微软AR/VR专利介绍低功耗的电源组件解决方案

　　XR设备需要更低的功耗和更小的形状参数设计，以实现更长的续航能力、便携性和舒适性。硅基液晶LCoS这种显示技术则有助于实现小尺寸和低功耗。通常，LCoS显示器由提供双极性电压的电源供能。

　　在名为“Dual polarity power supply device”的专利申请中，微软就介绍了一种相关的电源组件。

　　图1示出由用户102佩戴的近眼显示设备100。近眼显示设备100包括LCoS显示器104。LCoS显示器104配置为呈现虚拟图像，以向用户102提供MR/AR/VR体验。

　　例图同时提供了近眼显示设备100作为具有由双极性电源设备供电的LCoS显示器的显示设备示例。所述LCoS显示器和双极性电源器件的示例可以在任何合适类型的显示器件中实现。

　　图2示出包括LCoS显示器202的示例性显示设备200的框图。在一个示例中，显示设备200代表图1所示的近眼显示设备100。LCoS显示器202安装在显示面板204之上。

　　LCoS显示器202配置为由双极性供电组件206供电。双极性供电组件206配置为输出正偏置电压208和负偏置电压210，以控制LCoS显示器202的操作。

　　双极性电源器件206具有通过采用单个开关转换器和单个分立电感器而优化为低功耗和小形状参数的配置。这种增益可以相对于双转换器电源配置来实现。其中，双转换器电源配置包括第一开关转换器和第一分立电感以产生正偏置电压，第二开关转换器和第二分立电感以产生负偏置电压。

　　在一个实施例中，双极性电源器件206可以具有足够小的外形，以集成到安装在显示面板204本身上的电源管理IC 212之中。这样的集成可以允许整体减小显示设备200的外形尺寸，并且降低功耗。

　　图3示出了示例性双极性供电组件300的电路图。在一个示例中，双极性供电组件300代表图2所示的双极性供电组件206。

　　双极性电源组件300配置为驱动具有不同极性偏置电压的LCoS显示器。双极性供电组件300包括电压源302，其配置为在开关转换器310的开关转换器输入节点304处产生输入电压(VIN)。电压源302可以采取任何合适的形式。例如，电压源302可以是直流(DC)电压源。

　　在一个示例中，电压源可以包括数字微控制器的输出。在其它示例中，电压源可包括分立电子元件。在又一实例中，电压源可包括一个或多个电池。

　　开关转换器输入电容306电性地介入开关转换器输入节点304和接地节点308。开关变换器输入电容306具有电容(CIN1)。在一个示例中，选择电容(CIN1)以最小化开关转换器输入节点304处电压纹波的影响。可以将地节点308设置为任何合适的参考电压。在一个示例中，将接地节点的参考电压设置为零伏。

　　开关转换器310电连接到开关转换器输入节点304，而节点电连接到电压源302。开关转换器310还电连接到第一交换节点311、第二交换节点312、正偏置输出节点314和开关转换器反馈节点316。

　　电感器318电连接在第一交换节点311和第二交换节点312之间。电感器318具有电感(L1)。正偏置输出电容320在电上充当正偏置输出节点314和接地节点308的中间。正偏置输出电容320具有电容(COUT1)。在一个示例中，选择电容(COUT1)以最小化正偏置输出节点314处电压纹波的影响。

　　所述开关转换器310配置为通过在电感器318中周期性地存储能量，然后将所述存储的能量以与输入电压不同的电压水平释放到正偏置输出节点314，并把所述电压源302产生的电压从一个电压电平(即VIN)调制到另一个电压电平。

　　开关转换器310可以包括任何合适类型的开关转换器，这取决于实现双极性电源设备300的设备的操作规范。在一个实施例中，开关转换器310可以包括降压开关转换器，其配置为将较高的输入电压(VIN)降压到较低的正偏置输出电压。

　　在一个实施例中，开关转换器310可以包括升压开关转换器，其配置为将较低的输入电压(VIN)升压到较高的正偏置输出电压。

　　在一个实施例中，开关转换器310可以包括降压开关转换器，其配置为反转输入电压(VIN)的极性并将输入电压升压或降压到正偏置输出电压。

　　可以根据根据实现双极性电源器件300的器件的设计指定的输入电压(VN)和正偏置输出电压来选择电感318的电感(L1)和正偏置输出电容320的电容(COUT1)。另外，这种无源元件可以以各种方式布置，以实现降压、升压或降压-升压类型的开关转换器配置。

　　开关转换器310配置为在ON状态和OFF状态之间切换以调制输入电压(VN)并产生正偏置输出电压。所述双极性电源组件300的配置使得当所述开关变换器310处于ON状态时，对所述电感318充以存储在所述电感318的磁场中的充电电流(IC)。

　　所述电源器件进一步配置为，当所述开关变换器处于OFF状态时，所述电感318的磁场坍缩，使得所述开关变换器310调制输入电压(VN)，以在所述正偏置输出节点314处产生正偏置输出电压。

　　开关转换器310包括电连接到第一交换节点311的第一开关(未示出)和电连接到第二交换节点312的第二开关(未示出)。在一个实施例中，开关转换器310的第二开关可以包括晶体管，并且开关转换器310可以通过晶体管同步整流。在其它实施例中，开关转换器310可采用二极管作为第二开关。

　　开关转换器310可以配置为通过任何合适的控制方案在开状态和关状态之间切换。在一个实施例中，可以用占空比控制开关转换器310。其中，占空比指示开关转换器310相对于关闭状态在开状态下工作的时间百分比。

　　在其他实施例中，可以基于控制信号的频率来控制开关转换器310，使得通过调节控制信号的频率来调节开关转换器在开状态和关状态下工作的时间量。

　　在其他实施例中，可以联合使用上述两个或多个示例控制方案来控制开关转换器310的操作。

　　供电组件300同时包括电连接在正偏置输出节点314和开关转换器反馈节点316之间的开关转换器反馈电阻分压器322。电阻分压器322包括与第二电阻326串联电连接的第一电阻324。第一电阻324电连接在正偏置输出节点314和开关变换器反馈节点316之间。

　　第一个电阻324有一个电阻(RTOP1)。第二电阻326电连接在所述开关变换器反馈节点316和所述接地节点308之间。第二个电阻326有一个电阻(RBOTTOM)。开关变换器反馈电阻分压器322产生反馈电压(VFB)，而反馈电压(VFB)与基于电阻(RTOP1)和(RBOTTOM)的正偏置输出电压成正比。

　　开关转换器310配置为基于通过电阻分压器322测量的反馈电压(VFB)调制正偏置输出电压。例如，开关转换器310可以基于小于所需电压水平的正偏置输出电压来增加占空比，反之亦然。这样，开关转换器310调制输入电压(VIN)以在正偏置输出节点314处产生正偏置输出电压。

　　所述双极性供电组件300同时包括电中介的倒置电荷泵325、所述开关转换器310的第二开关节点312和所述线性稳压器338的线性稳压器输入节点334。倒置电荷泵325配置为在线性稳压器338的线性稳压器输入节点334处产生负输入电压(NVIN)。

　　反转电荷泵325包括在第二交换节点312和反转电荷泵节点328之间电连接的飞行电容器326。飞行电容器326具有电容(CF)。在倒置电荷泵节点328和接地节点308之间电连接第一二极管330。第一二极管330偏置于地节点308。

　　第二二极管332电连接在倒置电荷泵节点328和线性稳压器338的线性稳压器输入节点334之间。第二二极管332偏向于倒置电荷泵节点328。线性稳压器输入电容336电连接在线性稳压器输入节点334和接地节点308之间。线性稳压器输入电容336具有电容(CIN2)，在一个示例中，选择电容(CIN2)以最小化线性稳压器输入节点334处电压纹波的影响。

　　所述逆变电荷泵325的配置使得当所述开关变换器310处于ON状态时，所述飞行电容器326充电电流充电。另外，当开关变换器310处于OFF状态时，充电电流从飞行电容器326流出，并通过第二二极管332拉至线性稳压输入电容器336，在线性稳压输入节点334处产生负输入电压(NVIN)。

　　特别是，在线性稳压器输入节点334产生负输入电压(NVIN)，因为绝对电压电平小于第一二极管330处的绝对电压电平。因此，根据从开关转换器310的第二开关节点312输出的信号产生负输入电压(NVIN)。

　　换句话说，开关变换器310的操作控制线性稳压器输入节点334处正偏置输出电压和负输入电压(NVIN)的产生。由于这种布置，可以使用线性稳压器来调节负输入电压(NVIN)，以在负偏置输出节点340处产生负偏置输出电压。

　　线性稳压器338电连接到线性稳压器输入节点334。另外，线性稳压器338电连接到负偏置输出节点340和线性稳压器反馈节点346。所述线性稳压器338配置为使用阻性压降将所述线性稳压器输入节点334处产生的负输入电压(NVIN)调节至所述负偏置输出节点340处所需的负偏置输出电压。

　　与开关变换器310不同，线性稳压器338只能产生低于线性稳压器的输入电压的输出电压。这种行为可能会导致电源设备出现问题。

　　但在供电组件300的情况下，正偏置输出电压被配置为具有比负偏置输出电压更大的绝对值，因此所述问题不会影响供电组件300的运行。

　　另外，这种行为允许使用线性稳压器而不是第二个开关变换器来调节负偏置输出电压。通过采用线性稳压器代替第二开关变换器，可以实现双极性电源组件300的额外尺寸和重量减小，因为这样的线性稳压器不需要电感或变压器。

　　同样，相对于开关变换器，线性稳压器可能具有更大的设计简单性。另外，相对于开关变换器，线性稳压器可以在降低信号噪点的情况下工作，因为在线性稳压器中没有开关发生。

　　负偏置输出电容器342电地介入负偏置输出节点340和接地节点308。负偏置输出电容342具有电容(COUT2)。在一个示例中，选择电容(COUT2)以最小化负偏置输出节点340处电压纹波的影响。

　　供电组件300同时包括在负偏置输出节点340和线性稳压器反馈节点346之间电连接的线性稳压器反馈电阻分压器344。电阻分压器344包括与第二电阻350串联电连接的第一电阻348。第一电阻348电连接在负偏置输出节点340和线性稳压器反馈节点346之间。

　　第一个电阻348有一个电阻(RTOP2)。在线性稳压器反馈节点346和接地节点308之间电连接第二电阻350。第二个电阻350有一个电阻(RBOTTOM2)。线性稳压器反馈电阻分压器344产生反馈电压(VFB)。

　　反馈电压(VFB)与基于电阻(RTOP2)和(RBOTTOM2)的负偏置输出电压成正比。线性稳压器338配置为根据通过电阻分压器344测量的反馈电压(VFB)调节负偏置输出电压(VNEG_BIAS)。这样，线性稳压器338调节负输入电压(NVIN)以在负偏置输出节点340处产生负偏置输出电压。

　　在一个实施例中，正偏置输出节点314可以电连接到LCoS显示器202的正偏置输入节点。同样，负偏置输出节点340可以电连接到LCoS显示器202的负偏置输入节点。

　　这样，双极性电源器件300可被配置为向LCoS显示器202输出正偏置输出电压和负偏置输出电压。

　　在一个实施例中，基于LCoS显示器202的操作要求，正偏置输出电压具有比负偏置输出电压更大的绝对值。正偏置输出电压可以为6伏，负偏置输出电压可以为- 3伏。正偏置输出电压和负偏置输出电压(可以设置为任何合适的电压水平。

　　在双极性电源组件中使用带有单个电感和单个线性稳压器的单个开关变换器，可提供高效的电源运行，同时具有较小的形状参数。在一个实施例中，这样的配置允许将双极性电源供应组件并入IC中，例如可并入近眼显示组件的显示面板中的电源管理IC。

　　图4示出操作电源组件的示例方法400。例如，可以执行方法400来操作图3所示的双极性电源组件300。

　　在402，通过电连接到开关转换器的开关转换器输入节点的电压源产生输入电压。例如，根据输入电压和期望的正偏置输出电压，开关变换器可以包括降压开关变换器、升压开关变换器或降压-升压开关变换器。

　　在404，方基于电源设备的操作占空比在开状态下操作开关转换器。所述电源组件可以这样配置，当所述开关转换器处于开状态时，在所述开关转换器的第一开关转换器节点和第二开关转换器节点之间电连接的电感被充电。

　　在406，基于电源设备的工作占空比在OFF状态下操作开关转换器。所述电源组件可以这样配置:当所述开关变换器处于OFF状态时，所述开关变换器调制输入电压以在所述电源组件的正偏置输出节点处产生正偏置输出电压。

　　另外在OFF状态下，充电电流从电感流出，使得在线性稳压器输入节点处产生负输入电压。线性稳压器调节负输入电压以在供电组件的负偏置输出节点处产生负偏置输出电压。

　　在一个实施例中，正偏置输出电压和负偏置输出电压可以输出到LCoS显示器。正偏置输出电压可以具有比负偏置输出电压更大的绝对值。在一个示例中，正偏置输出电压可以为6伏，负偏置输出电压可以为- 3伏。

　　在一个实施例中，可以重复(或连续)执行所述方法，以根据开关变换器的工作占空比输出正偏置电压和负偏置电压。

　　相关专利：Microsoft Patent | Dual polarity power supply device

　　名为“Dual polarity power supply device”的微软专利申请最初在2021年11月提交，并在日前由美国专利商标局公布。