號619指示的，基準發(fā)生器409輸出端產(chǎn)生的內(nèi)部基準信號設定等于2.65V。據(jù)此，如圖6部分2所指示的，本發(fā)明在無線電通信設備303斷電之前，允許電池電壓B+放電到低到2.7V。選擇2.7V，以確保包括任何容差在內(nèi)的硬件關(guān)斷不侵犯軟件關(guān)斷，從而保證有序的關(guān)斷順序。據(jù)此，電能控制電路315由于允許電池電壓放電比先前可使用的電能控制電路放電更多，因而延長了無線電通信設備303的工作時間。此外，如標號611指明的，第二硬件欠電壓閾值保證無線電通信設備303正常地加電。
權(quán)利要求
1.一種電能控制裝置，用以控制由電池向便攜式電子設備的供電，其特征在于，該電能控制裝置包含一個升壓調(diào)節(jié)器，它連接到該電池上，用以接收包含有電池電壓的一個電池輸出信號，該升壓調(diào)節(jié)器輸出一個調(diào)節(jié)器輸出信號；一個基準發(fā)生器，用以從調(diào)節(jié)器輸出信號中產(chǎn)生一個內(nèi)部基準信號；一個模/數(shù)變換器(ADC)，它耦合電池輸出信號，利用內(nèi)部基準信號，來產(chǎn)生一個數(shù)字化電池電壓信號，其中，電池輸出信號的電池電壓的數(shù)值可以低于內(nèi)部基準信號；一個處理器，它耦合到ADC上，用以將數(shù)字化電池電壓信號與一個軟件欠電壓閾值比較，根據(jù)比較結(jié)果，該處理器有選擇性地產(chǎn)生一個斷電信號。
2.權(quán)利要求1的電能控制裝置，其特征在于，還包含一個硬件比較器，被連接用以接收電池輸出信號，將電池電壓與一個硬件欠電壓閾值比較，其中，該硬件欠電壓閾值低于軟件欠電壓閾值。
3.權(quán)利要求1的電能控制裝置，其特征在于，還含有一個硬件比較器，被連接用以接收電池輸出信號，當便攜式電子裝置處于加電狀態(tài)時，該硬件比較器將電池電壓與一個第一硬件欠電壓閾值比較，而當便攜式電子裝置處于斷電狀態(tài)時，該硬件比較器將電池電壓與一個第二硬件欠電壓閾值比較。
4.權(quán)利要求3的電能控制裝置，其特征在于，第一硬件欠電壓閾值低于軟件欠電壓閾值，第二硬件欠電壓閾值高于軟件欠電壓閾值。
5.權(quán)利要求4的電源控制裝置，其特征在于，第一硬件欠電壓閾值為2.7伏，第二硬件欠電壓閾值為3.1伏。
6.權(quán)利要求1的電能控制裝置，其特征在于，還包含一個電壓定標器，它耦合在電池輸出信號與ADC之間，該電壓定標器用以對電池電壓作出標度。
7.權(quán)利要求1的電能控制裝置，其特征在于，該電能控制裝置是配置在一個無線電通信設備內(nèi)的。
8.一種電能控制裝置，用以控制由電池向便攜式電子設備的供電，該電池提供出具有一個電壓的輸出信號，其特征在于，該電源控制裝置包含一個第一硬件欠電壓閾值；一個第二硬件欠電壓閾值；一個比較器，當至少一部分便攜式電子設備電路處于加電狀態(tài)時，比較器將輸出信號的電壓與第一硬件欠電壓閾值比較，當至少一部分便攜式電子設備電路處于斷電狀態(tài)時，比較器將輸出信號的電壓與第二硬件欠電壓閾值比較；一個電路，響應所述的比較結(jié)果，向便攜式電子設備電路的至少一部分供電。
9.權(quán)利要求8的電能控制裝置，其特征在于，第一硬件欠電壓閾值低于第二硬件欠電壓閾值。
10.權(quán)利要求8的電能控制裝置，其特征在于，該電能控制裝置配置在一個無線電通信設備內(nèi)，且便攜式電子設備的至少一部分電路是無線電電路。
全文摘要
便攜式無線電通信設備(303)包含電能控制電路(315)用以監(jiān)測電池(317)的電壓電平并向該通信設備的其余部分供電。該電能控制電路含有升壓調(diào)節(jié)器(407)產(chǎn)生內(nèi)部基準信號和模/數(shù)變換器用以數(shù)字化電池電壓，將數(shù)字化電池電壓與第一和第二硬件欠電壓閾值比較以控制對該通信設備其余部分加電和斷電。設有輔助比較器(413)根據(jù)該通信設備的供電狀態(tài)使用多個欠電壓閾值，可防止電池和無線電通信設備免遭損壞。
文檔編號H04B1/38GK1138254SQ96107579
公開日1996年12月18日 申請日期1996年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月30日
發(fā)明者約漢·伊羅梅·詹森, 亞利山大·懷恩·西塔拉 申請人:摩托羅拉公司