CN100374983C - 无线网络接口设备中的峰值电流控制 - Google Patents

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Abstract

提供了用于改变和控制电源干线的有效串联电阻的方法和装置，该电源干线被配置为从主机设备的电源向无线网络接口设备例如无线调制解调器传送电力。相对于耦合到电源干线的过电容器的有效串联电阻来改变和控制电源干线的有效串联电阻，使得可以控制从主机电源和过电容器抽取的电流。在无线网络接口设备正在发送或将要发送的期间，增加电源干线的有效串联电阻，以使其超过过电容器的有效串联电阻，由此使得首先从过电容器而非从主机电源抽取用于无线网络接口设备的功率放大器的电流。在无线网络接口设备已经完成发送或将要完成发送的期间，降低主机电源的有效串联电阻，以使其低于过电容器的有效串联电阻，由此使得过电容器进入充电状态。

Description

无线网络接口设备中的峰值电流控制
技术领域
本发明总体上涉及电气设备中的电流控制。更具体地，本发明涉及无线网络接口设备(举例来说，如无线调制解调器)中的峰值电流控制。
背景技术
通信设备，如移动电话，允许在无线通信网络上进行话音通信。这种设备在当今世界已很普遍。近年来，已做出努力挖掘现有无线通信系统的作用，以使得不仅可以传输话音信息，而且可以通过该无线网络传送例如来自便携式(即，膝上型)计算机或个人数字助理(PDA)的数据。这种努力的一个结果是通用分组无线电业务(GPRS)标准，该标准提供了全球移动通信系统(GSM)无线蜂窝系统的分组交换数据覆盖(overlay)。
GPRS利用了“时隙”原理，根据该原理，每个射频(RF)载波信号被分割成8个时隙。这允许GPRS系统为每个载波信号提供8个通信信道。通过以并行方式使用几个时隙，可以更快地传送数据。理论上，当使用全部8个时隙时，GPRS允许最大传送速度为171.2千比特每秒(Kbps)。然而，实际上不可能达到这种数据速率，并且是按照设备能够用来发送(TX)和接收(RX)数据的时隙数量来对设备分类的。例如，8类设备使用1个TX时隙和4个RX时隙。与之相比，10类设备使用2个TX时隙和4个RX时隙，意味着它可以按8类设备两倍的速度发送数据脉冲(burst)。
由于不能在无线网络上直接传递来自膝上型计算机和PDA的数据，所以有必要使接口设备接入无线网络。这样的接口设备包括用于按照系统标准(例如，GPRS)格式化数据的装置和用于利用待传送数据调制射频(RF)信号的装置，以使得可以在无线网络上无线地传送数据。
已经开发了多种标准，这些标准阐述了针对上述类型的接口设备的电气规范和形状因数要求。现在公用的一个标准是PCMCIA(PersonalComputer Memory Card International Association：个人计算机存储卡国际协会)标准。PCMCIA是由大约五百家公司组成的组织，它开发了针对小型信用卡大小设备(称为PC卡)的标准。尽管最初定位于为便携式计算机添加存储器，但PCMCIA标准已扩展了几次，并且现在适用于除存储器外的许多类型设备。有3种PCMCIA PC卡的类型，标为I型、II型、III型。全部3种类型都具有同样的矩形尺寸(85.6×54.6mm)，但是厚度各自不同。II型卡可以厚达5.0mm，这种类型用于上述的接口设备。这样的接口设备，在采用PC卡的形式时，通常称为PC卡无线调制解调器。
PC卡插入设计在膝上型计算机或PDA中的PCMCIA槽。图1显示了一无线数据终端10，该无线数据终端10包括主机计算机100(例如，膝上型计算机或PDA)和PC卡无线调制解调器102。PC卡无线调制解调器102包括用于通过无线网络向/从远程设备发送/接收射频(RF)信号的天线104。PC卡无线调制解调器102还包括按照PCMCIA标准布置的各种输入/输出(I/O)和电力以及接地端子106。当端子106连接到主机计算机100的PCMCIA槽110中的对应端子时，主机计算机经由PCMCIA接口108与PC卡无线调制解调器102进行通信。当端子106连接到主机计算机100的PCMCIA槽110中的对应端子时，PCMCIA接口108还提供用于从主机计算机电源(即，电池)向PC卡无线调制解调器102供电的连接。这使得PC卡无线调制解调器102可以从主机计算机100的电池获取它的全部电力。因此，PC卡无线调制解调器不需要它自己的专用电源。图2显示了膝上型计算机200的概念图，该膝上型计算机200的PCMCIA槽204中插入有PC卡无线调制解调器202。
在其它电气规范中，II型PCMCIA标准规定，在任一时刻PC卡都不从主机电源抽取多于1安培的电流。不幸的是，尤其在脉冲发送期间，PC卡无线调制解调器的RF部中的功率放大器(PA)需要大电流。该电流需求随着PC卡无线调制解调器所用TX时隙的数量增加而增加。由于在满足PCMCIA最大电流抽取标准上的困难，一些PC卡无线调制解调器设计包括板载“过电容器(super capacitor)”，该过电容器与主机电源并联连接。在高电流需求脉冲发送期间，该过电容器成为电流源，从而对由主电源提供的电流进行补充。这样，就可以满足1安培的PCMCIA最大电流抽取规范。
近来关注的另一个标准是CompactFlash Plus(CF+)标准。CF+标准是最初的CompactFlash(CF)标准的扩展，该CF标准最初由CompactFlashAssociation(CFA)开发，以为移动产品提供小型轻质存储设备。CF+规范将这个概念扩展得超出了闪速数据存储，以包括I/O设备，例如，如无线调制解调器。CF+标准的一个吸引人的特征是形状因数(大约为纸板火柴(matchbook)的大小)比PCMCIA卡的形状因数(如上所述，大约为信用卡的大小)更小。然而，来自设计角度的一个缺点是，CF+标准规定：在3.3伏的95％下，从主机电源可抽取仅500mA的峰值电流。这是PCMCIA规范准许的许可电流抽取的大约一半。不幸的是，因为尤其在脉冲发送期间，许多无线调制解调器需要比500mA更多的电流，所以这个规范不能被遵照。例如，10类无线调制解调器在双时隙发送配置中需要多于1.3mA。尽管类似于上面所述，已利用过电容器来尝试实现对CF+标准的遵守，但这些尝试失败了，因为即使增加过电容器，无线调制解调器从主机电源抽取的电流也超过500mA的最大电流抽取限制。因此，仅使用过电容器不是实现规范遵守的可接受方案。
发明内容
提供了改变和控制电源干线的有效串联电阻(ESR)的方法和装置，该电源干线被配置为从主机设备的电源向无线网络接口设备传送电力。相对于耦合到电源干线的过电容器的ESR来改变和控制电源干线的ESR，允许控制从主机电源和过电容器抽取的电流。在无线网络接口设备正在发送或将要发送期间，增加电源干线的ESR，以使其超过过电容器的ESR，由此使得首先从过电容器而非从主机电源抽取用于无线网络接口设备的功率放大器(PA)的电流。在无线网络接口设备已经完成发送或将要完成发送期间，降低主机电源的ESR，以使其低于过电容器的ESR，由此使得过电容器进入充电状态。根据一个实施例，利用在大多数脉冲传送无线调制解调器卡中发现的TX使能信号，来例如通过场效应晶体管(FET)开关自适应地控制主机电源的ESR。
下面描述并限定本发明的进一步的方面，并且参照说明书的剩余部分和附图，可以认识到对本发明的特性和优点的进一步理解。
附图说明
图1显示了包括主机计算机(例如，膝上型计算机或PDA)和PC卡无线调制解调器的无线数据终端；
图2显示了一膝上型计算机的图，在该膝上型计算机的PCMCIA槽中插有PC卡无线调制解调器；
图3显示了根据本发明一实施例的示例有效串联电阻(ESR)控制系统，该ESR控制系统可以用来控制主机设备电源的主机电源干线(rail)的ESR；
图4显示了由没有ESR控制的系统(例如，无线网络接口设备)的PA抽取的电流的图；
图5显示了根据本发明实施例由具有ESR控制的系统(例如，无线网络接口设备)的PA抽取的电流的图；以及
图6显示了一流程图，该流程图例示了根据本发明实施例改变并控制电源干线的ESR的方法。
具体实施方式
参照图3，显示了根据本发明一实施例的示例有效串联电阻(ESR)控制系统30，该ESR控制系统30可以用来控制主机设备的电源的主机电源干线300的ESR。
根据这个实施例，当耦合到电源干线300的无线网络接口设备(例如，无线调制解调器)正在发送时(例如，在脉冲发送期间)，利用接口设备的发送TX_ENABLE(发送使能)信号来使场效应晶体管(FET)302截止。在这些情况下，由无线网络接口设备的功率放大器(PA)304抽取的电流绕过FET 302并且流过FET 306和电阻器308的串联组合。在一示例实施例中，这些情况下的ESR是0.83Ω。另一方面，当PA 304不发送时，FET 302和FET 306导通，并且电流流过FET 302以及FET 306和电阻器308的串联组合。在这些情况下，FET 302并联于FET 306和电阻器308的串联组合。从而，电源干线300的ESR比接口设备正在发送时的低(在一示例实施例中是0.17Ω)。
根据本发明的实施例，在无线网络接口设备正在发送数据期间，例如，在脉冲发送期间，改变电源干线300的ESR使得可以对过电容器310进行控制，以使其作为PA 304的主电流源(相对于主机电源而言)。即，在脉冲发送期间，除了主机电源，还需要补充电流源，从而不仅使得可以提供PA 304所需的大电流需求，而且使得可以遵守由相关标准所规定的来自主机电源的最大许可电流抽取。在脉冲发送期间，电源干线300的ESR增加到比过电容器ESR大的值。当无线网络接口设备不发送时，电源干线300的ESR降低到比过电容器310的ESR小的值，由此将过电容器置于充电状态。在此状况下，允许过电容器310进行充电，以其在随后的脉冲发送期间能够向PA 304提供电流。
通过在发送期间利用来自过电容器的电流来补充从主机电源抽取的电流，可以在不违背有关的最大主机电源电流抽取规范的情况下提供8类和10类调制解调器脉冲发送所需的大电流。特别地，根据本发明一实施例，可以使用图3的ESR控制系统30来允许10类操作，而仍然遵守CF+500mA最大电流抽取规范。这种性能如下面表I所示。表I针对以下情况比较了10类操作下的无线网络接口设备的RF功率放大器抽取的峰值电流：(i)不存在过电容器或ESR控制，(ii)具有过电容器但没有ESR控制，以及(iii)具有过电容器和ESR控制，最后一种情况表示本发明的一个实施例。
表I
 无过电容器和ESR控制  有过电容器而无ESR控制   有过电容器和ESR控制
  峰值电流抽取   1.21安培   0.511安培   0.441安培
表I表明，当没有过电容器且没有ESR控制时，功率放大器从主机电源抽取的峰值电流超过1A。因此，违反了1.0安培的PCMCIA最大电流抽取规范，同样违反了0.5安培的CF+最大电流抽取规范。添加过电容器使得来自主机电源的电流抽取降至0.511安培。这使功率放大器符合PCMCIA规范。然而，仅使用过电容器不足以使功率放大器符合CF+最大电流抽取规范。与前两种情况相比，当采用了过电容器和本发明的ESR控制方法和装置两者时，功率放大器从主机电源抽取的峰值电流是0.441安培。这使得功率放大器既符合PCMCIA规范又符合CF+规范。
在正常操作期间，ESR控制系统30的FET 306导通。然而，如果偶然发生过电流的情形，例如，如果无线调制解调器的天线312被损坏了，则FET 306提供过电流保护。特别地，一旦无线调制解调器的电流需求超过某个预定阈值，就可将一PA_SHUTDOWN(功率放大器关闭)信号(例如，由无线网络接口卡上的微处理器发出的中断)耦合到FET 306的控制栅极，以使FET 306截止，由此将主机电源与PA 304解耦。
尽管不需要，如图3所示，ESR控制系统30还可以包括一电流传感器314，电流传感器314被配置以测量PA 304正抽取的电流。使用在低阻抗电阻器316上降布的极低电压，来“测量”跨在该电阻器上的电压降。将这个测量电压耦合到第一运算放大器(op-amp)318的输入，该op-amp 318在它的输出提供一电压，该电压表示PA 304正抽取的电流。使用配置为比较器的第二op-amp 320对op-amp 318的输出与一参考电压VREF进行比较。如果第一op-amp 318的输出的电压超过VREF，则已检测到过电流情况(举例来说，例如如果调制解调器天线遭到破坏，则可能发生这种情况)。接着可以将该过电流检测提供给中断生成器322以产生一ERROR(错误)信号，该信号可以用来向用户或者无线调制解调器的固件通知出现了问题。
尽管不需要，如图3所示，ESR控制系统30还可以包括一电压检测器324和一补偿调节器(buck regulator)326，以适应3.3伏或5伏的主机电源标称电压。这些可选组件有助于最大化功率效率和最小化热耗散。电压检测器324检测电源干线300处于这两个电压中的哪一个下。如果处于3.3伏标称电压下，则使通路(pass)晶体管328导通，将补偿调节器旁路，并允许电源电压通到PA 304。另一方面，如果电源电压处于5伏标称电压下，则使通路晶体管328截止，并且补偿调节器326将5伏电压转换到3.3伏电压，接着允许这个电压通到PA 304。在任一情况下，可选地都可以包括一低抽出(drop out)(LDO)调节器330，作为用于向无线网络接口设备的剩余部分(例如，不是PA，而是接口设备的无线电部的剩余部分、逻辑电路，等等)供电的装置。
现在参照图4和图5，显示了没有ESR控制(图4)和具有ESR控制(图5)的10类的0.8W GSM系统的示波器(范围)图。具有ESR控制(即，图5)的系统的范围图采用与图3所示类似的ESR控制系统。图4中的范围图显示了由无线网络接口设备的PA从主机电源抽取的电流，该无线网络接口设备没有TX_ENABLE控制FET 302或者FET 306和电阻器308的串联组合。图4中的范围图表明，PA从主机电源抽取的电流为大约500mA，这是CF+最大许可电流抽取规范的上限。与之对照，图5中的范围图表明，在缺乏脉冲发送期间的峰值电流的情况下，PA 304在脉冲发送期间抽取的额外电流几乎完全由过电容器而非由主机电源提供。
现在参照图6，显示了一个流程图，该流程图例示了根据本发明一实施例的改变和控制电源干线的ESR的方法。在步骤602，将主机电源电压耦合到无线网络接口设备的电源干线。在可选步骤604，确定主机标称电源电压是3.3伏还是5伏。如果没有上面描述的电压检测器324/补偿调节器326装置，则该方法继续至步骤610。否则，如果确定主机标称电源电压是3.3伏，则允许将该电源电压传给无线网络接口设备的PA 304。如果确定主机标称电源电压是5伏，则由补偿调节器将该5伏电压转换为3.3伏标称电压。接下来，在可选步骤610，系统确定(例如，使用电流传感器314)是否存在过电流情况(即，电流抽取超过某预定或规定限制)，执行测量。应当注意，这一步骤并非必须按图6的流程图所示的时间顺序发生。实际上，它可以在过程中的其它时间发生，甚至可以在过程期间的所有时间被执行。如果未执行可选步骤610，则该方法继续到判定块612，在此确定是否开始脉冲发送。如果是，则电源干线的ESR增大，并且系统在过电容器310的辅助下进行发送。如果不是，则ESR保持不变，并且过电容器保持在充电状态下，除非系统正好完成脉冲发送，在此情况下ESR降低，以使过电容器310切换到充电状态。如果在可选步骤610检测到过电流状况，则在可选步骤618产生一中断标志，之后在步骤620，将电源干线与PA 304解耦。
尽管上述是本发明优选实施例的完整描述，但也可以使用各种另选例、变型例以及等同物。例如，尽管上述提供的描述中的一些是在无线网络接口设备(例如，无线调制解调器)、CompactFlash卡以及符合CF+规范的背景下进行陈述的，但本领域技术人员很容易理解，本发明的精神不仅包括无线调制解调器、CompactFlash卡，以及符合CF+规范，而且包括PC卡和类似PC卡的接口设备。实际上，本说明书中公开的发明适用于任何电流受限的主机/无线网络接口设备应用。因此，不应把上述描述视为对本发明的范围的限制，因为本发明的范围是由附加权利要求来限定的。

Claims (22)

1.一种改变和控制电源干线的有效串联电阻的方法，该电源干线被设置为从主机设备的电源向无线网络接口设备传送电力，该方法包括以下步骤：
将来自一主机设备的电源的电源电压经由电源干线耦合到一无线网络接口设备的电力输入部；和
在无线网络接口设备通过无线网络正在进行发送或将要进行发送的期间，将电源干线的有效串联电阻增加到比耦合到电源干线的电容器的有效串联电阻大的值，从而使电容器向无线网络接口设备的电力输入部提供电流，以防止从主机设备的电源过抽取电流。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在无线网络接口设备完成发送或将要完成发送的期间，降低电源干线的有效串联电阻。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，利用来自无线网络接口设备的发送使能信号来启动增加电源干线的有效串联电阻。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，利用来自无线网络接口设备的发送使能信号来启动降低电源干线的有效串联电阻。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，利用来自无线网络接口设备的发送使能信号的第一值来启动增加电源干线的有效串联电阻，而利用发送使能信号的第二值来启动降低电源干线的有效串联电阻。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，无线网络接口设备的电力输入部是接口设备的功率放大器的电力输入部。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在无线网络接口设备不发送或将要完成发送的期间，将电源干线的有效串联电阻降低到比耦合到电源干线的电容器的有效串联电阻小的值，从而使电容器停止向无线网络接口设备的电力输入部提供电流并使电容器进入充电状态。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，无线网络接口设备包括无线调制解调器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，无线调制解调器包括10类的双发送时隙无线调制解调器。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，无线网络接口设备包括带无线调制解调器的卡。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，无线网络接口设备包括带无线调制解调器的卡。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，耦合到电源干线的电容器提供的电流防止从主机设备的电源抽取的电流超过预定的最大许可电流抽取。
13.一种无线网络接口设备，包括：
可变有效串联电阻电源干线，被设置为当无线网络接口设备连接到主机设备时，从所述主机设备的电源向无线网络接口设备传送电力；
功率放大器，被设置为当无线网络接口设备连接到所述主机设备时，经由所述可变有效串联电阻电源干线，从所述主机设备接受电源电压；
有效串联电阻控制电路，可进行操作以改变电源干线的有效串联电阻，从而防止从所述主机设备的所述电源电压过抽取电流；以及
耦合到电源干线的电容器，可进行操作以在无线网络接口设备连接到所述主机设备时并且在所述有效串联电阻控制电路使电源干线的有效串联电阻超过电容器的有效串联电阻时，向所述功率放大器供电，
其中，所述有效串联电阻控制电路为所述无线网络接口设备，其通过发送使能信号来改变电源干线的有效串联电阻。
14.根据权利要求13所述的无线网络接口设备，其中，当无线网络接口设备正在进行发送时，可变有效串联电阻电源干线的有效串联电阻大于电容器的有效串联电阻。
15.根据权利要求13所述的无线网络接口设备，其中，当无线网络接口设备不进行发送时，可变有效串联电阻电源干线的有效串联电阻小于电容器的有效串联电阻。
16.根据权利要求13所述的无线网络接口设备，其中，当无线网络接口设备连接到所述主机设备时并且当无线网络接口设备正在进行发送时，电容器向功率放大器供电以帮助防止从所述主机设备的电源抽取的电流超过预定的最大许可电流抽取。
17.一种用于改变电源干线的有效串联电阻的装置，所述电源干线被设置以从主机设备的电源向无线网络接口设备传送电力，该装置包括：
电源电压耦合装置，用于经由电源干线将来自主机设备的电源的电源电压耦合到无线网络接口设备的电力输入部；和
电源干线有效串联电阻增加装置，用于在无线网络接口设备通过无线网络正在发送或将要发送数据的期间，增加电源干线的有效串联电阻，以防止从主机设备的电源过抽取电流。
18.根据权利要求17所述的用于改变电源干线的有效串联电阻的装置，还包括电源干线有效串联电阻降低装置，该电源干线有效串联电阻降低装置用于在无线网络接口设备完成发送或者将要完成发送的期间，降低电源干线的有效串联电阻。
19.根据权利要求17所述的用于改变电源干线的有效串联电阻的装置，其中，电源干线有效串联电阻增加装置由来自无线网络接口设备的发送使能信号控制。
20.一种对在无线网络接口设备的射频发送器正在进行发送时由该无线网络接口设备从主机设备的电源抽取的电流进行限制的方法，该方法包括以下步骤：
将主机设备的电源连接到无线网络接口设备的电力输入部；
确定无线网络接口设备的射频发送器将要发送的期间；以及
响应于对无线网络接口设备的射频发送器将要发送的期间的确定，在所述期间内将电源干线的有效串联电阻增加到比耦合到电源干线的电容器的有效串联电阻大的值，从而使电容器向无线网络接口设备的电力输入部提供电流，以防止从主机设备的电源过抽取电流，
其中，执行增加电源干线的有效串联电阻的步骤，至少到电源干线的有效串联电阻大于耦合到电源干线的电容器的有效串联电阻为止。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：利用来自无线网络接口设备的发送使能信号来启动增加电源干线的有效串联电阻。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：在射频发送器完成发送之后，将电源干线的有效串联电阻降低到比耦合到电源干线的电容器的有效串联电阻小的值，从而使电容器停止向无线网络接口设备的电力输入部提供电流并使电容器进入充电状态的值。
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