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TW201810861A - 用於低電力電池備用系統的無縫切換控制 - Google Patents

用於低電力電池備用系統的無縫切換控制 Download PDF

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TW201810861A
TW201810861A TW106113720A TW106113720A TW201810861A TW 201810861 A TW201810861 A TW 201810861A TW 106113720 A TW106113720 A TW 106113720A TW 106113720 A TW106113720 A TW 106113720A TW 201810861 A TW201810861 A TW 201810861A
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Taiwan
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circuit
power source
dual control
coupled
control latch
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TW106113720A
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蓋伯爾 羅卡
理查 赫爾
查雀瑞斯 M 史米特
雷茲文 伊納查斯庫
亞歷山卓 維卓珊
Original Assignee
微晶片科技公司
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Abstract

一種用於提供備用電力之電路，其包含經組態以耦合至一第一電源及一第二電源之一切換電路。該電路包含與該第一電源及該第二電源以及該切換電路之輸出耦合之一域電壓位準監測電路。該電路包含與該第一電源及該第二電源以及該域電壓位準監測器之一輸出耦合之一動態位準移位電路。該電路包含與該第一電源及該第二電源以及該動態位準移位電路之一輸出耦合之一雙重控制鎖存電路。該雙重控制鎖存電路經組態以將控制信號提供至該切換電路。

Description

用於低電力電池備用系統的無縫切換控制
本發明係關於具有電池備用之系統，且特定言之係關於包含具有具備無縫切換控制的電池備用之微控制器之系統。
一些系統需要一恆定電力供應且因此在主電源供應器失效之情況中提供一電池備用。用於切換控制之習知解決方案係基於二極體的或基於比較器的。在一基於二極體之系統中，一對PN二極體將陽極連接至供應器(+)接腳且共同陰極供應用戶端域。基於比較器之系統係基於標準快速比較器。比較器感測供應電壓之值、比較該等值與一參考電壓且進一步控制電力開關之閘極。比較器必須能夠處置匹配供應電壓範圍之輸入共同模式範圍。通常，微控制器系統中之供應範圍介於1.8 V與5.5 V之間。 二極體解決方案之缺點係：儘管其將極具面積效益，然約0.7 V之DC壓降將嚴重影響整體系統之供應範圍。此使得其不適於某些應用，此係因為最小VDD將自例如1.8 V增加至2.5 V。 在一基於比較器之系統中，濾波電容之一降低需要一較高比較器速度要求。為了足夠快速，比較器需要高偏壓電流，因此引起高電力消耗。基於比較器之系統亦需要一大矽面積。若一參考電壓必須由一單獨電路提供，則需要甚至更多面積。
本發明之實施例包含一種用於提供備用電力之電路。該電路可包含經組態以耦合至一第一電源及一第二電源之一切換電路。該電路可包含與該第一電源及該第二電源以及該切換電路之輸出耦合之一域電壓位準監測電路。該電路可包含與該第一電源及該第二電源以及該域電壓位準監測器之一輸出耦合之一動態位準移位電路。該電路可包含與該第一電源及該第二電源以及該動態位準移位電路之一輸出耦合之一雙重控制鎖存電路。該雙重控制鎖存電路可經組態以將控制信號提供至該切換電路。結合上述實施例之任一者，該切換電路可包含兩個p通道MOSFET。結合上述實施例之任一者，該雙重控制鎖存電路可經組態以產生饋送至該切換電路之互補輸出信號。結合上述實施例之任一者，該雙重控制鎖存電路可經組態以自該動態位準移位電路接收一對信號作為輸入。結合上述實施例之任一者，該雙重控制鎖存電路可經組態以自該動態位準移位電路接收一第一輸入信號及一第二輸入信號。結合上述實施例之任一者，該第一輸入信號可通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之一第一電晶體之一汲極。結合上述實施例之任一者，該第一輸入信號可通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之一第二電晶體之一閘極。結合上述實施例之任一者，該第二輸入信號可通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之該第二電晶體之一汲極。結合上述實施例之任一者，該第二輸入信號可通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之該第一電晶體之一閘極。結合上述實施例之任一者，該用戶端電壓監測電路可經組態以基於該第一電源、該第二電源與該切換電路之輸出之間之一差而注入一電流以驅動該動態位準移位電路。結合上述實施例之任一者，該動態位準移位電路經組態以根據自該用戶端電壓監測電路接收之一電壓而產生壓降。 本發明之實施例可包含一種微控制器。該微控制器可包含一周邊電路及用於提供備用電力之電路之上述實施例之任一者。該切換電路可經組態以將電力提供至該周邊電路。 本發明之實施例可包含一種系統。該系統可包含一第一電源、一第二電源、一周邊電路及用於提供備用電力之電路之上述實施例之任一者。該切換電路可經組態以將電力提供至該周邊電路。 本發明之實施例可包含由上述電路、微控制器或系統之任一者執行之方法。
優先權 本申請案主張2016年4月25日申請之美國臨時申請案62/327,309之優先權，特此併入該案之全文。 圖1繪示根據本發明之實施例之用於無縫切換控制之一系統100之一方塊圖。在一項實施例中，系統100可包含用於低電力系統的切換控制。在另一實施例中，系統100可包含用於電池備用系統的切換控制。可在任兩個電壓源之間執行備用及切換控制。儘管在本發明中，雖然一電壓源可被視為主電壓源、初級電壓源、輔助電壓源、電池電壓源、備用電壓源或次級電壓源，然本文中之教示可應用於任兩個電壓源而無關於電壓源之間之關係。 在一項實施例中，系統100可足夠快速地執行一主電源供應器與備用電源供應器之間之切換使得用戶端電路及其等之操作不受影響。可在電力之消耗者仍在操作時執行電源之間之一切換。可影響電源之間之電力轉變速度之因素可包含用戶端電路之負載電流及用戶端供應域上存在之濾波電容。習知電池備用切換解決方案可依賴於一比較器作為一感測裝置，接著該比較器控制主電力與備用電力切換。然而，在本發明之一項實施例中，系統100可將感測電路及控制電路整合為電晶體之一新穎配置以使用極低的電力及極小的矽面積來執行對電力切換之準確控制。電晶體可包含金屬氧化物半導體場效電晶體(MOS或MOSFET)。系統100可藉由使電力消耗及矽面積保持在極低位準而解決利用比較器或二極體進行電力控制之技術問題。 系統100可包含一主電源104及一備用電源102。可將來自此等電源之一者之電力供應至一或多個用戶端模組116或電路。可與一濾波電容器114並行施加電力。可將通過用戶端模組116之電流指定為一Iload。在一項實施例中，系統100可評估電源102、104之電力位準且切換至電源102、104之一較高者。在另一實施例中，在電源102、104之一第一者之電力降至低於一臨限位準或滿足另一操作條件時，系統100可切換至電源102、104之另一者。 系統100可包含開關118、112。開關118、112可由MOSFET、其他電晶體或其他適合裝置實施。開關118、112可控制電源104、102之施加，包含選擇將哪一者施加至用戶端模組116，及以何種方式將電力供應施加至用戶端模組116。 系統100可包含類比電路、數位電路或兩者之一適合組合以控制將把電源104、102之哪一者施加至用戶端模組116。在一項實施例中，系統100可包含一用戶端電壓監測器106。在另一實施例中，系統100可包含一動態供應位準移位器108。在另一實施例中，系統100可包含一雙重控制鎖存器110。監測器106、移位器108及鎖存器110之各者可通信地耦合或彼此耦合。此外，監測器106、移位器108及鎖存器110之各者可通信地耦合至電源102、104。 監測器106可經組態以評估施加至用戶端模組116之電壓。監測器106可實施於類比電路、數位電路或兩者之一適合組合中。監測器106可包含如施加至用戶端模組116之電壓輸出之一輸入。 鎖存器110可經組態以自移位器108接收輸入。鎖存器110可實施於類比電路、數位電路或兩者之一適合組合中。鎖存器110可部分受控於移位器108及來自其之輸入。 移位器108可經組態以自監測器106接收輸入。移位器108可實施於類比電路、數位電路或兩者之一適合組合中。移位器108可在一B級或AB級模式中操作。移位器108可部分受控於監測器106及來自其之輸入。在一B級操作模式中，移位器108可利用在靜態模式中未汲取任何電力之電路。除非移位器108之輸入端處之電流移動，否則電流係零安培。在一AB級操作模式中，移位器108可利用始終需要一些(即使小)電流之電路。此一操作模式之靜態電流為非零。B級對AB級操作模式之使用可取決於濾波電容器114。若濾波電容器114之電容足夠高，則可使用B級操作模式，此係因為B級較緩慢。若濾波器緩慢，則濾波器可在於電源102、104之間切換電源期間提供一些電流。使用一B級位準移位器可極大地增加(與其他解決方案相比)鎖存器110之靈敏度，從而減小用戶端供應域上之一給定電壓下衝所需濾波電容而具有一實際上零電流消耗。使用一AB級位準移位器版本之可進一步改良靈敏度，但可能以一較大靜態電流消耗為代價。然而，使用一AB級位準移位器可能仍需要與一基於比較器之解決方案相比小許多倍之電流。 關於將電力提供至用戶端模組116，系統100可在電源102、104之切換期間無縫地操作。系統100內之回饋可確保使用電源102、104中具有最佳可用電壓、電流或電力之電源。系統100可需要低、實際上零偏壓電流；低、實際上零壓降；及一低濾波電容。 圖2及圖3中更詳細繪示監測器106、鎖存器110及移位器108之各者之實例實施例。此等器件之各者可用諸如串聯的MOSFET對之電晶體實施。然而，可代替性地使用其他電晶體，諸如串聯或並聯連接之MOS電力開關、NMOS或PMOS電晶體。在一項實施例中，監測器106、鎖存器110及移位器108之各者可知曉在電源102、104之間切換電力時之電壓域要求。 圖2係根據本發明之實施例之例示性開關及一例示性監測器之一更詳細繪示。 開關204可實施開關112、118。開關204可包含來自一鎖存器之輸入(b)、(c)。開關204可分別連接至一第一電壓V1及一第二電壓V2。第一電壓V1可表示諸如電源102之一電源，而第二電壓V2可表示諸如電源104之一電源。 監測器206可實施監測器106。當用戶端電壓低於兩個供應器(電壓V1、V2)之最大者時，一電流被注入於電路中，該電流在表示鎖存器之下一電路區段中被鏡像並使用。用戶端電壓與兩個供應器之最大者之間之誤差或差愈高，則所產生之電流愈高。此可迫使鎖存器切換供應器。 圖3係根據本發明之實施例之一例示性移位器及鎖存器之一更詳細繪示。移位器208可實施移位器108。鎖存器210可實施鎖存器110。 移位器208可自監測器206接收一電流。自監測器206接收之電流可經操縱至二極體連接之電晶體，從而在電流較高時產生較高壓降。所得之信號可驅動鎖存器210之閘極。在移位器208之頂部上之開關可由鎖存器210驅動。此可確保無非所要電流將流動通過二極體連接之裝置。 鎖存器210可接收兩對輸入信號。一第一對係由電壓V1、V2構成，且經施加於p通道裝置之源極上。另一對可自移位器208交叉耦合。各對可施加於另一者之閘極處。鎖存器210之輸出可施加至開關204以驅動V1與V2之間之切換。 圖4繪示根據本發明之實施例之系統100在操作期間之例示性波形及時序圖。 波形402可展示隨時間施加至用戶端模組116之電壓。波形404可展示如可隨時間變化之V1之例示性值。波形406可展示如可隨時間變化之V2之例示性值。在V2下降至低於V1時，系統之輸出可經指派為V1。當V2上升至高於V1時，系統之輸出可經指派為V2。至用戶端模組116之電壓輸出可為V2或V1之較大者。因此，波形402可隨時間追蹤波形406、408之較大者。 波形408可展示在圖2至圖3中表示為「(c)」之鎖存器輸出，其用於判定V2大於V1之時間。波形410可展示在圖2至圖3中表示為「(b)」之鎖存器輸出，其用於判定V1大於V2之時間。 波形412、414可展示移位器輸出。 圖5繪示根據本發明之實施例之系統100在操作期間之進一步例示性波形及時序圖。 波形502及504可繪示V1及V2，恰如圖4中所展示。波形510及512可繪示鎖存器輸出「(c)」及「(b)」，恰如圖4中所展示。 波形506及508可分別繪示來自圖2至圖3之鎖存器輸入「(e)」及「(d)」。 儘管在本發明中展示特定實施例、選擇及組態，然可對本發明之教示進行修改、添加、刪減及其他改變而不脫離本發明之範疇。
100‧‧‧系統
102‧‧‧備用電源
104‧‧‧主電源
106‧‧‧用戶端電壓監測器
108‧‧‧動態供應位準移位器
110‧‧‧雙重控制鎖存器
112‧‧‧開關
114‧‧‧濾波電容器
116‧‧‧用戶端模組
118‧‧‧開關
204‧‧‧開關
206‧‧‧監測器
208‧‧‧移位器
210‧‧‧鎖存器
402‧‧‧波形
404‧‧‧波形
406‧‧‧波形
408‧‧‧波形
410‧‧‧波形
412‧‧‧波形
414‧‧‧波形
502‧‧‧波形
504‧‧‧波形
506‧‧‧波形
508‧‧‧波形
510‧‧‧波形
512‧‧‧波形
V1‧‧‧第一電壓
V2‧‧‧第二電壓
圖1繪示根據本發明之實施例之用於無縫切換控制之一系統之一方塊圖。 圖2係根據本發明之實施例之例示性開關及一例示性監測器之一更詳細繪示。 圖3係根據本發明之實施例之一例示性移位器及鎖存器之一更詳細繪示。 圖4繪示根據本發明之實施例之用於在操作期間進行無縫切換控制之一系統之例示性波形及時序圖。 圖5繪示根據本發明之實施例之用於在操作期間進行無縫切換控制之一系統之進一步例示性波形及時序圖。

Claims (20)

  1. 一種用於提供備用電力之電路，其包括： 一切換電路，其經組態以耦合至一第一電源及一第二電源； 一域電壓位準監測電路，其與該第一電源及該第二電源以及該切換電路之輸出耦合； 一動態位準移位電路，其與該第一電源及該第二電源以及該域電壓位準監測器之一輸出耦合；及 一雙重控制鎖存電路，其與該第一電源及該第二電源以及該動態位準移位電路之一輸出耦合，該雙重控制鎖存電路經組態以將控制信號提供至該切換電路。
  2. 如請求項1之電路，該切換電路包括兩個p通道MOSFET。
  3. 如請求項1之電路，其中該雙重控制鎖存電路經組態以產生饋送至該切換電路之互補輸出信號。
  4. 如請求項1之電路，其中該雙重控制鎖存電路經組態以自該動態位準移位電路接收一對信號作為輸入。
  5. 如請求項1之電路，其中該雙重控制鎖存電路經組態以自該動態位準移位電路接收一第一輸入信號及一第二輸入信號，其中： 該第一輸入信號通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之一第一電晶體之一汲極； 該第一輸入信號通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之一第二電晶體之一閘極； 該第二輸入信號通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之該第二電晶體之一汲極；及 該第二輸入信號通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之該第一電晶體之一閘極。
  6. 如請求項1之電路，其中該用戶端電壓監測電路經組態以基於該第一電源、該第二電源與該切換電路之輸出之間之一差而注入一電流以驅動該動態位準移位電路。
  7. 如請求項1之電路，其中該動態位準移位電路經組態以根據自該用戶端電壓監測電路接收之一電壓而產生壓降。
  8. 一種微控制器，其包括： 一周邊電路； 一切換電路，其經組態以耦合至一第一電源及一第二電源且將電力提供至該周邊電路； 一域電壓位準監測電路，其與該第一電源及該第二電源以及該切換電路之輸出耦合； 一動態位準移位電路，其與該第一電源及該第二電源以及該域電壓位準監測器之一輸出耦合；及 一雙重控制鎖存電路，其與該第一電源及該第二電源以及該動態位準移位電路之一輸出耦合，該雙重控制鎖存電路經組態以將控制信號提供至該切換電路。
  9. 如請求項8之微控制器，該切換電路包括兩個p通道MOSFET。
  10. 如請求項8之微控制器，其中該雙重控制鎖存電路經組態以產生饋送至該切換電路之互補輸出信號。
  11. 如請求項8之微控制器，其中該雙重控制鎖存電路經組態以自該動態位準移位電路接收一對信號作為輸入。
  12. 如請求項8之微控制器，其中該雙重控制鎖存電路經組態以自該動態位準移位電路接收一第一輸入信號及一第二輸入信號，其中： 該第一輸入信號通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之一第一電晶體之一汲極； 該第一輸入信號通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之一第二電晶體之一閘極； 該第二輸入信號通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之該第二電晶體之一汲極；及 該第二輸入信號通信地耦合至該雙重控制鎖存電路之該第一電晶體之一閘極。
  13. 如請求項8之微控制器，其中該用戶端電壓監測電路經組態以基於該第一電源、該第二電源與該切換電路之輸出之間之一差而注入一電流以驅動該動態位準移位電路。
  14. 如請求項8之微控制器，其中該動態位準移位電路經組態以根據自該用戶端電壓監測電路接收之一電壓而產生壓降。
  15. 一種系統，其包括： 一第一電源； 一第二電源； 一周邊電路； 一切換電路，其經組態以耦合至該第一電源及該第二電源且將電力提供至該周邊電路； 一域電壓位準監測電路，其與該第一電源及該第二電源以及該切換電路之輸出耦合； 一動態位準移位電路，其與該第一電源及該第二電源以及該域電壓位準監測器之一輸出耦合；及 一雙重控制鎖存電路，其與該第一電源及該第二電源以及該動態位準移位電路之一輸出耦合，該雙重控制鎖存電路經組態以將控制信號提供至該切換電路。
  16. 如請求項15之系統，該切換電路包括兩個p通道MOSFET。
  17. 如請求項15之系統，其中該雙重控制鎖存電路經組態以產生饋送至該切換電路之互補輸出信號。
  18. 如請求項15之系統，其中該雙重控制鎖存電路經組態以自該動態位準移位電路接收一對信號作為輸入。
  19. 如請求項15之系統，其中該第二電源係一電池。
  20. 如請求項15之系統，其進一步包括與該系統之一微控制器之一接腳耦合之至少一個負載，其中該接腳與第一開關及第二開關之輸出耦合。
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