專利名稱：具有低功耗的功率控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及節(jié)能電路、減少功耗的方法以及智能卡、發(fā)射機(jī)應(yīng)答器和移動(dòng)自供電電子裝置。
背景技術(shù)：
在自供電電子裝置領(lǐng)域中，小型化是正在進(jìn)行的過(guò)程和所希望的目標(biāo)，這是因?yàn)樵絹?lái)越復(fù)雜的功能可以集成到手提式電子裝置中。移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、移動(dòng)數(shù)字助理(MDA)以及手提GPS裝置是這些移動(dòng)電子裝置的例子，其中很清楚可用性主要取決于外形規(guī)格(form-factor)，因此是用戶信任的至關(guān)重要的方面。此外，電子裝置出現(xiàn)在日常生活的項(xiàng)目中，其中電子功能是新的特征。例如，在汽車鑰匙中的發(fā)射機(jī)應(yīng)答器，或者甚至用發(fā)射機(jī)應(yīng)答器代替汽車鑰匙。與鑰匙相關(guān)的發(fā)射機(jī)應(yīng)答器或者用作鑰匙的單獨(dú)發(fā)射機(jī)應(yīng)答器提供比機(jī)械鑰匙更好的安全性，因?yàn)闄C(jī)械鑰匙容易被復(fù)制。另一重要領(lǐng)域是智能卡，這將在下面更詳細(xì)地進(jìn)行說(shuō)明。
智能卡(以下還簡(jiǎn)稱為卡)通常是具有“信用卡”尺寸外形規(guī)格的裝置，其具有小型嵌入式電子功能電路，例如，計(jì)算機(jī)芯片等。這種卡式計(jì)算機(jī)可以被編程以執(zhí)行任務(wù)和/或儲(chǔ)存信息。一般情況下，有不同類型的智能卡，例如，存儲(chǔ)器卡、處理器卡、電子錢(qián)包卡、安全卡等?，F(xiàn)今，具有處理器電路的智能卡通常適于插入所謂的智能讀取器中，然后可以使用，該智能讀取器還通常稱為卡終端。希望與讀取器通信的軟件必須發(fā)送一些指令來(lái)控制讀取器，從而提供功能，如供電或?qū)⒅噶顐鬟f給智能卡。發(fā)送給智能卡的指令可以是所有權(quán)，但是還存在一種標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 7816規(guī)范，其更詳細(xì)地定義了指令格式。
智能卡有助于商業(yè)發(fā)展和在迅速變化的全球市場(chǎng)中擴(kuò)展他們的產(chǎn)品和服務(wù)。除了公知的商業(yè)應(yīng)用之外，例如，儲(chǔ)蓄、付款、存取控制、識(shí)別、購(gòu)票和停車或收費(fèi)等，近年來(lái)，信息時(shí)代已經(jīng)提出了一批安全和隱私的問(wèn)題，其要求先進(jìn)的智能卡安全應(yīng)用，例如，用戶到PC和網(wǎng)絡(luò)的安全登錄和認(rèn)證，數(shù)字證書(shū)、口令和證件的存儲(chǔ)，敏感數(shù)據(jù)的加密，無(wú)線通信用戶鑒別等。
已經(jīng)發(fā)展了最新一代的智能卡用于自動(dòng)操作而不用卡終端，即如上所述的卡讀取器。這樣，這種卡需要內(nèi)部電源來(lái)操作。然而，由于智能卡的尺寸而使在卡內(nèi)部可以獲得的功率非常小。通常，內(nèi)部電源的容量在10到25mAh數(shù)量級(jí)。智能卡通常的使用情況是短操作時(shí)間，例如20秒，并且每天大約五次操作，且在其間具有長(zhǎng)時(shí)間的間隔不操作。不用說(shuō)，可用上幾年而不因?yàn)楹谋M電池而交換對(duì)于這種自動(dòng)智能卡的接受程度是至關(guān)重要的。即使可以給內(nèi)部電池再充電，但是其可能被忽略，由此危害到用戶的認(rèn)同。因此，必須確保一定的時(shí)間周期，在這期間可以保證足夠的“板上(on board)”功率。由于可獲得的總功率很小，因此在不使用卡時(shí)，非常希望具有最低的功率使用。即使是1μA的低靜止電流在3年期間也將消耗26mAh?？紤]25mAh的內(nèi)部電池，該電能甚至對(duì)于不工作的3年期間也是不夠的。然而，這個(gè)問(wèn)題不容易通過(guò)大電池來(lái)解決，因?yàn)榭ㄖ杏呻姵卣紦?jù)的面積是很重要的。較小的電池在卡上留下了更多的空間給其他部件和/或留下更多的空間給“塑料”，其為卡提供更好的機(jī)械特性。
存在兩種通用的方案來(lái)減少功率損失，每種方案都具有它們自身的缺陷。首先，當(dāng)保持供給功能電路的電源時(shí)，即電源不關(guān)閉；則由總系統(tǒng)引起(？)的靜態(tài)電流應(yīng)該至少為0.1μA以下。然而，這對(duì)于應(yīng)用在智能卡中的當(dāng)前一代集成電路(IC)來(lái)說(shuō)是不可能的。最先進(jìn)的低功率IC目前正在接近這種靜止功率。但是即使具有0.1μA數(shù)量級(jí)的靜止電流，在3年時(shí)間期間也將浪費(fèi)10mAh電池容量的25％。因此，靜止電流優(yōu)選低于0.01μA。
第二種替換方案是使用模擬開(kāi)關(guān)以使電源、例如電池與功能電路、例如處理器斷開(kāi)。例如，當(dāng)功率下降時(shí)，處理器可以產(chǎn)生應(yīng)該斷開(kāi)電源的信號(hào)。這種解決方案通常由許多晶體管構(gòu)成并具有以下缺陷晶體管的總泄漏電流太大。而且，在已知電路中，作為電源線內(nèi)的開(kāi)關(guān)元件的晶體管具有幾十歐姆的相當(dāng)大的導(dǎo)通電阻，這進(jìn)一步減少了可用于供給的功能電路的電壓。用于切換與電源的連接的最簡(jiǎn)單的已知電路示于圖8中。通過(guò)高信號(hào)(I)，晶體管V2打開(kāi)并將晶體管V1的柵極拉到地，由此使晶體管V1導(dǎo)通。在低信號(hào)(I)，晶體管V2關(guān)閉并且上拉電阻器R使晶體管V1的柵極為高電壓，這就使晶體管V1關(guān)閉。這個(gè)電路可以例如在US5198851的圖12中看到，其中晶體管V2對(duì)應(yīng)于FET36，并且該電路的其余部分，即至少晶體管V1處于DC/DC轉(zhuǎn)換器中。在圖8的電路中，在供給電路的導(dǎo)通狀態(tài)下，電阻器R消耗了大部分的功率?？紤]到實(shí)際電阻器值是100k到1M，在3V的供給電壓下功率使用為3到30μA，這對(duì)于非常低的功率應(yīng)用，如這里所述的裝置，如智能卡、發(fā)射機(jī)應(yīng)答器等來(lái)說(shuō)是相當(dāng)大的。在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，在圖8的電路中，由這兩個(gè)晶體管V1和V2的泄漏電流來(lái)控制功率使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)能電路，其減少了在截止?fàn)顟B(tài)期間的整個(gè)電子裝置的功率使用并在導(dǎo)通狀態(tài)期間具有最低功率使用。
另一目的是在任何時(shí)候都盡可能避免泄漏電流。又一目的是盡可能地少使用額外的電元件。又一目的是具有一種電路方案，其可以集成在已有集成電路內(nèi)，因此可以被放入非常小的裝置如智能卡、發(fā)射機(jī)應(yīng)答器以及移動(dòng)電子裝置等中。
上述目的是通過(guò)下述節(jié)能電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種節(jié)能電路包括啟動(dòng)裝置、升壓裝置、和用于連接和斷開(kāi)電源的電源開(kāi)關(guān)裝置，其中所述啟動(dòng)裝置設(shè)置成在被激勵(lì)時(shí)從所述電源向至少所述升壓裝置提供臨時(shí)連接，所述升壓裝置設(shè)置成產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電壓，該開(kāi)關(guān)電壓在由所述電源提供的用于激勵(lì)所述電源開(kāi)關(guān)裝置的供給電壓的范圍以外，其中所述電源開(kāi)關(guān)裝置設(shè)置成在被激勵(lì)時(shí)將所述電源連接到所述升壓裝置并且連接到功能電路。
上述目的進(jìn)一步通過(guò)下述功耗減少方法來(lái)實(shí)現(xiàn)用于減少移動(dòng)電子裝置中的功耗的方法，所述移動(dòng)電子裝置包括功能電路并由具有供給電壓的有限內(nèi)部電源來(lái)供電，所述方法包括-通過(guò)以下步驟激勵(lì)處于關(guān)閉狀態(tài)的所述移動(dòng)電子裝置-產(chǎn)生在所述供給電壓的范圍以外的開(kāi)關(guān)電壓；-通過(guò)所述開(kāi)關(guān)電壓激勵(lì)開(kāi)關(guān)元件；并且-通過(guò)所述開(kāi)關(guān)元件將所述電源連接到所述功能電路；-通過(guò)以下步驟關(guān)閉處于開(kāi)啟狀態(tài)的所述移動(dòng)電子裝置停止產(chǎn)生所述開(kāi)關(guān)電壓，由此斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)元件。
上述目的進(jìn)一步通過(guò)包括上述節(jié)能電路的智能卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。
上述目的進(jìn)一步通過(guò)包括上述節(jié)能電路的發(fā)射機(jī)應(yīng)答器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
上述目的進(jìn)一步通過(guò)包括上述節(jié)能電路的移動(dòng)自供電電子裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中所述功能電路不是所述電子裝置的永久使用部分。
相應(yīng)地，節(jié)能電路包括啟動(dòng)裝置、升壓裝置和用于連接和斷開(kāi)電源的電源開(kāi)關(guān)裝置，其中所述啟動(dòng)裝置設(shè)置成在被激勵(lì)時(shí)從所述電源向至少所述升壓裝置提供臨時(shí)連接，所述升壓裝置設(shè)置成產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電壓，該開(kāi)關(guān)電壓在由所述電源提供的用于激勵(lì)所述電源開(kāi)關(guān)裝置的供給電壓的范圍以外；換言之，從數(shù)學(xué)上講，所述產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)電壓的絕對(duì)值大于所述供給電壓的絕對(duì)值。所述電源開(kāi)關(guān)裝置設(shè)置成在被激勵(lì)時(shí)將所述電源連接到所述升壓裝置和連接到功能電路。所述電源采取電源裝置的形式，而電源裝置可以是自動(dòng)提供供給電壓的任何種類的電源，并且優(yōu)選是電池或蓄電池。應(yīng)該注意的是，在供給電壓的范圍以外的開(kāi)關(guān)電壓意味著所述開(kāi)關(guān)電壓高于由所述電源提供的供給電壓或者低于由所述電源提供的供給電壓。
所述電源開(kāi)關(guān)裝置是單個(gè)開(kāi)關(guān)元件。所述電源開(kāi)關(guān)裝置可以是任何種類的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件。優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件是單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。所述電源開(kāi)關(guān)裝置還可以是小型開(kāi)關(guān)，即，在集成電路的規(guī)模上。優(yōu)選地，這種小型開(kāi)關(guān)是小型機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)。更優(yōu)選地，這種小型機(jī)電開(kāi)關(guān)是靜電開(kāi)關(guān)或壓電開(kāi)關(guān)。
所述升壓裝置是從所述供給電壓產(chǎn)生所述開(kāi)關(guān)電壓的升壓電路。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)裝置設(shè)置成用于對(duì)到電源的正供給線的功率連接進(jìn)行切換，并且所述開(kāi)關(guān)電壓是高于所述供給電壓的電壓。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述開(kāi)關(guān)裝置設(shè)置成用于對(duì)到電源的負(fù)供給線的功率連接進(jìn)行切換，并且所述開(kāi)關(guān)電壓是低于所述供給電壓的電壓。所述更高的電壓或更低的電壓分別可以從所述功能電路提供的信號(hào)產(chǎn)生，所述信號(hào)可以是時(shí)鐘信號(hào)。為了這個(gè)目的，升壓電路可以是電荷泵，其使用所述時(shí)鐘信號(hào)用于產(chǎn)生所需的開(kāi)關(guān)電壓。
所述功能電路可至少包括處理電路或顯示驅(qū)動(dòng)電路。應(yīng)該注意的是，所述功能電路可以是可用于該裝置的任何種類的電路，例如，聲音產(chǎn)生電壓，傳感器電路，例如用于檢測(cè)用戶的生物學(xué)特征如指紋的傳感器電路，太陽(yáng)能電池、發(fā)光元件等。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述功能電路包括所述升壓裝置。所述功能電路可至少包括所述顯示驅(qū)動(dòng)器，其中所述升壓裝置是可用的。還可以是，所述功能電路至少包括所述處理電路，其中所述升壓電路是可用的。在處理電路內(nèi)的所述升壓裝置中，可以存在原本就用于對(duì)電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)或閃存編程的電路?？蓮陌且资源鎯?chǔ)器的處理器使用比參考電位低或高的電壓。這里，較高電壓用于將數(shù)據(jù)寫(xiě)到EEPROM或閃存中。例如，可用于EEPROM的電壓通常在10V和15V之間，并且用于閃存的電壓大約為15V，為負(fù)的和正的。這樣，這種電壓可以被有利地再利用作為根據(jù)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)電壓。
所述啟動(dòng)裝置可以是按鈕，其可以是任何種類的按鈕。優(yōu)選地，按鈕被構(gòu)成為壓在導(dǎo)體圖形上的一個(gè)簡(jiǎn)單的導(dǎo)電橡膠墊，所述導(dǎo)體形成各個(gè)輸入和輸出。
在進(jìn)一步的發(fā)展中，所述按鈕還設(shè)置成用作用于所述功能電路的輸入裝置。為了這個(gè)目的，所述按鈕可以包括耦合到所述電源的輸入、耦合到所述升壓裝置的第一輸出以及耦合到功能電路的輸入端的第二輸出。而且，所述按鈕設(shè)置成使得在所述按鈕被激活時(shí)，所述輸入連接到所述第一和所述第二輸出。
根據(jù)用于減少移動(dòng)電子裝置中的功耗的方法，所述裝置具有功能電路，所述功能電路由有限的內(nèi)部電源來(lái)供電，該內(nèi)部電源具有預(yù)定供給電壓。當(dāng)激勵(lì)處于截止?fàn)顟B(tài)的所述移動(dòng)電子裝置時(shí)，所述方法包括以下步驟產(chǎn)生高于所述供給電壓的電壓；由所述較高電壓激勵(lì)開(kāi)關(guān)元件；并且通過(guò)所述開(kāi)關(guān)元件將所述供給電壓連接到所述功能電路。當(dāng)關(guān)閉處于導(dǎo)通狀態(tài)的所述移動(dòng)電子裝置時(shí)，所述方法包括以下步驟停止產(chǎn)生所述較高電壓，并斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)元件。所述斷開(kāi)步驟可以通過(guò)外部輸入行為來(lái)起動(dòng)，例如可以是OFF按鈕激勵(lì)。所述斷開(kāi)步驟還可以通過(guò)預(yù)定內(nèi)部事件來(lái)起動(dòng)，例如，當(dāng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了定時(shí)器的預(yù)定時(shí)間或者在所述功能電路中完成了一個(gè)過(guò)程或操作時(shí)。
根據(jù)本發(fā)明的節(jié)能電路可以最有利地用在智能卡、發(fā)射機(jī)應(yīng)答器以及移動(dòng)自供電電子裝置中。
一般情況下，本發(fā)明采用單個(gè)電源開(kāi)關(guān)元件，例如，F(xiàn)ET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)或MEMS(微型電磁開(kāi)關(guān))，作為電源開(kāi)關(guān)，以便允許將電池與功能電路即整個(gè)電子系統(tǒng)斷開(kāi)。有利地，該單個(gè)FET或單個(gè)MEMS以非常低的導(dǎo)通電阻允許最小的可能泄漏電流。根據(jù)本發(fā)明，為了切換MEMS，使用高于待切換的電源電壓的電壓，并且為了切換FET，分別使用高于或低于待切換的電源電壓的電壓，這取決于以下事實(shí)使用FET是將電源連接線切換到由電源提供的高還是低電位上。所需的較高或較低電壓由升壓裝置產(chǎn)生，例如，升壓電路，只要整個(gè)裝置或系統(tǒng)在操作中，即在導(dǎo)通狀態(tài)即可。根據(jù)本發(fā)明的電路確實(shí)具有非常低的功率使用，這是因?yàn)殡娫撮_(kāi)關(guān)，即FET或MEMS自身不使用功率；只留下升壓電路中的泄漏電流，該泄漏電流至少比圖10中的電路的泄漏電流低10倍。最有利地，當(dāng)所需升壓電路已經(jīng)是可用時(shí)，即已經(jīng)獲得了較高電壓(HV)或較低電壓(LV)；根本就沒(méi)有附加的功耗。HV或LV可能已經(jīng)存在于功能電路中，例如存在于顯示驅(qū)動(dòng)器中，在其中它用于驅(qū)動(dòng)顯示器，因而僅有的附加電子部件是FET或MEMS。有些處理器還可以具有已經(jīng)可用的HV或LV，例如，用于對(duì)電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)或閃存進(jìn)行寫(xiě)入，它們還可以被重新用作開(kāi)關(guān)電壓。有利地，通過(guò)使用處理器的內(nèi)部時(shí)鐘作為升壓電路的源，不需要額外的I/O管腳來(lái)控制電源開(kāi)關(guān)。當(dāng)處理器進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，其時(shí)鐘將停止，因此電源開(kāi)關(guān)將使處理器與電池(電源)自動(dòng)斷開(kāi)。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例只包含單個(gè)FET，與圖10的現(xiàn)有技術(shù)相比，使泄漏電流減少了2倍。用于操作開(kāi)關(guān)的較高電壓還允許使用靜電或壓電MEM開(kāi)關(guān)來(lái)代替FET。MEM開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下不消耗功率，并且在截止?fàn)顟B(tài)下幾乎沒(méi)有泄漏電流。


下面將結(jié)合附圖在實(shí)施例的基礎(chǔ)上介紹本發(fā)明，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的節(jié)能電路的總的原理；圖2示出本發(fā)明第一實(shí)施例的方框圖；圖3示出用于產(chǎn)生高電壓的升壓電路的實(shí)施例的例子；圖4示出本發(fā)明第一實(shí)施例的另一改進(jìn)的方框圖；
圖5示出可用在本發(fā)明第二實(shí)施例中的雙動(dòng)作按鈕的開(kāi)關(guān)圖形的例子；圖6示出本發(fā)明第一實(shí)施例的另一改進(jìn)例的替換形式的方框圖；圖7示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的方框圖；圖8示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的方框圖；圖9示出用于產(chǎn)生低電壓的升壓電路的實(shí)施例的例子；以及圖10示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的簡(jiǎn)化電路。
具體實(shí)施例方式
首先，應(yīng)該注意的是，不用說(shuō)，電壓正確地定義為電路的兩個(gè)特定節(jié)點(diǎn)之間的電位差。然而，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)被定義為參考電位，即參考節(jié)點(diǎn)，則該電路中的任何其他節(jié)點(diǎn)的電位可以由其電壓來(lái)參考，而其電壓由它的電位和參考節(jié)點(diǎn)的電位之間的差來(lái)限定。因此，為了減輕說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)雜性，電路的節(jié)點(diǎn)通過(guò)它們的電壓與參考電位Vref的對(duì)比來(lái)進(jìn)行參考。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖1，圖1示出根據(jù)本發(fā)明的節(jié)能電路的總的原理。相應(yīng)地，系統(tǒng)或裝置1包括根據(jù)本發(fā)明的節(jié)能電路10。節(jié)能電路10具有啟動(dòng)裝置20、升壓裝置30和用于連接和斷開(kāi)由電源60提供的供給電壓V的電源開(kāi)關(guān)裝置40，所述電源60還提供參考電位Vref。啟動(dòng)裝置20設(shè)置成在被激勵(lì)時(shí)提供從供給電壓V至少到升壓裝置30的臨時(shí)連接。升壓裝置30設(shè)置成產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電壓SV，該開(kāi)關(guān)電壓SV可以是比供給電壓V高或低的高電壓HV或低電壓LV，這取決于開(kāi)關(guān)裝置40是用于切換負(fù)供給電壓V還是正供給電壓V。開(kāi)關(guān)電壓VS用于激勵(lì)電源開(kāi)關(guān)裝置40。電源開(kāi)關(guān)裝置40設(shè)置成在被激活時(shí)，將供給電壓V經(jīng)過(guò)電源線14連接到升壓裝置30和功能電路50。因此，供給電壓V被輸入到升壓裝置30和功能電路50兩者，只要升壓裝置30產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電壓SV即可。電源裝置60優(yōu)選是電池或蓄電池。最后，參考電位Vref至少耦合到功能電路50。升壓裝置30也可以耦合到參考電位Vref。該參考電位通常稱為地電位GND。
現(xiàn)在參考圖2，圖2示出本發(fā)明第一實(shí)施例的方框圖。該系統(tǒng)或裝置1可以是智能卡?；旧希c圖1相比，使用FET 44和按鈕22分別代替了圖1中的電源開(kāi)關(guān)裝置40和啟動(dòng)裝置40。此外，從電池62還可以看到，供給電壓V高于參考電位Vref。因此，F(xiàn)ET 44必須切換正電源電壓線Vpp和電池62的供給電壓V之間的連接。因此，為了切換FET 44，開(kāi)關(guān)電壓必須高于供給電壓V，即根據(jù)本發(fā)明的較高電壓HV。
裝置1如下操作。當(dāng)按壓按鈕22時(shí)，它將作為處理器54的功能電路的Vpp連接到電池62的V，使處理器54啟動(dòng)。作為啟動(dòng)程序的一部分，處理器54提供信號(hào)52給升壓裝置30。信號(hào)52可以起動(dòng)升壓裝置31的時(shí)鐘或者可以將時(shí)鐘信號(hào)供給升壓裝置30，例如處理器時(shí)鐘本身。分別利用起動(dòng)的時(shí)鐘或供給的時(shí)鐘信號(hào)，升壓裝置31產(chǎn)生所需要的較高電壓HV，這使FET 44打開(kāi)。當(dāng)釋放按鈕22時(shí)，F(xiàn)ET44將保持電源線14。當(dāng)裝置1必須(？)被切斷時(shí)，處理器54可以停止升壓裝置31上的時(shí)鐘或者停止將時(shí)鐘供給升壓裝置31。然后停止產(chǎn)生高電壓HV，由此導(dǎo)致高電壓HV停止(breakdown)。FET 44將下降(fall off)，并且整個(gè)裝置1將從電源斷開(kāi)，因此幾乎不消耗功率。更有利地，F(xiàn)ET 44和功能電路，即處理器54，可以一起集成在處理器模塊上。如果還使用(？)處理器的內(nèi)部時(shí)鐘作為升壓電路的源，則不需要額外的I/O管腳來(lái)控制電源開(kāi)關(guān)。當(dāng)處理器進(jìn)入切斷狀態(tài)時(shí)，其時(shí)鐘將停止，因而電源開(kāi)關(guān)將使處理器與電池(電源)自動(dòng)斷開(kāi)。
當(dāng)處理器54提供時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，在圖2中，升壓裝置31可以與圖3中所示的升壓電路2一樣簡(jiǎn)單。圖2的信號(hào)52，為時(shí)鐘信號(hào)，其在升壓電路32的端子CLK輸入。當(dāng)在端子CLK提供信號(hào)時(shí)，升壓電路32作為簡(jiǎn)單的一級(jí)電荷泵工作，并在該端子提供所需的高電壓HV，該高電壓HV用于開(kāi)啟圖2的FET 44。應(yīng)該注意的是，根據(jù)電容器C2的電容，從圖2中的處理器54輸送給升壓電路32的CLK端子上的信號(hào)可以例如被重新用作與裝置1進(jìn)行外部通信的數(shù)據(jù)線或I/O線。由于用作如智能卡等裝置上的處理器的IC具有極少的外部互連，由于與裝置1的處理器54的外部互連的數(shù)量是有限的，因而已有端子的再利用是有利的。
現(xiàn)在參考圖4，其示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)的方框圖。與圖2的第一實(shí)施例相比，在圖4中，啟動(dòng)裝置的按鈕24提供雙功能，即，按鈕24可以用于兩個(gè)功能。第一功能是裝置1的激勵(lì)，第二功能是為裝置1上的功能電路提供外部輸入裝置。換言之，啟動(dòng)裝置被重新用作處理器54的輸入裝置，即，圖1的功能電路50。因此，按鈕24是“雙動(dòng)作”按鈕。當(dāng)按壓雙動(dòng)作按鈕24時(shí)，經(jīng)由輸入信號(hào)線16在V和處理器54的供給電壓Vpp與處理器54的輸入管腳56之間都形成接觸。
雙動(dòng)作按鈕24可以如圖5所示那樣實(shí)現(xiàn)，圖5是可行實(shí)施方式的示意平面圖。在被激勵(lì)時(shí)，簡(jiǎn)單的導(dǎo)電橡膠墊78被按壓在導(dǎo)體圖形上，所述導(dǎo)體圖形是如圖5中所示的雙動(dòng)作按鈕70的輸入導(dǎo)體圖形72以及第一輸出導(dǎo)體圖形72與第二輸出導(dǎo)體圖形74。應(yīng)該注意的是，導(dǎo)電橡膠墊可以具有任何形狀，只要提供對(duì)導(dǎo)電圖形72、74和76的足夠的覆蓋即可。應(yīng)該注意的是，按鈕的這種雙功能性還可以通過(guò)兩個(gè)單個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)的任何合適的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，還存在其他方式，以下將介紹其中之一。
圖4的第二實(shí)施例對(duì)于用在如智能卡或發(fā)射機(jī)應(yīng)答器等裝置中具有兩個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。在這種裝置中的有限空間只允許有限數(shù)量的按鈕，例如兩個(gè)或三個(gè)。重新使用啟動(dòng)裝置，即，按鈕，減少了所需按鈕的數(shù)量。因此，智能卡或發(fā)射機(jī)應(yīng)答器上的更多空間可用于其他功能?；蛘撸糜谙嗤杩臻g的附加按鈕也是可行的，這增強(qiáng)了裝置的用戶界面友好性。應(yīng)該注意的是，雙動(dòng)作按鈕可以有利地安裝在裝置1的所有按鈕中，允許在“按壓任何按鈕”時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)。在功能電路包括一個(gè)以上的處理器54的情況下，在不再需要它們就可以關(guān)斷處理器54或整個(gè)裝置1以便節(jié)能。由于任何被按下的雙動(dòng)作按鈕24將喚醒裝置1，因此可以避免用戶的任何麻煩，而如果在每次關(guān)斷裝置1時(shí)，他或她都必須按壓某個(gè)導(dǎo)通開(kāi)關(guān)，則將不會(huì)是這樣的情況。圖6示出本發(fā)明第二實(shí)施例的替換方式的方框圖。這里，將二極管D放在啟動(dòng)電源線12和輸入信號(hào)線16之間，這提供了雙動(dòng)作功能性。
現(xiàn)在參考圖7，其示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的方框圖。在該優(yōu)選實(shí)施例中，電源開(kāi)關(guān)FET44不與處理器54一起位于處理器模塊上，而是電源開(kāi)關(guān)FET 44與顯示驅(qū)動(dòng)器56一起設(shè)置在相應(yīng)的顯示模塊55上。這樣，根據(jù)上述實(shí)施例，通過(guò)附加的升壓裝置31產(chǎn)生了用于打開(kāi)FET44的較高電壓HV(圖2、4、6)，這對(duì)于大多數(shù)顯示器模塊來(lái)說(shuō)不是必須的。大多數(shù)顯示器原理，例如，LCD和電泳顯示器，需要比來(lái)自電池的電壓和/或用于光學(xué)響應(yīng)的處理器內(nèi)核電壓更高的電壓。這樣，如果顯示模塊55上的顯示驅(qū)動(dòng)器54已經(jīng)具有升壓電路，則這個(gè)升壓電路還可以用于產(chǎn)生比供給電壓V更高的所需電壓HV。顯示模塊55還可以包括一個(gè)或彼此隔開(kāi)的多個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)器和升壓電路。就是說(shuō)，顯示驅(qū)動(dòng)器IC或至少該顯示模塊包含升壓電路33，該升壓電路33被重新用作根據(jù)本發(fā)明的升壓裝置，用以打開(kāi)FET 44。此外，應(yīng)該注意的是，F(xiàn)ET 44還可以與顯示驅(qū)動(dòng)器54一起集成在顯示模塊55中。
現(xiàn)在將參考圖7詳細(xì)介紹操作過(guò)程。當(dāng)按壓雙動(dòng)作按鈕24時(shí)，處理器54和顯示驅(qū)動(dòng)器56經(jīng)由臨時(shí)連接12從電池62獲取電能并啟動(dòng)。作為啟動(dòng)程序的一部分，在顯示器起動(dòng)之前(？)，處理器54起動(dòng)顯示驅(qū)動(dòng)器56和升壓電路33?；蛘?，處理器54可以提供時(shí)鐘信號(hào)給顯示驅(qū)動(dòng)器56中的升壓電路33。顯示驅(qū)動(dòng)器56內(nèi)的升壓電路33的高電壓HV打開(kāi)FET 44，當(dāng)釋放按鈕24時(shí)，F(xiàn)ET 44將保持功率連接14。當(dāng)裝置1(或系統(tǒng))，即顯示智能卡將被關(guān)斷時(shí)，處理器54可以關(guān)閉顯示驅(qū)動(dòng)器56上的升壓電路33，例如通過(guò)向顯示驅(qū)動(dòng)器56發(fā)出RESET命令。FET 44將下降，并且整個(gè)裝置1將消耗接近零的功率。應(yīng)該注意的是，該優(yōu)選實(shí)施例還可以與如在前實(shí)施例中所述的“按壓任何按鈕”喚醒組合，即雙動(dòng)作按鈕功能性的替換實(shí)施方式。
現(xiàn)在參考圖8，其示出了本發(fā)明第二實(shí)施例的方框圖?，F(xiàn)在，如從電池62的極性還可以看到的，供給電壓V低于參考電位Vref。因此，F(xiàn)ET 46必須對(duì)負(fù)供給電壓線Vnn和電池62的供給電壓V之間的連接進(jìn)行切換。因此，為了切換FET 46，開(kāi)關(guān)電壓必須低于供給電壓V，即，根據(jù)本發(fā)明的低電壓LV。圖8的裝置1如下操作。當(dāng)按壓按鈕22時(shí)，它將例如作為處理器54的功能電路的Vnn連接到電池62的V，從而使處理器54啟動(dòng)。如上所述，處理器54將例如為時(shí)鐘信號(hào)的信號(hào)52提供給升壓裝置34。利用輸送的時(shí)鐘信號(hào)，升壓裝置34(？)產(chǎn)生所需的較低電壓LV，從而打開(kāi)FET 46，當(dāng)釋放按鈕22時(shí)，其可以保持電源線14。為了切換裝置1，處理器54可以停止給升壓裝置34提供時(shí)鐘信號(hào)，從而也停止產(chǎn)生較低電壓LV。于是，較低電壓LV的停止使FET 46衰退(fall off)，并且整個(gè)裝置1將與電源斷開(kāi)。這樣，幾乎沒(méi)有功率消耗。更有利地，F(xiàn)ET 46和功能電路，例如處理器54，也可以一起集成在處理器模塊上。如果使用處理器的內(nèi)部時(shí)鐘作為升壓電路的源，則無(wú)需額外的I/O管腳來(lái)控制FET46。當(dāng)處理器54被關(guān)斷時(shí)，其時(shí)鐘將停止，因此FET 46將使處理器54與電池62自動(dòng)斷開(kāi)。當(dāng)處理器54提供時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，在圖8中，升壓裝置34可以是簡(jiǎn)單電路，如圖9中所示的升壓電路35。圖8的信號(hào)52，即時(shí)鐘信號(hào)，在升壓電路35的端子CLK處輸入。升壓電路35(類似于圖3中的升壓電路)作為簡(jiǎn)單的一級(jí)電荷泵工作，并在端子LV提供所需的低電壓，該低電壓用于打開(kāi)圖8的FET 46。
應(yīng)該注意的是，在這里所討論的本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例中，代替半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)作為電源開(kāi)關(guān)裝置，可以使用MEM開(kāi)關(guān)用于在電源線14中形成打開(kāi)或閉合的開(kāi)關(guān)(圖1、2、3、6、7、8)。這種MEM系列開(kāi)關(guān)的基本結(jié)構(gòu)例如可以由懸掛在電源線中的斷開(kāi)部分(機(jī)械間隙)上方的導(dǎo)電橫梁構(gòu)成。通過(guò)施加由升壓電路產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)電壓，即較高電壓HV，在橫梁上感應(yīng)靜電力，這降低了間隙上的橫梁，從而使電源線的開(kāi)口端短路。在除去較高電壓HV之后，橫梁中的機(jī)械彈簧恢復(fù)力可以使其返回到其懸掛位置。有利地，閉合電路損失最小，即只有電源線和dc接觸中的介質(zhì)與I2r損失，并且與斷開(kāi)部分例如100μm間隙的開(kāi)路絕緣非常高。
總之，由于自供電移動(dòng)電子裝置上的可用電池功率非常小，但是要求非常長(zhǎng)的保存期，因此即使非常小的靜止電流也是很大的功率問(wèn)題。因此，本發(fā)明已經(jīng)公開(kāi)了一種節(jié)能電路和方法，其中使用單個(gè)電源開(kāi)關(guān)，例如FET或MEM開(kāi)關(guān)使電源(？)與整個(gè)系統(tǒng)斷開(kāi)并使得最低靜止電流成為可能。此外，與雙動(dòng)作按鈕的組合以及電源開(kāi)關(guān)的集成提供了具有最少數(shù)量元件和最少互連的方案。用于“在任何按鈕的系統(tǒng)喚醒”的選擇開(kāi)啟了在使用期間用于額外節(jié)能的可能性，而不會(huì)給用戶帶來(lái)任何不便。
最后，也是非常重要的，應(yīng)該注意的是，在說(shuō)明書(shū)中、包括在權(quán)利要求書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)“包括”旨在指明所述特征、裝置、步驟或部件的存在，而不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、裝置、步驟、元件或其組合的存在或添加。此外，在權(quán)利要求中元件前面的詞語(yǔ)“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這樣的元件。而且，任何參考標(biāo)記都不限制權(quán)利要求的范圍。此外，應(yīng)該注意的是，“耦合”應(yīng)理解為表示被耦合的這些元件之間存在電流路徑；即，“耦合”不表示這些元件直接連接。
權(quán)利要求
1.一種節(jié)能電路(10)，包括啟動(dòng)裝置(20)、升壓裝置(30)、和用于連接和斷開(kāi)電源(60)的電源開(kāi)關(guān)裝置(40)，其中所述啟動(dòng)裝置(20)設(shè)置成在被激勵(lì)時(shí)提供從所述電源(60)至少到所述升壓裝置(30)的臨時(shí)連接(12)，所述升壓裝置(30)設(shè)置成產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電壓(SV)，該開(kāi)關(guān)電壓(SV)在由所述電源(60)提供的用于激勵(lì)所述電源開(kāi)關(guān)裝置(40)的供給電壓(V)的范圍以外，其中所述電源開(kāi)關(guān)裝置(40)設(shè)置成在被激勵(lì)時(shí)將所述電源(60)連接到所述升壓裝置(30)并連接到功能電路(50)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述啟動(dòng)裝置(20)是按鈕(22)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述啟動(dòng)裝置(20)還設(shè)置成用作所述功能電路(54)的輸入裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中所述啟動(dòng)裝置(20)是按鈕(24)，該按鈕(24)包括耦合到所述供給電壓(V)的輸入(72)、耦合到所述升壓裝置(30)的第一輸出(74)以及耦合到功能電路(54)的輸入的第二輸出(76)，并且所述按鈕設(shè)置成使得在激勵(lì)所述按鈕(24)時(shí)，所述輸入(72)連接到所述第一輸出(74)和所述第二輸出(76)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述電源開(kāi)關(guān)裝置(40)是單個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(44、46)，優(yōu)選是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述電源開(kāi)關(guān)裝置(40)是單個(gè)小型開(kāi)關(guān)，優(yōu)選是小型機(jī)電開(kāi)關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中所述小型機(jī)電開(kāi)關(guān)是靜電開(kāi)關(guān)或壓電開(kāi)關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述升壓裝置(30)是產(chǎn)生所述開(kāi)關(guān)電壓(SV)的升壓電路(32)，所述開(kāi)關(guān)電壓(SV)是高于待切換的所述供給電壓(V)的電壓(HV)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述升壓裝置(30)是產(chǎn)生所述開(kāi)關(guān)電壓(SV)的升壓電路(34)，所述開(kāi)關(guān)電壓(SV)是低于待切換的所述供給電壓(V)的電壓(LV)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的電路，其中所述功能電路向所述升壓裝置提供時(shí)鐘信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述功能電路(50)至少包括處理電路(54)或顯示驅(qū)動(dòng)電路(56)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路，其中所述處理電路或所述顯示驅(qū)動(dòng)電路包括所述升壓裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述電源(60)是電池或蓄電池。
14.用于減少移動(dòng)電子裝置中的功耗的方法，所述移動(dòng)電子裝置具有功能電路，該功能電路由具有供給電壓的有限內(nèi)部電源來(lái)供電，所述方法包括-通過(guò)以下步驟激勵(lì)處于關(guān)閉狀態(tài)的所述移動(dòng)電子裝置-產(chǎn)生在所述供給電壓的范圍以外的開(kāi)關(guān)電壓；-通過(guò)所述開(kāi)關(guān)電壓激勵(lì)開(kāi)關(guān)元件；以及-通過(guò)所述開(kāi)關(guān)元件將所述電源連接到所述功能電路；-通過(guò)以下步驟關(guān)閉處于開(kāi)啟狀態(tài)的所述移動(dòng)電子裝置-停止產(chǎn)生所述開(kāi)關(guān)電壓，并且由此斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述斷開(kāi)步驟由外部輸入行為來(lái)起動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述斷開(kāi)步驟由預(yù)定內(nèi)部事件來(lái)起動(dòng)。
17.一種智能卡，包括根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的節(jié)能電路。
18.一種發(fā)射機(jī)應(yīng)答器，包括根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的節(jié)能電路。
19.一種移動(dòng)自供電電子裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的節(jié)能電路，其中所述功能電路不是所述電子裝置的永久使用部分。
全文摘要
自供電移動(dòng)電子裝置，特別是智能卡上的可用電池功率是非常小的，但是需要非常長(zhǎng)的保存期。這樣，即使非常小的靜止電流也是很大的功率問(wèn)題。本發(fā)明公開(kāi)了一種節(jié)能電路和方法，其中使用單個(gè)電源開(kāi)關(guān)例如FET或MEM開(kāi)關(guān)使電源(？)與整個(gè)系統(tǒng)斷開(kāi)，并使最低的電流成為可能。此外，與雙動(dòng)作按鈕的組合以及電源開(kāi)關(guān)的集成提供了一種具有最少元件和互連數(shù)量的方案。用于“在任何按鈕的系統(tǒng)喚醒”的選擇使得在使用期間可以額外節(jié)能，而不會(huì)給用戶帶來(lái)任何不便。
文檔編號(hào)G06K19/07GK101044496SQ200580035845
公開(kāi)日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者弗朗克·克內(nèi)普克恩斯, 彼得·揚(yáng)·斯利克威爾, 帕維爾·穆夏爾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司