SE515882C2 - Elektriskt effekthanteringssystem samt radiokommunikationsanordning innefattande ett sådant system - Google Patents

Description

515.882 2 Nackdelen med dessa kända konstruktioner är att endast en mycket liten del av den energi som lagras i kondensatorn kan användas för att hjälpa till med effektför- sörjningen för att leverera effekt till en last, som momentant kräver hög effekt.

Om det antages, med hänvisning till ovan beskrivna första kända elektriska effekthanteringssystem, att effektkällan ger en utspänning om 5 V och att denna ut- spänning tillåts falla med 100 mV, så kommer bara 4 % av den energi som kan lagras i kondensatorn att kunna användas för att avge effekt till den spänningshöjande omvandlaren.

Om det på motsvarande sätt antages, beträffande det ovan nämnda andra kända elektriska effekthanteringssystemet, att utspänningen från den spänningshöjande omvandlaren avger en utspänning om 5 V och att denna utspänning tillåts falla med 100 mV, så kommer ånyo bara 4 % av den energi som kan lagras i kondensatorn att kunna användas för att ge effekt åt sändaren. Även i det fall ett batteri användes i stället för en kondensator, kommer bara en liten del av den energi som kan lagras i batteriet att kunna användas för att ge effekt åt sändaren.

På grund av denna låga effektivitet för energianvändningen måste en stor konden- sator användas för att ge en tillräckligt stor energibuffert. En kondensator som har stor kapacitans är både dyrbar och upptar stor fysisk volym. Den stora volymen blir ett påtagligt problem, när kondensatorn byggs in i en liten tillämpning, såsom i ett PCMCIA-kort, företrädesvis tillsammans med en radio och ett modem.

Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma ett elektriskt effekthanteringssystem som eliminerar eller minskar det ovannämnda problemet. 5515 (882 Sammanfattning I enlighet med en aspekt av föreliggande uppfinning åstadkommes ett elektriskt effekthanteringssystem innefattande en spänningshöjande omvandlare, försedd med en ingång för mottagning av en första spänning och en utgång för att tillhandahålla en andra spänning, ett energilagringsmedel, en första strömställare, som i slutet tillstånd ansluter den spänningshöjande omvandlarens ingång till energilagringsmedlen, en andra strömställare, som i slutet tillstånd ansluter den spänningshöjande omvandlarens utgång till energilagringsmedlen och en effekthanteringsstyrenhet för att styra funktionen för den första strömställaren och den andra strömställaren på sådant sätt att då systemet är i användning, energilagringsmedlet uppladdas med energi då det är anslutet till utgången på den spänningshöjande omvandlaren och energilagringsmedlet levererar energi till den spänningshöjande omvandlaren när det är anslutet till ingången på den spänningshöj ande omvandlaren.

Genom denna konstruktion uppnås fördelen att en stor andel av den energi som kan lagras i energilagringsmedlet kan levereras till den spänningshöjande omvandlaren och följaktligen till en last.

Företrädesvis innefattar det elektriska effekthanteringssystemet en ingångsklämma för mottagning av en försörjningsspänning och en tredje strömställare, som när den är i slutet tillstånd ansluter ingångsklämman till ingången på den spänningshöjande omvandlaren. Den tredje strömställarens funktion styres av effekthanteringsstyr- enheten så att, när systemet är i användning, försörjningsspänningen tillhandahålles till ingången på den spänningshöjande omvandlaren när den tredje strömställaren är sluten, och den spänningshöjande omvandlaren kopplas ifrån försörjningsspän- ningen när den tredje strömställaren öppnas. f515 ssà 4 Fördelen med detta är att effekthanteringssystemet kan frånkopplas från effektkällan när en last momentant kräver hög effekt. Om andra anordningar förses med effekt från effektkällan, föreligger ingen risk att dessa störes vid dessa tillfällen.

I enlighet med en annan aspekt av föreliggande uppfinning föreligger en radiokom- munikationsanordning, som innefattar ett effekthanteringssystem i enlighet med föreliggande uppfinning och en radiosändare för att sända en radiosignal. Radio- sändaren försörjes med elektrisk effekt från utgången på den spänningshöjande omvandlaren. Vidare styr en radiostyrenhet sändarens funktion.

Fördelen med detta är att en sändare i en radiokommunikationsanordning, som momentant sänder med hög effekt, kan byggas in i en liten enhet.

Fördelen att en stor mängd av den energi som kan lagras i energilagringsmedlet kan tillhandahållas till den spänningshöjande omvandlaren uppnås genom att låta energilagringsmedlet uppladdas med energi, när det är anslutet till utgången på den spänningshöjande omvandlaren och genom att låta detta tillhandahålla energi till ingången på den spänningshöjande omvandlaren när det är anslutet till ingången på den spänningshöj ande omvandlaren. Eftersom den ingångsspänning som tillhandahålles till den spänningshöjande omvandlaren kan variera inom ett ganska brett intervall, Lex. 3 V till 5 V, kan energilagringsmedlet leverera en relativt stor mängd energi till den spänningshöjande omvandlaren och följaktligen till en last.

Fördelen att effekthanteringssystemet kan frånkopplas från effektkällan när en last momentant kräver hög effekt uppnås genom den tredje strömställaren, som kan frånkoppla effektkällan från ingången på den spänningshöj ande omvandlaren.

Fördelen att en sändare i en radiokommunikationsanordning, som momentant sänder med hög effekt, kan tillföras en liten apparat, uppnås genom att man kombinerar det elektriska effekthanteringssystemet med en radiokommunikationsanordning. 515. 882 Kort figurbeskrivning Fig. 1 visar ett blockschema över ett elektriskt effekthanteringssystem av känt slag; fig. 2 visar ett blockschema över en spänningshöjande likströmsomvandlare; fig. 3 visar ett blockschema över ett elektriskt effekthanteringssystem i enlighet med ett första utföringsexempel av föreliggande uppfinning vid en första operationsmod; fig. 4 visar ett blockschema över ett elektriskt effekthanteringssystem i enlighet med ett första utföringsexempel av föreliggande uppfinning vid en andra operationsmod.

Detalierad beskrivning av utföringsexempel Fig. 1 visar ett blockschema över ett tidigare känt elektriskt effekthanteringssystem 100. En kraftkälla 101 är ansluten till en första anslutning på en kondensator 102 och till en ingångsklämma på en spänningshöjande likströmsomvandlare 103.

Kondensatoms andra anslutning 102 är kopplad till jordpotential. Utgångsklämman på den spänningshöjande likströmsomvandlaren 103 är ansluten till en last 110. I detta exempel innefattar lasten 110 en radiosändare 11 l och en radiomottagare 112.

Fig. 2 visar ett blockschema över en spänningshöj ande likströmsomvandlare 200.

En ingångsklämma för mottagning av en ingångsspänning, vi, är ansluten till en första anslutning på en induktans 201. Induktansens 201 andra anslutning är kopplad till kollektorn på en bipolär transistor 202 och till anoden på en diod 203. Diodens 203 katod är kopplad till en utgångsklämma för att avge en utgångsspänning, vo, och till en ingång på en styrenhet 204 och till en första anslutning på en kondensator 205. En utgång till styrenheten är kopplad till basen på transistom 202. Transistorns 202 emitter och kondensatorns 205 andra anslutning är kopplade till jordpotential.

Funktionen för den spänningshöjande likströmsomvandlaren 200 är välkänd för fackmannen. I princip fungerar transistom 202 som en strömställare, som är under 515. 882 6 styrning av styrenheten 204. När transistom 202 är ledande, kommer energi att lag- ras i induktansen 201. Denna energi levereras till utgångsklämman genom díoden 203, när strömställaren öppnas. Genom induktansens egenskaper kan den spänning som levereras på utgången ha större norninellt värde, jämfört med nomínella värdet för spänningen på ingångsklämman. Styrenheten 204 mäter spänningen på utgångs- klämman och justerar omkopplingen för transistom 202 så att en utspänning, som har ett förutbestämt nominellt värde, alstras på utgångsklämman. En särskild fördel med en spänningshöjande likströmsomvandlare är att det förutbestämda norninella värdet på utspänningen kan erhållas fastän ingångsspänningen ligger inom ett rela- tivt stort intervall. Exempelvis kan en spänningshöjande likströmsomvandlare som avger en utspänning om 5 V, låta ingångsspänningen variera inom intervallet mellan 3Voch5V. Ätervändande till det elektriska effekthanteringssystemet i fig. 1 och dess funktion, ger effektkällan 101 en utgångsspänning, t.ex. 3 V. Kondensatom 102 uppladdas då med energi, Wm. Om utspänningen från effektkällan är 3 V, så blir den i kon- densatom lagrade energin lika med: Wm = c x 32 / 2 [Jøule] d.v.s. W = (C x Uz) / 2, där C är kapacitansen för kondensatorn 102 och U är den spänning som pålagts på kondensatorn. Den spänningshöjande likströmsomvandla- ren 103 levererar en utspänning, t.ex. 5 V, som då är större än ingångsspänningen, och utgångsspänningen levereras till lasten 110.

Vid ett exempel bildar effektkällan 101 en del av en portföljdator (ej visad). Ofta innefattar effektkällan ett återuppladdbart batteripaket. Portföljdatorn erhåller effekt antingen från det till portföljdatom kopplade elnätet (varvid batteripaketet samtidigt laddas) eller från själva batteripaketet. Vid många för närvarande existerande port- följdatorer kan ytterligare anordningar kopplas till ett eller flera kontaktdon i port- 515 882 7 följdatorn. Ett slag av dylika kontaktdon möjliggör för användaren att ansluta ett PCMCIA-kort. PCMCIA-kortet har ett standardiserat fysiskt format och en förut- bestämd elektrisk anslutningsarkitektur. Ett exempel på ett PCMCIA-kort är ett flashminneskort, som möjliggör för användaren att lagra data i ett icke-flyktigt minne (ej visat) på PCMCIA-kortet. Vid ett annat exempel föreligger ett modem tillsammans med en mobiltelefon, t.ex. en GSM-telefon, på PCMCIA-kortet. Ett dylikt PCMCIA-kort illustreras i fig. 1 genom den streckade linjen 104, och mobiltelefonen illustreras genom sändaren 111 och mottagaren 112. Andra delar av modemet och mobiltelefonen har utelämnats för att göra figuren lättare att läsa. Vid detta slag av tillämpningar konsumerar mobiltelefonen ofta momentant mera effekt, d.v.s. under radiosändning, än som kan levereras av effektkällan 101 i portföljdatorn. Exempelvis kan effektkällan i portföljdatorn avge en kontinuerlig ström inom intervallet 30 mA - 1 A vid dess PCMCIA-kontakt. Radiosändaren 111 i mobiltelefonen kan emellertid behöva 2 A under sändning. Eftersom radiosändaren lll bara sänder under korta tidsperioder, så blir medeleffektkonsumtionen genom lasten 110 långt lägre än 2 A. Följaktligen ger kondensatorn 102 en energibuffert, som möjliggör för sändaren 111 i mobiltelefonen att momentant konsumera mera effekt än den maximala uteffekten från effektkällan 101. Utan den energibuffert som erhålles genom kondensatorn 102 skulle utspänningen för effektkällan komma att falla signifikant under sändningsperioderna, eller också skulle 'effektkällan till och med kunna gå sönder. Ett dylikt fall i utspänningen kan störa funktionen inte bara i mobiltelefonen utan även i själva portföljdatorn. Om man antar att den utspänning som levereras av effektkällan (3 V i detta exempel) tillåts falla med 100 mA, så kan den energimängd som kan levereras av en fulladdad kondensator, Wa, beräknas: w, = c X (32-292) / 2 515 882* 8 Mera intressant är att relatera denna energimängd med energimängden för en fulladdad kondensator, d.v.s. Wm = C x 32 / 2, och därmed beräkna effektiviteten för energianvändningen, nw: n.. = W. / Wm = (32-292) / 32 = 6,6% Detta betyder att bara 6,6 % av den energi som är lagrad i en fulladdad kondensator 102 kan användas för att hjälpa till med effektförsörjningen genom att leverera effekt till lasten 110. Om utspänningen från effektförsörjningen är 5 V i stället för 3 V, blir effektiviteten för energianvändningen så låg som 4,0 %.

Ett problem med det tidigare kända elektriska effekthanteringssystemet är att en kondensator 102 som har stor kapacitans måste användas för att utgöra tillräckligt stor energibuffert vid detta slag av tillämpningar. En kondensator som har stor kapacitans är både dyrbar och upptar stor fysisk volym. Den stora volymen blir ett påtagligt problem när kondensatorn ingår i en liten apparat, såsom i ett PCMCIA- kort, som företrädesvis också innefattar en radio och ett modem.

Fig. 3 och fig. 4 visar blockscheman över ett elektriskt effekthanteringssystem 300 i enlighet med ett första utföringsexempel, i en första respektive en andra operations- mod. En kraftkälla 301 är ansluten till en första anslutning på en första strömställare 302. En andra anslutning till den första strömställaren är ansluten till en ingång på en spänningshöjande likströmsomvandlare 303 och till en första anslutning på en andra strömställare 304. En andra anslutning på den andra strömställaren är kopplad till en första anslutning på en kondensator 305 och till en första anslutning på en tredje strömställare 306. Den andra anslutningen till kondensatorn 305 är kopplad till jordpotential. En andra anslutning på den tredje strömställaren 306 är kopplad till utgången på den spänningshöjande likströmsomvandlaren 303 och till lasten 310.

Lasten innefattar i detta exempel en radio, vars sändare 311, mottagare 312 och radiostyrenhet 313 visas i fig. 3 och fig. 4. De övriga elementen i radion och det 515 ss? 9 därtill kopplade modemet visas ej. Den första strömställaren 302, den andra strömställaren 304 och den tredje strömställaren 306 är styrda av en effekthanteringsstyrenhet 307, såsom visas genom pilarna A, B respektive C i fig. 3 och fig. 4. Radiostyrenheten är ansluten till sändaren 311, mottagaren 312 och effekthanteringsstyrenheten 307. Vid detta utföringsexempel är de tre strömställarna 302, 304 och 306, den spänningshöjande likströmsomvandlaren 303, kondensatorn 305, effekthanteringsstyrenheten 307 och lasten 310 implementerade på ett PCMCIA-kort, utgörande en radiokommunikationsanordning, visad genom den streckade linjen 308 i fig. 3 och fig. 4. Effekthanteringsstyrenheten 307 och radio- styrenheten 313 är företrädesvis försedda med effekt (ej visat) från utgångsklämman på den spänningshöjande likströmsomvandlaren 303.

Den första, andra och tredje strömställaren, 302, 304 och 306, kan implementeras exempelvis medelst bipolära transistorer eller fälteffekttransistorer (FET).

Vid en första funktionsmod, visad i fig. 3, är den första strömställaren 302 och den tredje strömställaren 306 slutna, under det att den andra strömställaren är öppnad.

Kraftkällan 301 alstrar en utspänning, t.ex. 3 V, som levereras till den spännings- höjande likströmsomvandlaren 303 genom den slutna första strömställaren 302. Den spänningshöjande likströmsomvandlaren 303 alstrar en utspänning, som har större nominellt värde, t.ex. 5 V, än det nominella värdet för effektkällans utspänning.

Utspänningen från den spänningshöjande likströmsomvandlaren 303 levereras till lasten 310 liksom också till kondensatorn 305 genom den slutna tredje ström- ställaren 306. Utspänningen från den spänningshöjande likströmsomvandlaren 303 är emellertid ej ansluten till ingången på den spänningshöjande likströmsomvand- laren 303, eftersom den andra strömställaren är öppnad. Vid denna första funktions- mod kommer spänningen över kondensatorn 305 att vara lika stor som utspänningen från den spänningshöjande likströmsomvandlaren, och kondensatom blir då upplad- dad. 515 882 När lasten 310 momentant kräver mera effekt än vad Kraftkällan 301 kan leverera, öppnar effekthanteringsstyrenheten 307 den första strömställaren 302 och den tredje strömställaren 306 och sluter den andra strömställaren 304. Detta svarar emot en andra operationsmod och visas i fig. 4. Elementen i effekthanteringssystemet, som är implementerade på PCMCIA-kortet, är nu frånkopplade från effektkällan 301, eftersom den första strömställaren är öppnad. I stället förses den spänningshöjande likströmsomvandlaren 303 med energi från kondensatorn 305, som uppladdats med energi under den första funktionsmoden. Man kan lägga märke till att kondensatoms energi ej urladdas direkt till lasten 310, eftersom den tredje strömställaren 306 nu är öppnad. I det fall då lasten innefattar en radio, såsom visas i fig. 3 och fig. 4, kommer radiostyrenheten 313, som styr funktionen för sändaren 311 och mottagaren 312, att ge effekthanteringsstyrenheten 307 information om att den avser att aktivera sändaren 311, och information avseende tidsperioden för sändningen.

Effekthanteringsstyrenheten 307 går då in i den andra funktionsmoden under sändningsperioden, så att sändaren kan tillåtas få sin effekt genom den energi som tidigare upplagrats i kondensatom 305.

Fördelen med effekthanteringssystemet enligt föreliggande uppfinning framgår genom några beräkningar. Antag att effektkällan 301 ger en utspänning om 3 V och att den spänningshöjande likströmsomvandlaren 303 levererar en utspänning om V. Den energi som är lagrad i kondensatom 305 under den första funktionsmoden, Whäffi W,=cx52/2 Som diskuterats ovan gäller vidare, under antagande att den spänningshöjande likströmomvandlaren 303 tillåter att dess ingångsspänning ligger inom intervallet 3 V - 5 V, så blir den maximala energimängd, Wz, som kan urladdas från konden- satorn 305 under den andra funktionsmoden, att utan frångående av detta intervall bli: 515 882 11 W, = c x (5242) / 2 Effektiviteten för energianvändningen vid detta utförande, Tlwi, kan nu beräknas: m1= W, / W, = (52-32) / 52 = 64% Sedan kondensatorn blivit delvis urladdad under den andra funktionsmoden, övergås till den första funktionsmoden, och kondensatorn kommer att återuppladdas på nytt.

Från början går en stor ström till kondensatorn, när övergång sker till den första moden. För att undvika detta införes en strömbegränsare (ej visat), såsom ett mot- stånd, mellan den spänningshöjande likströmsomvandlaren 303 och den andra anslutningen på den tredje strömställaren 306. Den maximala spänningen över kondensatorn blir då minskad från 5 V till exempelvis 4,8 V. Vidare kan en säkerhetsmarginal införas så att spänningen över kondensatorn 305 ej faller under 3,3 V. Effektiviteten för energianvändningen blir då: m1 = W, / W. = (432-352) / 4,82 = 53 % Som visas genom dessa beräkningar, ökas effektiviteten för energianvändningen beträffande den energi som lagras i kondensatom 305 i effekthanteringssystemet enligt föreliggande uppfinning, jämfört med effektiviteten för energianvändningen vid energi lagrad i kondensatorn 102 enligt tidigare känd teknik. En jämförelse mellan de särskilda exemplen ger vid handen att effektiviteten för energianvänd- ningen ökar från blott 4 % till mer än 50 %. Ett motsvarande mindre kapacitans- värde kan väljas för kondensatom 305, vilket också medför en mindre och billigare kondensator. En mindre och billigare implementering möjliggöres därför av effekthanteringssystemet i enlighet med föreliggande uppfinning, jämfört med systemet enligt tidigare känd teknik. 1315 8820 12 Det torde inses att andra energilagringsmedel än en kondensator kan användas, t.ex. ett batteri. Ehuru beräkningarna inte kan direkt överföras till andra energilagrings- medel, kommer samma fördelar att uppnås.

Element i PCMCIA-kortet som ej momentant behöver mera effekt än som kan levereras av kraftkällan 301, kan kontinuerligt vara anslutna till utgångsklämman på effektkällan 301.

Vidare kan elementen i effekthanteringssystemet implementeras i andra enheter, t.ex. anordningar eller kort. Om exempelvis kraftkällan är implementerad i en portföljdator, kan varje annat element i effekthanteringssystemet implementeras i portföljdatom eller på PCMCIA-kortet.

Vidare kan effektkällan 101 utgöra en del av vad slag av elektrisk anordning som helst, t.ex. elektroniska organiserare, handflatedatorer, videokameror (camcorders), stillbildskameror, eller utgöra en separat effektförsörjningsenhet. Alla slags cell- radiosystem kan användas, såsom GSM, DECT, AMPS, DAMPS, CDMA, WCDMA, TD-CDMA. Praktiskt sett kan varje slag av radio användas.

Många altemativa implementeringar beträffande likströmsomvandlaren 200 i fig. 2 är kända för fackrnannen. Den särskilda implementeringen vid en tillämpning väljes i enlighet med välkända principer.

Claims (8)

10 15 20 25 515882 13 Patentkrav

1. l. Elektriskt effekthanteringssystem (300) innefattande: en ingångsklämma för mottagning av en försörjningsspänning, en likströmsomvandlare (303) försedd med en ingång för mottagning av en första spänning och en utgång för avgivande av en andra spänning, ett energilagringsmedel (305), en första strömställare (304) som när den är i slutet tillstånd ansluter likströms- omvandlarens ingång till energilagringsmedlet (305), en andra strömställare (306), som när den är i slutet tillstånd ansluter likströms- omvandlarens utgång till energilagringsmedlet (305), en tredje strömställare (302), som när den är i slutet tillstånd ansluter ingångs- klämman till ingången på likströmsomvandlaren, en effekthanteringsstyrenhet (307) för styrning av den första strömställarens (304), den andra strömställarens (306) och den tredje strömställarens (302) funktion så att, då systemet är i användning, energilagringsmedlet (305) är anordnat att uppladdas med energi då det är kopplat till likströmsomvandlarens utgång, och energilagringsmedlet (305) är anordnat att leverera energi till likströmsomvandlaren (303) när det är anslutet till likströmsomvandlarens ingång, samt att ingångsklämman är frånkopplad från ingången på likströmsomvandlaren under det att energilagringsmedlet (305) är anordnat att leverera energi till likströmsomvandlaren.

2. Elektriskt effekthanteringssystem (300) enligt krav 1, vari effekthanterings- styrenheten (307) innefattar en styringång för mottagning av styrsignaler och vari effekthanteringsstyrenheten (307), när systemet är i användning, är anordnad att styra den första strömställaren (304) till att öppnas och den andra strömställaren (306) till att slutas i motsvarighet till en första styrsignal vid styrenhetens ingång och är anordnad att styra den första strömställaren (304) till att slutas och den andra 10 15 20 25 545 tssz 14 strömställaren (306) att öppnas i motsvarighet till en andra styrsignal på styrenhe- tens ingång.

3. Elektriskt effekthanteringssystem (300) enligt krav 2 vari effekthanteringsstyrenheten (307), när systemet är i användning, är anordnad att styra den tredje strömställaren (302) så att den är sluten i motsvarighet till den första styrsignalen och är anordnad att styra den tredje strömställaren (302) till att öppnas i motsvarighet till den andra styrsignalen.

4. Elektriskt effekthanteringssystem (300) enligt något av föregående krav, vari energilagringsmedlet (305) är en kondensator.

5. Elektriskt effekthanteringssystem (300) enligt något av föregående krav, vari energilagringsmedlet (305) är ett batteri.

6. Radiokommunikationsanordning (308) innefattande: ett elektriskt effekthanteringssystem (300) enligt något av föregående krav, en radiosändare (311) för utsändning av en radiosignal, viken radiosändare är försörjd med elektrisk effekt från likströrnsomvandlarens utgång, en radiostyrenhet (313) för styrning av sändarens funktion.

7. Radiokommunikationsanordning (308) enligt krav 6, såtillvida beroende av krav 2, vari en utgångsstyrsignal från radiostyrenheten (313) är kopplad till effekthanteringsstyrenhetens (307) styringång och, när anordningen är i användning, radiostyrenheten (313) är anordnad att byta från att tillhandahålla den första styrsignalen till att tillhandahålla den andra styrsignalen till effekthanteringsstyrenhetens styringång vid en tidpunkt före det sändaren (311) börjar sända. 515 882 15

8. Radiokommunikationsanordning (308) enligt krav 6 eller krav 7, vari anordningen är uppbyggd på ett PCMCIA-kort.