便攜電子裝置的電子電路的制作方法

專利名稱：便攜電子裝置的電子電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及便攜電子裝置的電子電路領域。
消費市場不斷需求更小的并提供更先進特性的便攜電子裝置。這些裝置的例子包括密致盤播放機、雙向無線電、蜂窩電話、和計算機裝置，在此僅列舉幾個。隨著這些裝置變得更小，增加了對這些裝置供電的更小的便攜電源的需求。
在較低電壓工作的電子電路有助于降低這些裝置的能耗，因此有助于減小在合理時間期間范圍操作這些裝置所需的便攜電源的尺寸。然而，諸如放大器電路之類的某些電路總是在較高電壓工作時最有效。
盡管有低電壓的改進，便攜電源可能仍然太龐大、太重，或對許多大功率應用來說不能維持足夠長時間。對于諸如電池或電池組之類的便攜電源必須經常處理由裝置引起的電流的短期波動。電池必須足夠耐用以提供可能明顯高于裝置平均電流的峰值電流。因此，電池可能經常具有較大尺寸以滿足該裝置的功率要求，即使一個較小的電池足以滿足能量要求。
為幫助緩解這些問題，可由一個包括與較小電池并聯的電容的能量系統向裝置供電。在此，電容有效地降低能量系統的阻抗。在一個電流脈沖期間，適當選擇的電容將因其較低的等效串聯電阻(ESR)降低系統中的電壓降。為使尺寸和重量保持最小，可選擇電容的最大工作電壓使其不明顯大于該裝置的工作電壓。
除使主電源接口與主電源連接外，裝置可包括一個輔助電源接口，以便與一個輔助電源連接。輔助電源可以是諸如汽車電池之類不存在與較小電池關聯的問題的較大電源。因此，該裝置的操作者具有利用輔助電源延長該裝置工作時間的選項。輔助電源可提供比主電源的額定工作電壓大的額定工作電壓。
因此，需要一種適應和進一步支持便攜電子裝置的這些及類似要求的電子電路，特別是適于帶有大電流脈沖要求的低電壓應用的電子電路。


圖1是包括一個移動站和一個基站的通信系統的示意方框圖，示出了移動站的電子電路。
圖2是一個簡化替換實施例的電子電路的示意圖。
便攜電子裝置的電子電路包括一個構成用于與電源耦合的電源接口，一個耦合到電源接口的負載，一個具有最大工作電壓的儲能電路，和一個開關電路。該開關電路與儲能電路串聯耦合到電源接口，并在負載超過最大工作電壓時響應該電壓從電源接口可切換地斷開儲能電路。
圖1是包括一個移動站102和一個基站104的通信系統100的示意方框圖。移動站102是一個便攜電子裝置，更具體地說是一個便攜無線通信裝置。移動站102和基站104在無線通信信道上通過射頻(RF)信號通信。
在該實施例中，通信系統100是一個蜂窩式電話系統，更具體地說是一個按照時分多址(TDMA)協議工作的蜂窩式電話系統，例如在日本使用的個人數字蜂窩(PDC)系統。正如所熟知的，按照TDMA協議工作的移動站是一種需要脈沖電流的應用。在TDMA協議的每個發射時隙期間需要相對大的電流，而在每個非發射時隙期間，例如TDMA協議的每個接收時隙中需要相對小的電流。
移動站102包括一個配置在小的、便攜外殼(未示出)中的電子電路106。電子電路106包括一個電源接口108，一個電源接口114，控制電路120，一個接收機122，一個發射機124，一個天線126，用戶接口電路128，一個調節器130，和一個開關電路132。發射機124包括一個調制器134，一個功率放大器(PA)136，一個電解質電容器138，和一個開關電路140。接收機122和發射機124耦合到用于從和向具有天線105的基站104接收和發射RF信號的天線126。調制器134耦合到控制電路120和PA136。PA136有一個耦合到電源接口108的偏置輸入端146。開關電路140與電解質電容器138串聯耦合到電源接口108。電解質電容器138最好具有大于1mF的電容。
控制電路120耦合到接收機122對其進行控制，并用于接收和處理來自通過天線126接收的RF信號的信息。另外，控制電路120耦合到發射機124對其進行控制，并用于處理和發射帶有RF信號的信息。在一種典型結構中，控制電路120產生控制和數據信息并將其送到調制器134調制成RF信號。經調制的RF信號送到PA136，以便經天線126通過通信信道以大功率傳輸。
控制電路120通過控制線145耦合到開關電路132并控制開關電路132，通過控制線144耦合到開關電路140并控制開關電路140。開關電路132和140最好是各自包括一個本領域中熟知的，在電子電路106中適當耦合的場效應晶體管(FET)或功率FET(未示出)。例如，開關電路140可包括一個源極耦合到偏置輸入端146，漏極耦合到電解質電容器138，和柵極耦合到控制線140的功率FET。功率FET最好能處理至少0.5安培的電流并具有低于120mΩ的“接通”電阻。作為替換，開關電路132和140各自包括一個以更新的技術改進設計的微型機電系統(MEMS)。通常，MEMS是一種經常在集成電路(IC)中制造的機械裝置或開關。MEMS最好具有大承受電壓(standoff voltage)和很小的“接通”電阻。
同樣耦合到控制電路120的用戶接口電路128包括檢測用戶輸入并提供用戶輸出響應的電路。在一種典型結構中，用戶接口電路128包括檢測用戶啟動鍵(例如電話和功能鍵)的鍵檢測電路，在顯示器上顯示信息的顯示電路，以及一個揚聲器和一個話筒(未示出)。
控制電路120最好包括一個或多個諸如微處理器和數字信號處理器(DSP)之類的處理器，這些處理器各自具有軟件程序和用于處理、控制和操作的存儲器。
電源接口108通過開關電路132耦合到調節器130和控制電路120，電源接口114通過二極管142耦合到調節器130和控制電路120。電和機械地構成電源接口108以便與主電源110的接口112耦合，電和機械地構成電源接口114以便與輔助電源116的接口118耦合。最好是電源接口108包括電觸點，以便與接口112的電觸點直接接觸，電源接口114包括電觸點，以便與接口118的電觸點直接接觸。
輔助電源116提供比主電源110提供的額定工作電壓大的額定工作電壓。輔助能源116的額定工作電壓也比電解質電容器138的最大工作電壓或最大工作電壓額定值大。
電子電路106在連接時由來自主電源110和/或輔助電源116的電能電操作。當主電源110連接到電源接口108時，控制電路120工作以檢測是否可在電源接口114得到輔助電源116。如果不能得到輔助電源，控制電路120通過控制線144和145閉合開關電路132和140(或保持開關電路的閉合)。在此，電源接口108耦合到調節器130，電解質電容器138耦合到電源接口108和偏置輸入端146。調節器130從主電源110接收電能并從其產生主供電電壓(V)。
主供電電壓偏置電子電路106的大部分電路。然而，電解質電容器138從主電源110接收連續或間斷的電能并被充電到比主供電電壓大的電壓。電解質電容器138滿足效率并用于降低因PA136需要的大電流造成的低電壓降。因此，PA136針對大功率傳輸而被偏置較大的電壓并提高效率。
如果控制電路120檢測到可得到輔助電源116，控制電路120通過控制線144和145使開關電路132和140斷開(或保持斷開狀態)。在此，電源接口108從調節器130斷開，電解質電容器138從電源接口108和偏置輸入端146斷開。電解質電容器138從電源接口108可切換地斷開以避免電解質電容器138的電壓超過其最大工作電壓。在此，調節器130從輔助電源116接收電能并從其產生主供電電壓。輔助電源116的額定工作電壓足夠大，以便操作PA136以有效的大功率傳輸而不使用電解質電容器138。
控制電路120最好在預定電壓利用電壓檢測來檢測輔助電源116的可利用性，其中一個電壓比較器(未示出)包括在控制電路120中。在此，當在電源接口108處的電壓大于主電源110的額定工作電壓時，或在電源接口114處的電壓等于或大于輔助電源116的額定工作電壓或電解質電容器138的最大工作電壓時，控制電路120斷開開關電路132和140。作為替換，例如，控制電路120響應來自僅可由輔助電源116啟動的機械開關(未示出)的信號斷開開關電路132和140。
主電源110最好包括具有適合于手持便攜尺寸和重量的一個電池(或多個電池)，并且可以是電池組。電池組通常包括至少一個帶有適合包裝的電池單元和裝在移動站102上并與移動站102連接的機構。這些電池可以是現有的堿性電池。電源接口108可以是任何適合的電池或電池組接口。另外，輔助電源116最好是汽車電池，而電源接口114是為許多蜂窩電話所共有的任何適合的多端連接器接口。例如，電源接口114可以是一個多端連接器接口，構造成適合利用一個適當的連接器與汽車的香煙點燃器連接。
可以有幾種系統結構。在一種結構中，主電源110是提供約3.6伏額定工作電壓的鋰離子電池，輔助電源116是提供約13.8伏額定工作電壓的汽車電池。電解質電容器138具有約0.07法的電容量和約4.8伏的最大工作電壓。調節器130產生約2.7伏的主供電電壓。
在另一種結構中，主電源110是提供約1.5伏額定工作電壓的單個單元電池，輔助電源116是提供約3伏額定工作電壓的鋰離子電池。電解質電容器138具有約0.07法電容量和約2.4伏最大工作電壓。調節器130產生約0.9伏的主供電電壓。
控制電路120可響應其它系統條件同樣可切換地斷開電解質電容器138。例如，主電源110可以是可再充電電源并具有明顯大于其額定工作電壓的滿充電工作電壓。選擇電解質電容器138具有大于主電源110的額定工作電壓但小于滿充電工作電壓的最大工作電壓。當主電源110在滿充電工作電壓被再充電并連接到電源接口108時，控制電路120經控制線144操作以斷開開關電路140(斷開電解質電容器138)，同時保持開關電路132閉合工作。控制電路120保持開關電路140斷開，直到主電源110提供小于最大工作電壓的工作電壓。
作為另一個實例，控制電路120響應移動站102的工作狀態斷開電解質電容器138。例如，移動站102以操作的備用狀態(低功率狀態)和操作的通話狀態(高功率狀態)工作。在備用狀態期間，移動站102工作以接收一個尋呼或一個呼叫，電子電路106從主電源110得到一個相對小的電流。諸如發射機124之類的電子電路106的幾個電路降低功率并且在備用狀態中不使用。在通話狀態期間，移動站102工作以便通過話音或數據信號與基站104通信，電子電路106從主電源110得到一個相對大的電流。在每個發射時隙期間得到大電流的諸如發射機124和P136之類的電子電路106的幾個附加電路處在使用中。控制電路120通過供工作之用的主電源110在通話狀態期間閉合開關電路140和在備用狀態期間斷開開關電路140。電解質電容器138在備用狀態期間斷開以避免電流泄漏，從而降低移動站102的能耗。電解質電容器138最好在備用狀態的大部分持續時間斷開；然而，較短的持續時間仍是有益的。該實例容易與上面描述的實例和實施例組合(例如，當可得到輔助電源116時，開關電路140在通話狀態期間斷開)。
可以理解，除了被稱為電解質電容器的之外，電源接口108可以可切換地耦合到諸如一個電容器、一個大電容器、一個超大電容器，或其它適當電路等儲能電路。電解質電容器由于在尺寸上比具有相同電容量的傳統介質或電解電容器小得多而被優選。還應理解，電解質電容器138可以可切換地耦合到除PA136外的負載。
圖2是電子電路200一個簡化替換實施例的示意方框圖。電子電路200包括一個電源接口202，一個負載204，一個儲能電路206，和一個開關電路208。負載204與電源接口202并聯耦合。儲能電路206與開關電路208串聯耦合，儲能電路206和開關電路208與電源接口202并聯耦合。
電子電路200的構成及其操作與圖1的電子電路106中的相似。構成電源接口202用于與第一電源和第二電源(兩者均未示出)耦合，每個電源用來分開向負載204供電。第一電源提供第一額定工作電壓，第二電源提供比第一額定工作電壓大和比儲能電路206的最大工作電壓大的第二額定工作電壓。
當耦合到第一電源并可在電源接口202得到時，開關電路208閉合。儲能電路206耦合到電源接口202并滿足效率和用于降低因負載204對大電流的需求造成的低電壓降。當耦合到第二電源并可在電源接口202得到時，開關電路208斷開。儲能電路206從電源接口202斷開以避免在儲能電路206的電壓超過最大工作電壓。從第二電源提供的更高的額定工作電壓減少了將儲能電路206與電源接口202耦合的需要。
開關電路208最好是響應利用電壓比較器(未示出)從電源接口202檢測到的比預定電壓大的電壓工作。在此，構成開關電路208以便在電源接口202的電壓比第一額定工作電壓大、或等于或大于第二額定工作電壓或最大工作電壓時斷開。作為替換，例如，構成開關電路208以便響應來自僅可由第二電源啟動的機械開關(未示出)的信號斷開。
在該優選實施例中，儲能電路206是一個電容器或電解質電容器，負載204是一個如相對于圖1描述的功率放大器。另外，開關電路208包括如相對于圖1描述的一個功率FET或一個MEMS。第一和第二電源是便攜電源，例如如相對于圖1描述的電池或電池組(最好包括堿性和/或鋰離子電池)。開關電路208可以響應如相對于圖1描述的低和高功率狀態工作。因此，圖1和2的實施例方面的組合是很顯然的并很容易理解。
因此，根據本發明的電子電路有助于降低便攜電子裝置的功耗和尺寸。例如，利用電子電路200的便攜電子裝置可通過用于有效工作的小電池和儲能電路206，或用具有足夠供有效工作用的額定工作電壓和超過最大工作電壓的較大電池工作。通過選擇最大工作電壓低于較大電池的額定工作電壓，減小了儲能電路206和便攜電子裝置的尺寸。
雖然已給出并描述了本發明的特定實施例，可對其進行改進。例如，這種電路可在除PDC系統之外的諸如GSM系統之類的系統中工作的便攜無線通信裝置中使用。因此，其意圖是在所附權利要求中覆蓋落入本發明真實精神和范圍內的所有這類變化和改進。
權利要求
1．一種用于便攜電子裝置的電子電路，該電子電路包括一個第一電源接口；一個負載，所述負載耦合到所述第一電源接口；一個儲能電路，所述儲能電路具有一個最大工作電壓；和一個開關電路，所述開關電路與所述儲能電路串聯耦合到所述第一電源接口，所述開關電路響應在所述負載處超過最大工作電壓的電壓從所述第一電源接口可切換地斷開所述儲能電路。
2．根據權利要求1所述的電子電路，其中所述儲能電路包括一個電解質電容器。
3．根據權利要求1所述的電子電路，其中所述負載包括一個功率放大器。
4．根據權利要求1所述的電子電路，其中所述開關電路包括一個場效應晶體管。
5．一種便攜電子裝置，包括一個第一電源接口，構成的所述第一電源接口用于與第一電源耦合；一個第二電源接口，構成的所述第二電源接口用于與第二電源耦合；一個發射機，所述發射機包括一個功率放大器；一個儲能電路；一個第一開關電路，與所述儲能電路串聯的所述第一開關電路連接到所述功率放大器的偏置輸入端；和控制電路，所述控制電路耦合到所述第一開關電路。
6．根據權利要求5所述的便攜電子裝置，其中所述儲能電路包括一個電解質電容器。
7．根據權利要求5所述的便攜電子裝置，其中所述控制電路工作，以響應在所述第二電源接口得到的第二電壓斷開所述第一開關電路。
8．根據權利要求5所述的便攜電子裝置，其中所述控制電路工作，以響應在所述偏置輸入端比所述儲能電路的最大工作電壓大的電壓斷開所述第一開關電路。
9．根據權利要求5所述的便攜電子裝置，進一步包括一個第二開關電路，所述第二開關電路連接在所述第一電源接口和所述偏置輸入端之間，其中所述控制電路工作，以響應在所述第二電源接口得到的第二電壓斷開所述第一開關電路和所述第二開關電路。
10．一種便攜無線通信裝置，包括一個第一電源接口，構成的所述第一電源接口用于與一個便攜電源耦合；一個發射機，所述發射機包括一個具有一個偏置輸入端的功率放大器；一個電解質電容器，所述電解質電容器具有一個最大工作電壓；一個第一開關電路，耦合到所述偏置輸入端的所述第一開關電路與所述電解質電容器并聯；和控制電路，所述控制電路耦合到所述第一開關電路，所述控制電路工作以斷開所述第一開關電路，以避免在所述電解質電容器的電壓超過最大工作電壓。
全文摘要
一種用于便攜電子裝置的電子電路(200)包括一個電源接口(202),一個耦合到電源接口(202)的負載(204),一個具有最大工作電壓的儲能電路(206),和一個開關電路(208)。開關電路(208)耦合到與儲能電路(206)串聯的電源接口(202)。開關電路(208)工作以響應在負載(204)超過最大工作電壓的電壓可切換地斷開儲能電路(206)。
文檔編號H04B1/04GK1220567SQ9812534
公開日1999年6月23日 申請日期1998年12月18日 優先權日1997年12月19日
發明者杜安·拉比, 威廉·P·阿爾伯思, 路易斯·J·范納塔 申請人:摩托羅拉公司