(57)【要約】  リアルタイムクロックおよび電力管理集積回路は、ａ）デバイスを制御するシステムクロック信号を生成するための内部クロック発生器を備えるＲＴＣブロックと、ｂ）電力管理ブロックとからなる。電力管理ブロックは、主電源およびバックアップ電源接続と、フィードパワーダウンコンバータ構成部と、主電源から所定の充電器入力電圧まで電圧を増加または調整するバックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部と、充電制御論理構成部と、バックアップ電源遮断論理構成部と、充電制御論理構成部と、所定の条件下での動作を可能にするバッテリ遮断論理構成部及びモード制御論理構成部とを含む。【選択図】図３
2019511789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）デバイスを制御するシステムクロック信号を生成するための内部クロック発生器を備えるＲＴＣブロックと、
ｂ）電力管理ブロックと、を備え
前記電力管理ブロックは、
ｉ）回路を主電源に接続するための主電源接続部と、
ｉｉ）回路をバックアップ電源に接続するためのバックアップ電源接続部と、
ｉｉｉ）ＲＴＣブロックに電力を供給する前に前記バックアップ電源からの電圧電位を少なくとも３：２の係数だけ低下させるように構成されたフィードパワーダウンコンバータ構成部と、
ｉｖ）前記主電源から所定の充電器入力電圧まで電圧を増加または調整するためのバックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部と、
ｖ）前記バックアップ電源からの電圧を所定の充電器入力電圧まで増加または調整するためのバックアップ電源充電制御論理構成部と、
ｖｉ）所定の条件下で前記バックアップ電源への電流の引き込みを停止させるように構成されたバックアップ電源遮断論理構成部と、
ｖｉｉ）所定の条件下で前記充電制御論理構成部およびバッテリ遮断論理構成部の動作を可能にするために前記充電制御論理構成部および前記バッテリ遮断論理構成部に動作可能に結合されたモード制御論理構成部と、
を備えることを特徴とするリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項２】
前記フィードパワーダウンコンバータ構成部と、前記バックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部と、前記バックアップ電源充電制御論理構成部と、前記モード制御論理構成部は、再充電可能な薄膜マイクロ電池である前記バックアップ電源に接続するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項３】
前記フィードパワーダウンコンバータ構成部と、前記バックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部と、前記バックアップ電源充電制御論理構成部と、前記モード制御論理構成部は、再充電可能なリチウム薄膜マイクロ電池である前記バックアップ電源に接続するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項４】
前記フィードパワーダウンコンバータ構成部と、前記バックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部と、前記バックアップ電源充電制御論理構成部と、前記モード制御論理構成部は、スーパーキャパシタである前記バックアップ電源に接続するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項５】
前記フィードパワーダウンコンバータ構成部は、スイッチキャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ構成部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項６】
前記フィードパワーダウンコンバータ構成部は、前記ＲＴＣブロックに電力を供給する前に、前記バックアップ電源からの電圧電位を３：１、３：２、４：１、または５：１から選択される係数だけ低下させるように構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項７】
前記フィードパワーダウンコンバータ構成部は、前記ＲＴＣブロックに電力を供給する前に、前記主電源および前記バックアップ電源からの電位を少なくとも２倍低下させるように構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項８】
前記フィードパワーダウンコンバータ構成部は、前記ＲＴＣブロックに電力を供給する前に、前記主電源からの電圧電位を３：１、３：２、４：１、または５：１から選択される係数だけ低下させるように構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項９】
前記フィードパワーダウンコンバータ構成部は、約０．３Ｖ〜約３．３Ｖの電圧電位で前記ＲＴＣブロックに電力を送達するように構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項１０】
前記バックアップ電源充電器電力ブースタ／レギュレータ構成部は、固体電池を充電する目的で、約２．１Ｖから５．５Ｖの入力電圧から、前記一次供給電圧を少なくとも４．１Ｖにブーストおよび／または調整するように構成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項１１】
前記バックアップ電源充電器電力ブースタ／レギュレータ構成部は、スーパーキャパシタまたは再充電可能なコインセルを充電する目的で、約２．１Ｖから５．５Ｖの入力電圧から、前記一次供給電圧を少なくとも３Ｖ〜３．３Ｖにブーストおよび／または調整するように構成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のリアルタイムクロックおよび電力管理集積回路。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のリアルタイムクロックと電力管理回路とからなり、バックアップ電源と一緒にパッケージングされた共パッケージユニット。
【請求項１３】
前記バックアップ電源は、薄膜リチウム電池であることを特徴とする請求項１２に記載の共パッケージユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権主張］
本出願は２０１６年３月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／３１５，３５７号「電力管理機能を備えたリアルタイムクロック集積回路」の利益を主張し、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、リアルタイムクロック集積回路に関する。
【背景技術】
【０００３】
市販のリアルタイムクロック（ＲＴＣ）は、主電源が失われたときにＲＴＣ動作を維持するためのバックアップ電源として、スーパーキャパシタ、一次電池、二次電池によってサポートされることが多い。同じことは、一般に、ＲＴＣおよび揮発性メモリを含むメモリチップ（例えば、ＳＲＡＭ）およびマイクロコントローラ（ＭＣＵ）にも当てはまる。
【０００４】
いくつかの実施形態では、バックアップ電源はＲＴＣのＶＤＤピンに接続され、主電源が失われたとき（グリッド電力停止、主電池の消耗等）に電力を供給する。この構成は図１に示されており、バックアップ電源は利用可能な場合には主電源から充電される。
【０００５】
別の構成では、図２に示すように、バックアップ電源をバックアップ電源ピンに接続する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
様々な回路の動作を保証するために様々なバックアップ電源を使用するデバイスの製造業者は、デバイスの設計のために特別に調整された電力管理システムを使用しなければならない。動作の柔軟性および標準化が達成され得るシステム設計における重要なポイントは、リアルタイムクロック集積回路にあることが発見された。従来のリアルタイムクロック機能を実行するＲＴＣブロックを備える回路に主要な電力管理機能を組み込むことによって、ＲＴＣブロックおよび任意の下流の回路がより低い全体的な電力消費で動作することを可能にする機能と組み合わせて、多種多様なバックアップ電源とともに使用することができる高度に柔軟な電力管理機能を提供することにおいて、デバイス設計者にとって貴重なツールを提供することができる。ＲＴＣブロックおよび任意の下流の回路による電力消費の低減は、バックアップ電源の動作寿命を延ばす。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、リアルタイムクロックおよび電力管理集積回路は、
ａ）デバイスを制御するシステムクロック信号を生成するための内部クロック発生器を備えるＲＴＣブロックと、
ｂ）電力管理ブロックと、を備え
前記電力管理ブロックは、
ｉ）回路を主電源に接続するための主電源接続部と、
ｉｉ）回路をバックアップ電源に接続するためのバックアップ電源接続部と、
ｉｉｉ）ＲＴＣブロックに電力を供給する前に前記バックアップ電源からの電圧電位を少なくとも３：２の係数だけ低下させるように構成されたフィードパワーダウンコンバータ構成部と、
ｉｖ）前記主電源から所定の充電器入力電圧まで電圧を増加または調整するためのバックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部と、
ｖ）前記バックアップ電源からの電圧を所定の充電器入力電圧まで増加または調整するためのバックアップ電源充電制御論理構成部と、
ｖｉ）所定の条件下で前記バックアップ電源への電流の引き込みを停止させるように構成された充電制御論理構成部と、
ｖｉｉ）所定の条件下で前記充電制御論理構成部およびバッテリ遮断論理構成部の動作を可能にするために前記充電制御論理構成部および前記バッテリ遮断論理構成部に動作可能に結合されたモード制御論理構成部からなる。
【０００８】
ＲＴＣブロックおよび電力管理ブロックのみからなる本回路は、例えば、ＲＴＣ機能ではない動作機能を備えるより大きなシステムに接続される準備ができているユニットにおいて機能の独特な組み合わせを提供し、それらの電源が主電源であるかバックアップ電源であるかにはよらない。本明細書に記載される回路は、広範囲の最終用途デバイスにおいて有用で貴重な機能を提供し、利便性と組み合わされた優れた設計の柔軟性を提供する。ここに述べる基本的な回路の組合せは、多くの製品において本回路の有用性によって可能となる規模の経済性を利用しつつ、特別に設計された回路においてのみ利用可能な機能を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本出願に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は本発明のいくつかの態様を示し、実施形態の説明と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。図面の簡単な説明は以下の通りである。
【００１０】
【図１】従来技術の回路の回路図である。
【図２】従来技術の回路の回路図である。
【図３】本リアルタイムクロック集積回路の一実施形態の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に記載される本発明の実施形態は、網羅的であること、または以下の詳細な説明において開示される厳密な形態に本発明を限定することを意図しない。むしろ、選択され説明された実施形態の目的は、本発明の原理および実施の当業者による理解および理解を容易にすることである。
【００１２】
［ＲＴＣブロック］
ＲＴＣブロックは、デバイスを制御するシステムクロック信号を生成する内部クロック発生器を備える。一実施形態では、ＲＴＣブロックがクロック機能、カレンダ機能、アラーム、割り込み、および市販のＲＴＣに典型的な他の機能のうちの１つまたは複数を含む。一実施形態では、ＲＣＴブロックが３２．７６８ｋＨｚ発振器に基づいて、数百分の一、秒、分、時、日、年、世紀、および平日の間、カウンタから選択される１つ以上の機能と、自動うるう年計算と、全てのカウンタ上のアラーム能力と、１〜２つの汎用出力および電力サイクル外部構成要素用のプログラム可能タイマと、６４バイトのＲＡＭと、＋／２ｐｐｍ（水晶）から＋／−１６ｐｐｍ（ＲＣ）までの較正オプションと、水晶発振器に対するＲＣ発振器の自動。
【００１３】
一実施形態では、ＲＴＣブロックおよび任意の下流回路がすべての動作モードで望まれる「超低」電力消費フォーマットで動作することができる。
【００１４】
機能ブロックは可能な場合、それぞれの機能が所与の動作モードにおいて必須でないときに、無効にされるべきである。一実施形態では、ＲＴＣブロックおよび任意の下流回路が約０．３Ｖ〜約３．３Ｖの電圧で動作するように構成される。
【００１５】
一実施形態では、ＲＴＣブロック動作電流が５０ｎＡ以下であり、所与の温度で±２ｐｐｍの精度であり、そのような精度を支持する外部結晶を仮定する。一実施形態では、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）などの外部構成要素の接地線を通る電流をシンクする電力マネージャ機能をサポートする内部プルダウンＦＥＴが使用される。このＦＥＴの抵抗は、選択された技術ノードに対して占めるのであろう推定面積に基づいて決定される。
【００１６】
［電力管理ブロック］
電力管理ブロックは、電力入力、バックアップ電源の使用および再充電、ならびにＲＴＣブロックおよびＲＣＴブロックに接続され得る任意の下流回路への電力供給を制御するためのいくつかの機能を備える。
【００１７】
［主電源］
一実施形態では、本回路に接続される主電源が以下のうちの１つまたは複数から選択される。
【００１８】
再充電可能なＬｉイオン電池であって、電力は任意の所与の電圧で提供される。一実施形態において、Ｌｉイオン電池は、名目上、３．７Ｖから２．７Ｖまでの出力電圧範囲を有する。
【００１９】
一次（すなわち非充電式）コイン型電池であって、電力は任意の所与の電圧で提供される。一実施形態において、コイン型電池は３Ｖ〜３．３Ｖの公称出力電圧を有し、寿命末期には２．５Ｖまで下がる。
【００２０】
１つ以上のアルカリ一次電池の接続。一実施形態では、単一のアルカリ一次電池が新品なときに１．５Ｖの電圧を有し、寿命末期に０．９Ｖまで低下する。一実施形態では主電源が２つ以上のアルカリ一次電池を直列に接続したものであり、電力は任意の所与の電圧で提供される。一実施形態では、２つの直列接続されたアルカリ一次電池が新品の場合には３Ｖの合成電圧を有し、寿命末期には１．８Ｖまで低下する。
【００２１】
任意の所与の電圧で電力レールに調整される壁電力。一実施形態において、壁電力は例えば、約２．５Ｖ、３．３Ｖ、または５Ｖから選択される電圧で提供される。
【００２２】
［バックアップ電源］
一実施形態では、本回路に接続されるバックアップ電源が以下のうちの１つまたは複数から選択される。
【００２３】
リチウムベースのコイン型電池や固体薄膜マイクロ電池などの充電式電池。薄膜電池の例は、米国特許番号５，３１４，７６５；５，３３８，６２５；５，４４５，９０６；５，５１２，１４７；５，５６１，００４；５，５６７，２１０；５，５６９，５２０；５，５９７，６６０；５，６１２，１５２；５，６５４，０８４；および５，７０５，２９３に記載されており、これらの開示は、本明細書中で参考として援用される。
【００２４】
スーパーキャパシタ。
【００２５】
非充電式コイン型電池などの非充電式電池。
【００２６】
［フィードパワーダウンコンバータ構成部］
一実施形態では、フィードパワーダウンコンバータ構成部がＲＴＣブロックに電力を供給する前に、バックアップ電源からの電圧電位を少なくとも３：２の係数だけ低下させるように構成される。一実施形態では、フィードパワーダウンコンバータ構成部がスイッチキャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ構成部である。このフィードパワーダウンコンバータ構成部は低電力デバイスに電力を供給する効率的な方法で出力エネルギーを低減し、その結果、バックアップ電源の有効動作は、少なくとも２倍の長さである。本環境におけるダウンコンバータ技術の使用は、三重の利点を提供する。第１に、電圧の低減はＶ２／Ｒ乗算器の利点を提供し、負荷による電力消費を大幅に低減し、第２に、低電圧で動作することは、低電力デバイスを動作させるための未使用エネルギーの無駄を少なくし、第３に、バックアップ電源から引き出される電流の量が低いので、バックアップ電源の内部インピーダンスによって電力損失が減少する。
【００２７】
この３倍の効果は、スーパーキャパシタ、一次電池、または充電式能電池のいずれであっても、所与のエネルギー貯蔵デバイスに対するシステムの実行時間を大幅に延ばすことができる。リチウム固体電池の場合の３．８Ｖのような比較的高い出力電圧の電池の場合、ＤＣ−ＤＣ変換回路に関連するヘッドルームを、その最小動作電圧より高いＲＴＣへの電圧を維持しながら電池の全放電を完了することができるほど十分に低くすることができるので、ランタイム倍数を高くすることができる。場合によっては、ＤＣ−ＤＣ変換は３：１程度であり、ランタイムをさらに延長することができる。その結果、所与の容量のストレージデバイスはストレージデバイスと電力供給されている回路素子との間にそのようなＤＣ−ＤＣコンバータが配置されていない場合に所与の量の実行時間を提供するのに必要であるよりも、はるかに長い実行時間を提供することができ、または逆に、ストレージデバイスはより小さく、おそらくより安価にすることができる。
【００２８】
また、マイクロ電池であるバックアップ電源から引き出される電流が少ないため、マイクロ電池の動作温度が拡張される。より低い温度のマイクロ電池は、より高い温度の同じマイクロ電池よりも高いインピーダンスを示す。本システムはより少ない電流で同じデバイスの動作を可能にするので、マイクロ電池の有効温度範囲はより低い温度での効率的な動作を含むように拡張される。同様に、マイクロ電池が複数サイクルにさらされると、マイクロ電池のインピーダンスレベルが増加する。本システムは、より少ない電流で同じデバイスの動作を可能にするので、本システムによって制御されるマイクロ電池は同じ量の仕事を行うのにより少ないサイクルを必要とし、マイクロ電池の寿命を増加させる。
【００２９】
一実施形態では、バックアップ電源がバックアップモードにある場合、３：２から５：１の整数比、例えば２：１、３：１、３：２、４：１、または５：１などの整数比だけ低減された電圧電位でＲＴＣブロックに電力を供給する。一実施形態では、フィードパワーダウンコンバータ構成部が約０．３Ｖ〜約３．３Ｖの電圧電位でＲＴＣブロックに電力を供給する。
【００３０】
このように、システムによってＲＣＴブロックに供給される電圧のダウンコンバージョンはバックアップ電源が電池である場合、バックアップ電源の寿命を著しく延ばし、例えば、５ｕＡｈの容量を有する電池を、従来の制御技術を使用して１０または１５ｕＡｈの容量を有する電池のように機能させる。
【００３１】
一実施形態では、フィードパワーダウンコンバータ構成部がＲＴＣブロックに電力を供給する前に、主電源からの電圧電位を少なくとも３：２の係数だけ低下させるように構成される。一実施形態では、フィードパワーダウンコンバータ構成部が３：２から５：１の整数比、例えば２：１、３：１、３：２、４：１、または５：１などの整数比だけ低減された電圧電位で、ＲＴＣブロックに主電源から電力を供給するように構成される。
【００３２】
一実施形態では、ＲＴＣブロックが特にバックアップモードにおいて、−１．１Ｖまでの電位で動作する。ＲＴＣブロックは２つの電力入力、すなわち、一方は主電源から直接、他方はＶＢＡＴ入力を介して、ＰＭＲＴＣと同時パッケージ化されるバックアップバッテリによって間接的に駆動される２つの電力入力を有することが期待される。比較器は主電源がＶＢＡＴ電位より上であるか下であるかに応じてＲＴＣ機能を制御し、おそらく他の電圧レベルの関数としても制御する。
【００３３】
インターフェースバスは、ウエハレベルテスト／プログラミングにおいてＳＰＩまたはＩ２Ｃとして選択可能である。バックアップモードでは、インターフェースバスは非アクティブになる。
【００３４】
［バックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部］
リアルタイムクロック集積回路は、主電源からの電圧を所定の充電器入力電圧に増加または調整するためのバックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部をさらに含む。これは、３．３Ｖ（およびそれより低い）主電源電圧から動作する従来のリアルタイムクロック集積回路が４．１Ｖまたはそれより高い充電電圧を必要とするＬｉ−イオンコイン型電池、Ｌｉ−ポリマー電池、または薄膜リチウム電池を充電することができないため望ましい。実際、主電源電圧が２．５Ｖ以下である場合、Ｌｉベースのコインセルの多くを充電することは不可能であり、スーパーキャパシタをバックアップ電源として使用する場合、キャパシタを充電するために利用可能なより低い供給電圧は、特にキャパシタ電圧が除去された電荷の量と共に線形に減衰するため、キャパシタからの利用可能な電荷を厳しく制限する。
【００３５】
一実施形態では、バックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部が室温で４．１Ｖ±２５ｍＶで固体電池を充電するために、一次供給電圧を−２．１Ｖから５．５Ｖの入力電圧から少なくとも４．１Ｖに昇圧するコンデンサベースのチャージポンプを含む。一実施形態では、バックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部がスーパーキャパシタおよび様々なＬｉイオンコインセルを充電するときに、一次供給電圧を約２．１Ｖから５．５Ｖの入力電圧から少なくとも３Ｖ〜３．３Ｖにブーストするキャパシタベースのチャージポンプを備える。
【００３６】
一実施形態では、バックアップ電源充電器パワーブースタ／レギュレータ構成部がデュアルモードチャージポンプである。この構成部は多目的容量性チャージポンプであり、ＶＤＤ入力電圧を２：１までポンピングし、４．１Ｖ（または３Ｖ〜３．３Ｖ）のバッテリを約２．２ＶのＶＤＤ入力電圧と同じくらい低い電圧から充電することを可能にする。それはまた、４．１Ｖのバッテリ電圧を２：１だけ下げてバッテリ電圧の半分をＶＯＵＴピンに提供し、より低い電流でバッテリ電圧の半分以下で動作できるアプリケーションのバッテリのμΑｈ定格を効果的に２倍にするために使用される。
【００３７】
［充電制御論理構成部］
一実施形態では、リアルタイムクロック集積回路がバックアップ電源の充電レベルを制御するように構成された充電制御論理構成部を含む。充電制御論理は、バックアップ電源に印加する入力電圧を、所定の値または外部インターフェースにより設定された値に従って測定し制御する。例えば、薄膜マイクロ電池セルに印加する入力電圧を４．１Ｖに設定してもよいし、外部インターフェースにより高電位または低電位に設定してもよい。充電制御論理構成部は、バッテリが充電されると、電力消費を低減するために入力電圧をオフにする。一実施形態では、充電制御論理構成部がオフチップ構成部の助けなしに動作する。
【００３８】
充電式リチウムイオン電池の場合、公称動作電圧は、金属リチウム（アノードまたは負極）と正極のカソード材料との間の電気化学ポテンシャルによって設定される。多くのシステムでは、これは通常４．１Ｖである。リチウム電池の場合、電池が公称電圧未満、例えば４．０５または４．０Ｖ、またはさらに低い電圧まで充電されている場合、より多くのＬｉがカソード内に残存し、したがってその構造的完全性が増大する。一実施形態では、バックアップ電源バッテリが公称電圧未満に充電される。一実施形態では、バックアップ電源バッテリが約４．０５または約４．０Ｖの電圧まで充電される。
【００３９】
一実施形態では、充電制御論理はユーザがバッテリの複数の充電状態レベルから選択するための選択機能を有するユーザ制御入力を含む。一実施形態において、充電状態は、充電電位を４．０５Ｖ未満に制限することによって、充電状態のレベルのうちの少なくとも１つにおいて充電状態が制御される。一実施形態において、充電状態は、放電電位を２．０Ｖ以上に制限することによって、充電レベルの少なくとも１つの状態において充電状態が制御される。様々な条件下での充電制御システムおよび望ましいバッテリ充電範囲は米国特許出願公開第２０１４／００５５０８５号に記載されており、その開示は、参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
【００４０】
［バックアップ電源遮断論理構成部］
リアルタイムクロック集積回路は、所定の条件下でバックアップ電源への電流の引き込みを停止するためのバックアップ電源遮断論理構成部をさらに含む。
【００４１】
バックアップ電源遮断論理構成部の１つの目的は、バックアップ電源の電圧が臨界しきい値まで低下したときにバックアップ電源を切断することである。そのような放電遮断はスーパーキャパシタまたはいくつかの充電式コイン型電池バッテリにおいては必要とされないが、過放電を防止するために多くのリチウム／リチウムイオン電池を使用する場合、この条件が電池を損傷または破壊し得るので、そのような回路を使用することが必須である。
【００４２】
［モード制御論理構成部］
モード制御論理構成部は、充電制御論値構成部およびバッテリ遮断論理構成部に動作可能に結合され、所定の条件下で充電制御論理構成部およびバッテリ遮断論理構成部の動作を可能にする。モード制御論理構成部は、装置がバッテリ電力で動作しているように主電源が切断されているかどうか、または、バッテリが必要であるか充電中であるかどうか、およびバッテリが２端子モードで動作するときに装置への電源として切断されるべきかどうかを判定する。主電源からの電力が回復すると、モード制御論理構成部は、充電制御をオンにすることによってバッテリ充電動作を再開する。任意選択で、モード制御論理構成部はリセット線または他の信号転送構成部を備えることができ、リセット線または他の信号転送構成要素はシステムが充電モードにあり、バックアップバッテリ電力が切れていないことを知らせる信号を外部構成要素に提供する。
【００４３】
一実施形態では、主電源を使用する動作からバックアップ電源を使用する動作への切り替えは自動的であり、電源切り替えを実施するためのオフチップ動作の必要はない。一実施形態では、主電源からバックアップ電源への切り替え遷移は、サージ電流を発生させない。
【００４４】
一実施形態では内部比較器がＶＤＤを監視し、ＶＤＤが閾値を下回ると、ＲＴＣはその電力を、別個の電力ピン（典型的にはＶＢＡＴまたはＶＢＡＣＫＵＰと称される）を介してバックアップ電源から駆動する。一実施形態ではトリクル充電機能がＲＴＣ電力管理ブロック内から利用可能であり、ＲＴＣ電力管理ブロックは主電力をバックアップ電源に直接、またはダイオードおよび／または抵抗器のユーザ構成可能な構成を介して経路構成する。一実施形態では、一次（すなわち、非充電式）バッテリをバックアップ電源として使用する場合に行われるように、トリクル充電機能を無効にすることができる。
【００４５】
室温から８５℃までの−２．２ｍＶ／℃の充電電圧勾配が好ましく、約２５℃以下においては充電電圧が４．１Ｖフラットであることが好ましい。シャントレギュレータ機能は電池がより低い温度で充電され、充電サイクルが終了し、その後周囲温度が上昇する場合に、高温で電池から充電を消耗させるために必要である。シャント機能がないと、バッテリ電圧は、それ以外の場合、−２．２ｍＶ／℃の充電プロファイルを使用して充電されたものであろう電圧よりも高くなる。主電源からの電力消費を低減するために、充電回路は、周囲温度および経過充電時間によって定義されるアルゴリズムに基づいて自己終端されるべきである。充電機能の自動再始動は前の充電サイクルが終了してから一定時間が経過した後に、または電源遮断後に主電源が再開されたときに開始することである。
【００４６】
スイッチキャパシタＤＣ−ＤＣダウンコンバータ構成部、バックアップ電源充電器電力ブースタ／レギュレータ構成部、充電制御論理構成部、バックアップ電源遮断論理構成部、およびモード制御論理構成部などの本電力管理構成部の様々な構成要素の例の特定のアーキテクチャは２０１２年１１月２９日に出願され、タイトルがＴＨＩＮ  ＦＩＬＭ  ＭＩＣＲＯＢＡＴＴＥＲＹ  ＣＨＡＲＧＥ  ＡＮＤ  ＯＵＴＰＵＴ  ＣＯＮＴＲＯＬで米国特許出願第１３／６８８，９８６号によって提供されており、その開示は参照により本明細書に明確に組み込まれる。
【００４７】
一実施形態では、リアルタイムクロックおよび電力管理集積回路のＲＴＣブロックおよび電力管理ブロックがモノリシックチップとして提供され、例えば、ＲＴＣ機能ではない動作機能を含む構成要素を備えるより大きなシステムに接続されるように準備ができており、それらの電源が主電源であるかバックアップ電源であるかにはよらない。一実施形態では、リアルタイムクロックおよび電力管理集積回路のＲＴＣブロックおよび電力管理ブロックが例えば共通の基板に接合されることによって物理的に接続される別個の物理チップ上に設けられる。
【００４８】
一実施形態では、リアルタイムクロック回路集積回路がバックアップ電源を共パッケージユニットとして備える。一実施形態では、共パッケージユニットに設けられたバックアップ電源が薄膜リチウム電池である。
【００４９】
［実施例］
電力管理リアルタイムクロック「ＰＭＲＴＣ」のブロック図を図３に示す。この図は、以下に説明する多数のピンの存在を示す。
【００５０】
［制御］
このブロックは、全ての制御機能および電圧検出機能を表す。他の全てのブロックを制御し、ＰＧＯＯＤを出力する。
【００５１】
［発振器］
このブロックは、アプリケーション回路による使用のために２０％のアクティブハイデューティサイクルを有する比較的遅い出力クロックを提供する。それは、外部の水晶発振器の助けを借りずに動作しなければならない。
【００５２】
［遮断］
このブロックは、バッテリが１００ミリ秒を超えて３．０Ｖを下回るときはいつでも遮断される、極めて低漏洩の遮断スイッチである。この重要なブロックはリチウムイオン電池を、電池にとって致命的となり得る過放電から保護する。
【００５３】
［デュアルモードチャージポンプ］
このブロックはＶＤＤ入力電圧を２：１までポンピングし、−２．２ＶのＶＤＤ入力電圧ほどの低さから４．１Ｖのバッテリを充電することを可能にする多目的容量性チャージポンプである。また、４．１Ｖのバッテリ電圧を２：１だけ下げてバッテリ電圧の半分をＶＯＵＴピンに提供し、より低い電流でバッテリ電圧の半分以下で動作できるアプリケーションのバッテリ容量のμＡｈ定格を効果的に２倍にするために使用される。
【００５４】
［ＬＤＯ］
このブロックはＶＯＵＴ出力が３．５Ｖを超えないようにする低ドロップアウトレギュレータ機能が含まれている。ダウンポンプが動作していないか、またはそれ自体で負荷に電力を供給するのに十分な電流を供給できない場合に、ＶＣＡＰバスからＶＯＵＴへの補助出力電流を供給する。
【００５５】
［ＶＣＡＰバス］
この内部バスは、ＶＣＡＰピンに直接接続される。それは、チップの中央電力バスであり、電流パルスを提供するために容量を追加する場所を提供し、また、遮断回路でバッテリを保護しながら、完全なＶＢＡＴ電圧にアクセスする便利な場所を提供する。
【００５６】
［チャージシャント］
【表１】
2019511789.tif 000003
【００５７】
本リアルタイムクロック集積回路の実施形態の動作において、以下の機能説明が適用される。
【００５８】
［共通する特徴］
ＰＭＲＴＣは、ＶＤＤ電源オン時のＭＯＤＥピンの状態に応じて３つのモードで動作する。ＭＯＤＥピンをＧＮＤ、ＶＤＤのいずれかに接続、もしくはＯＰＥＮとする。ＶＤＤが最初に上昇すると、ＭＯＤＥピンがサンプリングされ、ＰＭＲＴＣは以下の表に示すモードの１つをとる: 動作モードのモードピン接続。
【００５９】
【表２】
2019511789.tif 000004
【００６０】
ＰＭＲＴＣは、ＶＤＤに流れる電流の２μΑ未満で始動することができるように特別に設計されるため、太陽電池のような高インピーダンス電源から供給が始まる場合であっても問題がない。
【００６１】
ＰＭＲＴＣが始動すると、ＯＳＣ出力パルス列が利用可能になり、ＰＧＯＯＤおよびＶＯＵＴピンが有効になる。
【００６２】
ＰＭＲＴＣはバッテリ電圧が１００ミリ秒を超えて３．０Ｖまで引き下げられた場合に、２０ｐＡ未満の漏れで、ＶＢＡＴピンをチップの残りの部分から切り離すバッテリ保護遮断回路を有する。この回路は、ＶＤＤ電圧がＶｃｈｇを超える時に再接続する。
【００６３】
様々なブロックおよびピンの動作は異なるモードによって異なり、選択されたモードごとに次のいくつかのセクションで定義される。
【００６４】
［リアルタイムクロック動作］
リアルタイムクロックモードでは、ＰＭＲＴＣがＲＴＣブロックに電力を供給するように設計される。
【００６５】
ＶＤＤがＶｐｏｒ以上に上昇すると、ＲＴＣは、最初、低インピーダンス内部スイッチを介して（または直接）ＶＤＤから電力供給される。１ミリ秒未満の後、ＶＤＤ電圧が測定され、Ｖｃｈｇを超えるかどうかが判定される。ＶＤＤがＶｃｈｇを上回る場合、ブースト充電器は、バッテリおよびＶＣＡＰバス／ピンの充電を開始する。ＶＤＤがＶｃｈｇより上に留まる場合、充電器は電池維持サイクルに自動的にステップダウンする前に、約１時間動作し、電池維持サイクルでは、充電器が周囲温度に依存して、１％オンまたは１２％のデューティサイクルで動作する（２５℃を超える場合、１％、それ以外、１２％）。
【００６６】
ＶＤＤがＶｂｕ未満に低下すると、ＰＭＲＴＣはバッテリバックアップ状態になり、ポンプモジュールは、バッテリ電圧の約半分の出力電圧を提供する２：１分圧ポンプに再構成され、ＲＴＣチップに電力を供給するためにＶＤＤを供給する。これにより、実質的にバッテリのμ容量が倍増する。ＶＤＤの実際の出力電圧はパラメータセクションで指定されるが、ＬＤＯセクションがステップインして一時的な電流需要を供給するポンプからの過大な電流を負荷が要求するまでの電流引き込みの関数である。ここで、ＰＭＲＴＣは、ＶＤＤが回復されるか、またはバッテリが１００ミリ秒を超えて３．０Ｖ未満に低下するまで、バックアップ状態に留まる。ＶＤＤが復帰すると、充電器は再び約１時間動作し、バッテリが１００ミリ秒を超えて３．０Ｖ未満に低下した場合、バッテリを保護するために遮断回路が起動される。
【００６７】
リアルタイムクロックモードでは、ＰＧＯＯＤピンは、ＶＤＤがＶｃｈｇより大きいときは常にハイになり、ＶＤＤがＶｂｕより小さいときローになる。
【００６８】
実施形態において、ＰＭＲＴＣは、１．８Ｖから５．５Ｖまで完全に動作しなければならない。時間管理モードは１Ｖ（または１．２Ｖ）から５．５Ｖまで動作しなければならず、集積薄膜電池（Ｃｙｂｍｅｔから市販されているＥｎｅｒｃｈｉｐ（登録商標）薄膜リチウム電池など）の有無にかかわらず動作しなければならない（すなわち、バックアップ電池がない場合はＶＤＤからＲＴＣブロックへ、１Ｖ（または１．２Ｖ）まで直接接続する）、バックアップ電池が接続されていない場合（例えば、テストプログラム可能またはＶＭＯＤＥ選択可能）はＶＤＤ／ＶＢＡＴ比較器を無効にしなければならない。
【００６９】
［マイクロコントローラモード動作］
マイクロコントローラモードでは、ＰＭＲＴＣがＶＤＤの出力電圧または３．０〜３．５Ｖの電圧でマイクロコントローラまたは他のチップに電力を供給するように設計される。
【００７０】
ＶＤＤがＶｐｏｒ以上に上昇すると、ＶＯＵＴは最初、低インピーダンス内部スイッチを介してＶＤＤから直接電力供給される。１ミリ秒未満の後、ＶＤＤ電圧が測定され、Ｖｃｈｇを超えるかどうかが判定される。ＶＤＤがＶｃｈｇを上回る場合、ブースト充電器は、バッテリおよびＶＣＡＰバス／ピンの充電を開始する。ＶＤＤがＶｃｈｇより上に留まる場合、充電器は電池維持サイクルに自動的にステップダウンする前に、約１時間動作し、電池維持サイクルでは、充電器が周囲温度に依存して、１％オンまたは１２％のデューティサイクルで動作する（２５℃を超える場合、１％、それ以外、１２％）。
【００７１】
ＶＤＤがＶｂｕより下に降下すると、ＰＭＲＴＣはバッテリバックアップ状態に入り、ＶＯＵＴピンはＬＤＯセクションを介してバッテリによって電力供給され、３．０Ｖと３．５Ｖの間の電圧を供給して負荷チップに電力を供給する。ここで、ＰＭＲＴＣは、ＶＤＤが回復されるか、またはバッテリが１００ミリ秒を超えて３．０Ｖ未満に低下するまで、バックアップ状態に留まる。ＶＤＤが復帰すると、充電器は再び約１時間動作し、バッテリが１００ミリ秒を超えて３．０Ｖ未満に低下した場合、バッテリを保護するために遮断回路が起動される。
【００７２】
マイクロコントローラモードでは、ＰＧＯＯＤピンは、ＶＤＤがＶｃｈｇより大きいときは常にハイになり、ＶＤＤがＶｂｕより小さいときローになる。
【００７３】
本リアルタイムクロック集積回路の実施形態の動作において、以下の一般タイミング仕様を満たすことが好ましい。
【００７４】
１．充電状態からアイドル状態への基準充電時間は１％のデューティサイクルである。しかし、バックアップ状態または遮断状態を離れる場合、サイクル間で著しい遅延なしに１００回の連続充電サイクルを実行する。１００回の連続サイクルの後、１％のデューティサイクル充電を開始する。
【００７５】
以下の表２を参照。
注：温度ブレークポイントは正確である必要はなく、充電時間も必要ではない。
【表３】
2019511789.tif 000005
【００７６】
２．ＶＤＤから電池切り替え時間は１ｕｓ以下（０．２ｕｓ  ｔｙｉｃａｌ）とする。
【００７７】
３．バックアップ状態からＶＤＤへの切り替え時間は、バックアップモードから脱した場合、１ｕｓ以下（０．２ｕｓ  ｔｙｐｉｃａｌ）とする。システム全体がＶＯＵＴに接続されるときにＶＯＵＴが破壊するのを避けるために、ＳＳＩをオンに切り替える時間として定義される。
【００７８】
本リアルタイムクロック集積回路の実施形態の動作において、以下の特性仕様を満たすことが好ましい。
【００７９】
［主電源モード］
【表４】
2019511789.tif 000006
【００８０】
本明細書中で使用される場合、用語「約」または「およそ」は当業者によって決定されるように特定される特定のパラメーターについての許容範囲内を意味し、これは、値がどのように測定されるかまたは決定されるか、例えば、サンプル調製および測定システムの限界に部分的に依存する。そのような制限の例は、湿潤環境と乾燥環境、異なる機器、試料の高さのばらつき、および信号対雑音比における異なる要件において試料を調製することを含む。例えば、「約」は記載された値の１／１０によって記載された値または値の範囲よりも大きいかまたは小さいことを意味し得るが、任意の値または値の範囲をこれより広い定義のみに限定することを意図しない。例えば、約３０％の濃度は、２７％〜３３％の濃度を意味する。用語「約」が先行する各値または値の範囲は、述べられた絶対値または値の範囲の実施形態を包含することも意図される。あるいは特に生物学的システムまたはプロセスに関して、この用語は値の１桁以内、好ましくは５倍以内、より好ましくは２倍以内を意味することができる。
【００８１】
本明細書および特許請求の範囲を通して、文脈が別途要求しない限り、単語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などのバリエーションは述べられた整数またはステップまたは整数またはステップのグループの包含を意味するが、任意の他の整数またはステップまたは整数またはステップのグループの排除を意味しないと理解される。本明細書で使用される場合、「からなる」は、請求項の要素に特定されていない要素、ステップ、または成分を除外する。本明細書で使用される場合、「本質的に〜からなる」は、請求項の基本的および新規な特徴に実質的に影響を与えない材料またはステップを排除せず、様々な実施形態の本開示では、実施形態の説明で使用される「備える」、「本質的に含む」、および「からなる」という用語のいずれかを、他の２つの用語のいずれかで置き換えることができる。
【００８２】
本明細書で使用される全てのパーセンテージおよび比率は特に指示がない限り、重量パーセントおよび比率である。本明細書に引用される全ての特許、特許出願（仮出願を含む）、および刊行物はあたかも全ての目的のために個々に組み込まれるかのように、参照により組み込まれる。この文書によって説明されることを意図された本発明の多くの特徴および利点が、前述の説明において説明されている。しかし、本発明の特定の形態または実施形態を例示してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、部品の形状および配置などの修正を含む様々な修正を行うことができることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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