CN103039134A - 用于便携式设备的功率模块 - Google Patents

Abstract

描述通用功率管理系统，其由可互换的、容易移除和可连接的通用功率模块（UPM）、智能电话外壳和门、以及自动管理多个设备的充电的应用组成。该系统与各种便携式电子设备兼容。

Description

用于便携式设备的功率模块

通过引用并入

相关申请的交叉引用

本申请要求申请日为2010年5月28日的美国临时申请No.61/349635；申请日为2010年9月17日的美国临时申请No.61/383878；申请日为2010年9月22日的美国临时申请No.61/385509；以及申请日为2010年11月8日的美国临时申请No.61/411283的优先权，每个美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。

本文引用的所有专利、专利申请和出版物特此通过引用以其整体并入本文，以便更完全地描述其中技术人员已知的截止到本文描述的发明的日期为止的最先进技术。

介绍

存在使用电池功率来加强日益增加的功率密集性应用和能力的便携式消费电子（CE）设备例如移动电话（传统蜂窝电话和智能电话）、MP3播放器、手持式游戏机和电子书阅读器的大规模激增。然而，即使有便携式CE设备的主要技术进步，电池技术仍然相对停滞，防止OEM增加功率密集特征并限制用户如何能够利用设备。

概述

描述了通用功率管理系统，其由可互换的、容易移除和可连接的通用功率模块（UPM）、智能电话外壳和门、以及自动管理多个设备的充电的应用组成。系统与各种便携式电子设备兼容。

UPM包括通信和功率输入/输出端口（例如，USB端口，如目前用于充电并与很多智能电话通过接口连接的“微USB”端口）。UPM可通过特定的外壳或门连接到设备以延长预期设备的电池寿命。在一个方面中，UPM具有相同或一致的形状因子，使得UPM可容易合并到各种系统中，而不需要再设计模块。在其它方面中，形状因子可改变。可通过适当的外壳/电池门的改装来做出对不同设备的适应，外壳/电池门可变化以适合每个唯一的设备。此外，每个UPM包含模块间互连（IMI）总线，其提供在UPM之间和/或在UPM和设备之间的连通性、管理和模块间功率传输。每个UPM还包括充电电路，其从外部源接受功率并管理功率以安全和有效的方式到电池的传输。UPM还包括管理电荷在UPM和便携式设备当中的传输的处理器。这些处理器经由IMI总线通信并执行存储在计算机可读存储器中的固件指令。

在一个或多个实施方案中，UPM包括单个电线、可自配置的总线，例如单个电线是BUS3。自配置是协议定义的结果。协议是当各种物品（电缆、UPM等）被插入/拔出或电池是充满的时使总线自配置的一种方法。

在一个或多个实施方案中，为DC/DC转换配置UPM。在DC/DC转换器中，使用标准或微USB连接器以及其它非标准连接器例如Apple30管脚连接器来提供USB功率（一般为5V+/-0.25V）。给定在微USB连接器上标准化以提供局部低电压功率用于诸如充电的目的的全球趋势，UPM可用作对各种设备的功率平台并为用户提供灵活性和互连通性。

附图简述

参考下面的附图描述了本发明，这些附图仅为了说明的目的而被示出且没有被规定为是限制性的：

图1示出根据一个或多个实施方案的包括三个UPM的功率管理系统。

图2是根据一个或多个实施方案的与便携式设备集成的两件式机壳的透视图。

图3是根据一个或多个实施方案的壳体和所附接的UPM的透视图。

图4是根据一个或多个实施方案的两件式机壳的前侧面的透视图。

图5示出根据本文所述的某些实施方案的UPM的顶视图和侧端视图。

图6示出根据一个或多个实施方案使用钩和钩接收器机构将两个UPM堆叠在一起的过程。

图7示出根据一个或多个实施方案经由IMI总线连接到智能电话以形成功率集线器的三个UPM的堆栈的功能图。

图8示出根据一个或多个实施方案从两个UPM产生的功率集线器，其中UPM从各种源例如（左）墙壁电源插座、（顶部）另一UPM或（右）膝上型计算机被供电（充电）。

图9示出根据一个或多个实施方案的独立功率集线器（左），其可用于给单个设备充电并（右）用于同时给两个便携式设备充电。

图10示出根据一个或多个实施方案的UPM堆栈，其可从AC电源被充电，并可给多个便携式电子设备充电。

图11示出根据一个或多个实施方案也可用作功率集线器的具有集成的UPM的壳体。

图12是根据一个或多个实施方案集成到设备的后门中的UPM的图示。

图13A示出根据一个或多个实施方案与便携式设备集成的两件式机壳的后视图。

图13B示出根据一个或多个实施方案与便携式设备集成的两件式机壳的侧视图。

图13C示出根据一个或多个实施方案与具有附接到其的UPM的便携式设备集成的两件式机壳、以及附接到UPM的外围设备和墙壁电源插座的后视图。

图14示出根据一个或多个实施方案使用设备的内置电池-门连接器附接到设备的更换电池门1401。

图15示出根据一个或多个实施方案的连接到更换电池门的UPM、以及连接到UPM的外围设备和墙壁电源插座。

图16A、16B和16C示出根据一个或多个实施方案的与没有附接有UPM的便携式设备集成的两件式机壳的后视图和侧视图，以及此外具有连接到外围设备和墙壁电源插座的附接的UPM的机壳的后视图。

图17示出根据一个或多个实施方案与便携式设备和附接到其的UPM集成的两件式机壳的后视图。

图18示出根据一个或多个实施方案与便携式设备以及附接到其的墙壁电源插座和UPM集成的两件式机壳的侧视图。

图19示出根据一个或多个实施方案的与便携式设备和附接到其的UPM集成的两件式机壳的后视图。

图20示出根据一个或多个实施方案的与便携式设备和附接到其的UPM集成的两件式机壳的侧视图。

图21示出根据一个或多个实施方案使用设备的内置电池-门连接器附接到设备的更换电池门。

图22示出根据一个或多个实施方案具有更换电池门的设备的前视图。

图23示出根据一个或多个实施方案使用设备的内置电池-门连接器附接到设备的更换电池门和附接到更换电池门的UPM。

图24示出根据一个或多个实施方案与便携式设备和附接到其的UPM集成的两件式机壳的后视图。

图25示出根据一个或多个实施方案与便携式设备和附接到其的UPM集成的两件式机壳的顶视图。

图26示出根据一个或多个实施方案的机壳，其具有附接到其的两个UPM的堆栈。

图27示出根据一个或多个实施方案的UPM的侧端视图。

图28示出根据一个或多个实施方案使用设备的内置电池-门连接器附接到设备的更换电池门和附接到更换电池门的UPM的侧视图。

图29A、29B和29C示出根据一个或多个实施方案的蓝牙耳机与附接到便携式设备的UPM的集成。

图30A和30B示出根据一个或多个实施方案的具有集成的音频扬声器的UPM的前视图和侧视图。

图31示出根据一个或多个实施方案的具有用于与UPM集成的钩的蓝牙耳机。

详细描述

参考智能电话在本文描述了通用功率模块系统的特征；然而，系统可与任何便携式设备一起使用，便携式设备没有限制地包括手持电子游戏机、MP3音乐播放器、电子书阅读器和类似的设备。

图1示出本文所述的一个实施方案，其中包含UPM10a、UPM10b、UPM10c的UPM10的堆栈连接到便携式设备，例如智能电话11（在这里示出iPhone，但本文所述的本发明打算用于任何智能电话或便携式计算设备，包括但不限于上面列出的设备）。功率管理系统的特征是将UPM连接到彼此或各种其它能量源和/或电子设备的能力，在各种电子设备和UPM当中提供扩展的能量容量和设备操作时间以及功率的多方面分布。图1示出包括经由IMI总线（未示出）连接以形成UPM堆栈的三个UPM的功率管理系统；然而，该系统可与任何数量的UPM一起操作。作为例子，单个UPM可被使用，或两个或多个UPM可被组合。可堆叠的UPM的数量并不被限制；然而，考虑因素例如体积和重量可能提供对可堆叠在一起的UPM的数量的实际限制。

每个UPM包含能够存储电荷的电池和与该电池通过接口连接的充电电路。充电电路调节用于给电池充电的电压和电流，并监测电池的电压，以便确定何时开始和停止充电。存在打算用在具有可再充电电池的设备例如德州电器公司的BQ24150A和飞思卡尔半导体公司的MC34673（其数据表单合并到本申请中并分别作为附录A和附录B被附入）中的很多市场上可买到的充电电路。本发明不限于充电电路的任何特定的模型或种类。

如上所述，充电电路从外部源接受功率并管理功率以安全和有效的方式到UPM电池的传输。这涉及几个任务，其可以是下列任务中的一个或多个：确定UPM的电池的当前电荷状态，监测电荷的电流，以电流控制的或电压控制的方式控制电荷的传输，以及确定何时终止电荷的传输（包括归因于不安全的电荷条件的终止）。

使用可移除的电池的便携式设备通常将充电电路安置在设备的底盘内或分开的充电模块中。当充电电路被包括在设备本身中时，电池可只在插入设备中时被充电，且不能被分开地充电。如现有技术中已知的将充电电路包括在专用充电模块中允许电池被分开地充电，但由于迫使用户携带单独的充电器而减小了便携性和方便性。

相反，UPM将充电电路与电池捆在一起。将充电电路包括在UPM的机壳内服务于几个目的。它提高了便携性，因为它不要求用户携带单独的充电器；可使用仅仅标准微/USB电力电缆和电源（例如，膝上型计算机或墙壁电源插座）来给UPM充电。它也允许任意数量的UPM的堆叠（作为仅仅UPM或甚至在壳体上）：将充电电路捆在UPM内部确保每个电池由专用充电电路管理。除了别的以外，这还允许每个电池的电荷水平的单独控制和监测，并便于下面描述的“智能”充电算法，其涉及在UPM堆栈中的特定电池的选择性充电。

UPM10的堆栈可使用设备特定的电缆12连接到便携式设备11，电荷和/或数据可穿过电缆12从UPM10的堆栈传输到智能电话11。设备特定的电缆12也可双向地传送电荷和/或数据。设备特定的电缆12的一端附接到UPM13之一的电荷输出端口。设备特定的电缆12的另一端14附接到智能电话11本身。通用电缆也可用于将UPM10的堆栈连接到便携式设备11。

当UPM10的堆栈使用设备特定的电缆附接到智能电话11时，UPM充当智能电话11的电源——在功能上相当于将智能电话11插入墙壁电源中或经由另一设备例如桌上型或膝上型计算机给它充电。UPM10的堆栈周期性地查询智能电话11的内部电池状态。当智能电话的内部电池被100%充电时，UPM实质上关掉电荷到电话的传输。当内部电池电荷状态达到阈值（例如，97%）时，UPM开始给内部智能电池充电。阈值可被设置在范围从小于100%到大于0%的任何值处；然而，阈值一般被设置得高（例如，90-99%），使得智能电话内部电池保持实质上完全被充电。此外，UPM的机壳可包括可操作来通过UPM开启/关掉智能电话的内部电池的充电的按钮（未示出）。通过实质上关掉电荷从UPM到智能电话的传输并仅在需要时参与电荷传输，UPM没有不必要地消耗其存储的电荷，并可因此向外部设备提供功率一段长得多的时间。

UPM10的堆栈也可连接到电源例如墙壁电源插座或膝上型或桌上型计算机。功率输入电缆16将电源连接到堆栈10中的UPM之一的电荷输入端口。当UPM的堆栈例如堆栈10使用功率输入电缆连接到电源时，UPM的堆栈被共同充电，如下所述。适当的功率输入电缆包括但不限于USB电力电缆和A/C插头电缆。UPM的堆栈可同时连接便携式设备和外部电源。这允许便携式设备11和UPM10同时被充电。

在某些实施方案中，UPM可插入与便携式设备集成的机壳、壳体或面板中。图2示出根据本文所述的一些实施方案的示例性壳体20，其用来容纳便携式设备例如蜂窝电话。壳体在透视图中被示为具有可见壳体的后端面（背离设备的壳体的侧面）。壳体可分成上部分24和下部分25以提供设备在壳体内的保形配合。可使用各种机制连接壳体的这两个部分。如图2所示，下部分25的肋26以滑动方式安装在上部分24的通道27内。

在可选的实施方案中，壳体是水平可分离的，如图13A-C所示。图13A-C示出可分成左部分1310和右部分1311的壳体。如同可分成上部分和下部分的壳体一样，可水平分离的壳体可使用各种机制（包括图2所示的肋和通道方法）连接左部分和右部分。图13A示出水平可分离的壳体的后视图1301，而图13B示出侧视图1302。图13C示出附接有UPM的壳体。此外，可直接通过将UPM连接到电源例如墙壁电源插座1305来给UPM的电池或设备的内部电池充电。此外，UPM可用于给外部设备例如蓝牙音频设备1304充电。UPM能够给智能电话和/或外部设备充电，即使它未连接到墙壁电源插座或其它电源。图13A-C所示的壳体包括用于接纳UPM的钩的机械槽1321。槽1321包含较宽的上部分1321a和较窄的下部分1321b，如在图13A的左上放大部分中示出的。如图27所示，UPM的底部具有可用于将UPM附接到便携式设备或另一UPM的“钩”2710。为了将UPM附接到壳体，UPM的钩2710插入能够接纳钩的槽1321的较宽的上部分1321a中。也就是说，钩比上槽部分1321a窄。UPM组件接着向下移动以使钩柄部与槽1321的较窄的下部分1321b啮合，以将连接固定到壳体。钩2710具有比槽1321的窄部分1321b更宽的凸缘或边缘或唇缘，并用于将UPM固定到壳体。柄部的长度可变化，但一般具有最小化钩超出壳体内表面的延伸部分的长度。钩具有深度以提供间隙并与设备间隔开是合乎需要的。

在可选的实施方案中，壳体由符合并“咬合”到便携式电话的壳体的背面的单件柔性材料组成。

壳体包括用于将UPM附接到壳体的机构。参考图2，壳体的背面包括用于接纳UPM的UPM连接组件21。连接组件包括适合于接纳UPM的在壳体的背面上的空间或区域。该空间可以是壳体的背面中的凹部或凹陷，或它可以与壳体的背面的其余部分齐平。该空间可以是具有一个或多个凸起的侧面的隔间，如图2所示。可选地，该空间可以是壳体的背面上的实质上平坦的区域，其包含用于将UPM固定到壳体的连接器。UPM连接组件包括连接UPM的互补IMI连接器的IMI触头28（下面更详细地描述IMI触头和IMI连接器）。壳体可由刚性或柔性材料制成。此外，设想仅需要一个部分的用于包围设备的其它设计（例如，上面描述的咬合壳体）。

参考图2，为了将UPM插入连接组件中，用户将UPM滑动到在轨道22和捕获部（catch）23之间的UPM隔间中（也见图26，示出插入轨道2611和捕获部2612之间的空间中的UPM2610a，额外的UPM2610b附接到UPM2610a）。当UPM完全插入到隔间中时，它由保持掣子23保持在适当的位置。图3示出具有插入到UMP隔间21中的UPM30的壳体20。为了从连接组件移除UPM，用户释放保持掣子23。虽然图2所示的壳体使用轨道22来将UPM固定在连接组件21中，但是连接组件可包括可用于这个目的的各种连接器，包括但不限于磁性连接、Velcro^TM连接器、钩、大头钉、掣子、鸠尾榫、搭扣、松紧带等。连接方法也可使用如下面参考图14、15和16A-C所述的机械槽和钩。

如图27所示，UPM的底部具有可用于将UPM附接到便携式设备或另一UPM的“钩”2710。

根据一些实施方案，UPM的钩2710可用于将UPM固定到可移除的壳体或可拆下的电池面板。图16A-C示出具有用于附接UPM的槽1621的壳体。槽1621包含较宽的上部分1621a和较窄的下部分1621b，如在图16A的左上放大部分中示出的。为了将UPM附接到壳体，UPM的钩2710（见图27）插入能够接纳钩的槽1621的较宽的上部分1621a中。也就是说，钩比上槽部分1621a窄。UPM组件接着向下移动而使钩柄部与槽1621的较窄的下部分1621b啮合，以将连接固定到壳体。钩2710具有比槽1621的窄部分1621b更宽的凸缘或边缘或唇缘，并用于将UPM固定到壳体。柄部的长度可变化，但一般具有最小化钩超出壳体内表面的延伸部分的长度。钩具有深度以提供间隙并与设备间隔开是合乎需要的。

图16A示出UPM没有被插入的壳体1601的后视图。图16B示出没有UPM的壳体的侧视图1602。图17、图18和图25分别示出插有UPM的壳体1603的后视图、侧视图和顶视图。图16C示出具有附接到被插入的UPM的外围设备的壳体1603的视图。当UPM被插入时，UPM的电池可用于向设备的内部电池提供电荷。此外，可直接通过将UPM连接到电源例如墙壁电源插座1605或PC、MAC或其它个人计算设备来给UPM的电池或设备的内部电池充电。此外，壳体具有同步/充电端口以允许便携式设备、UPM的充电，且任何外围设备连接到UPM。同步/充电端口也允许数据传输（例如，同步到iTunes）。此外，UPM具有同步/充电端口以允许便携式设备、UPM的充电，且任何外围设备连接到UPM。同步/充电端口也允许数据传输（例如，同步到iTunes）。一般来说，可使用UPM上的充电端口充电的任何设备也可使用壳体上的同步/充电端口来充电，且反之亦然。此外，UPM也可用于给外部设备例如蓝牙音频设备1604充电。

图16A-C所示的实施方案具有当UPM未附接到壳体的背面上的槽时维持光滑剖面的优点。壳体的背面实质上是平坦的，如可在侧视图1602中看到的。因此，当UPM未被附接时，没有突出部或大的腔，这可能使手持式设备难以使用、握住或携带。当将UPM附接到壳体的背面时，UPM的钩滑到壳体的背面上的槽中，并形成连接。所附接的UPM靠着壳体的背面齐平地搁置。

图13A、图13B和图24分别示出没有附接UPM的另一“实质上平坦的”实施方案（例如上面参考图16A-C描述的实施方案）的后视图、侧视图和前视图。图19和图20分别示出附接有UPM的该实施方案的后视图和侧视图。图13C示出附接有UPM和外围设备的该实施方案的后视图。

钩和机械槽也可用于将UPM附接到可移除的电池面板，如图14和图21所示。更换电池门1401使用设备的用于连接设备提供的电池门的内置电池-门连接器（未示出）附接到设备。更换电池门1401包括充电触头1402，其配置成与设备的内部电池电接触并可用于使用UPM给设备的内部电池充电。充电触头1402根据各种设备特定的方法连接到设备的内部电池（例如，很多RIM黑莓设备提供用于在设备被放置在停靠托架中给内部电池充电的外部充电接口；该接口也可用于使用UPM给内部电池充电）。充电接口通常是设备特定的，并可使用很多已知充电方法之一，包括但不限于通过USB电缆充电、感应充电、外部充电触头等。

更换门包括用于接纳UPM的钩的机械槽1411。槽1411包含较宽的上部分1411a和较窄的下部分1411b，如在图14的左上放大部分中示出的。为了将UPM附接到更换门，UPM的钩2710插入能够接纳钩的槽1411的较宽的上部分1411a中。也就是说，钩比上槽部分1411a窄。UPM组件接着向下移动而使钩柄部与槽1411的较窄的下部分1411b啮合，以将连接固定到壳体。钩2710具有比槽1411的窄部分1411b更宽的凸缘或边缘或唇缘，并用于将UPM固定到更换门。柄部的长度可变化，但一般具有最小化钩超出门内表面的延伸部分的长度。钩具有深度以提供间隙并与设备间隔开（较宽和较窄部分的位置是任意的，并且也可反转）是合乎需要的。当钩插入机械槽1411中时，UPM向下移动以固定UPM和电池门1401之间的连接。当被附接时，UPM使用充电触头1402来向内部电池提供电荷。

图15和图23示出连接到更换电池门的UPM1501。当被附接到门时，UPM的电池可用于向设备的内部电池提供电荷。此外，可直接通过将UPM连接到电源例如墙壁电源插座1502来给UPM的电池和/或设备的内部电池充电。此外，UPM可用于给外部设备例如蓝牙音频设备1503充电。图22示出了该实施方案的前视图。

可选地，包括槽或用于连接UPM和充电触头的其它装置或用于给UPM充电的其它装置的门可能已经由便携式设备的制造商提供，在这种情况下没有更换电池门是必要的。类似地，制造商可提供没有电池门但具有包含槽或用于连接UPM和充电触头的其它装置或用于给UPM充电的其它装置的表面的便携式设备。在这两种情形中，UPM可直接附接到便携式设备，而不需要更换电池门或外部壳体。

与上面描述的壳体一样，图14和15所示的更换电池门也具有当UPM未附接到门的背面上的槽时维持光滑剖面的优点。更换电池门的背面实质上是平坦的，如可在图28中看到的。因此，当UPM未被附接时，没有突出部或大的腔，这可能使手持式设备难以使用、握住或携带。当将UPM附接到更换电池面板的背面时，UPM的钩滑到壳体的背面上的槽中，并形成连接。

图4示出图2所示的壳体20的前侧面。如所示，壳体可包括一个或多个“穿透”端口41（例如，微USB端口，如所示）以从壳体的外部提供对智能电话的通信和功率I/O端口的通路。这些穿透槽允许数据传输到智能电话和从智能电话传输，且它们还使用户能够直接给智能电话的内部电池充电。根据某些实施方案，穿透端口41允许用户不仅给智能电话的内部电池而且给附接到壳体或经由外部电缆附接的任何UPM以及附接到壳体或经由外部电缆附接的任何外部设备充电。

此外，壳体可直接连接到便携式设备的数据/功率输入端口，并从而在UPM插入连接组件中时确保UPM自动连接到便携式设备。壳体也可任选地包括开/关开关来控制从UPM到电话的功率传输。在图4所示的壳体中，该连接经由连接器42实现。在该实施方案中，壳体包括上面描述的设备特定的电缆12的功能。可使用其它类型的连接，例如标准或微USB端口、或三触头电池充电连接器，因为不是所有智能电话都包括图4示出的30管脚iPhone连接器。

一些便携式电子设备例如黑莓便携式设备包括用于给机壳的外部上的内部电池充电的触头。在这样的情况下，壳体可包括与便携式设备的机壳上的触头接触的充电触头。可选地，智能电话的现有电池门可由设计成接纳UPM的定制门代替。该布置可包括图2、图3和图4所示的壳体的所有功能特征。其它便携式电子设备具有USB端口、圆形功率/数据端口和其它装置以连接到用于再充电的电源。根据一些方面，壳体设计成通过接口与这些互连连接。

壳体允许用户访问已经存在于智能电话的侧面/背面上的各种按钮/端口。如果智能电话包括摄像机，则壳体可包括摄像机镜头的开口，确保摄像机可仍然被使用，即使智能电话被包围在壳体20中。图4例如示出容积控制装置43、音频输出插座44、摄像机镜头45和开/关开关46的开口。

壳体预定允许UPM电源的“热-可交换的”更换。换句话说，UPM可被释放、拆卸并由另一UPM更换，而不中断便携式设备的功能。此外，新的UPM可插入壳体USB端口中，而不考虑UPM是否在壳体上或不中断便携式电子设备的功能。UPM的处理器和IMI总线自动探测到设备已被连接，且如果必要，指示UPM开始传输电荷。不是必须修改便携式设备来实现这个功能，因为如上所述，附接UPM在功能上相当于将智能电话11插入墙壁电源中或经由另一设备例如桌上型或膝上型计算机给它充电。

图5示出根据本文所述的某些实施方案的UPM的顶视图（左）和侧视图（右）。UPM包括在机壳50内部的电池电源。为了指示包含在电池中的电荷的水平，LED指示器51被包括在机壳的外部上。可选地，可使用其它类型的指示器，包括LCD、OLED等。这些指示器51提供UPM的电荷的粗略近似（例如，60%的剩余电荷可通过点亮五个灯中的三个来示出）。此外，LED可用于指示其它事件，例如：从堆栈或壳体拔去/拆卸UPM、将UPM插入/附接到堆栈或壳体中、将充电器插入UPM中、将电荷传输到UPM中或从UPM传输电荷。LED布置成使得它们可从UPM的顶部和侧面被观看，使用户能够观看在UPM中的大致剩余的电荷，即使UPM是UPM堆栈的部分。这可例如通过将LED指示器51放置在成角度的平面上（例如，在UPM的形成斜面的边缘）或通过将LED放置在直角插座中来实现。LED的其它布置可用于允许从UPM的上端面和下端面的可见性。LED指示器51可被连续地点亮，或它们可通过按下UPM的外壳上的按钮58来激活。可选地，LED可周期性地闪烁。当按钮被按下之后激活LED一段有限量的时间帮助节约功率。LED也可使用不同的颜色来传送信息（例如，绿色LED可用于指示UPM的内部电池是满的，而红色LED可用于指示它是空的，或LED可用于指示在一组UPM当中的电荷的相对水平，仅举几个例子）。LED例如含有字母数字的LED也可用于将各种信息例如剩余的电池电荷的百分比传送给用户。

UPM还包括多个端口52（在图5中被示为微USB端口）。端口可处理电荷和/或数据，并可以是仅输入或输出端口或输入/输出双向端口。这些端口可以都连接到便携式设备例如智能电话或其它UPM以便向便携式设备提供功率，并且也连接到电源例如墙壁电源插座或膝上型/桌上型计算机以便给UPM充电。注意，UPM不限于微USB连接器的使用，也不限于仅仅2个端口。适合于传输电荷或数据的任何类型的电连接器可用于将UPM连接到便携式设备（例如，“弹簧单高跷型”连接器）。这些连接器可用作仅输入、仅输出或双向连接器。

如上所述，通过将几个UPM堆叠在一起，它们可在功能上用作单个电源单元。机械地，该堆叠使用钩53和钩接收器54来实现，虽然任何类型的机械连接器可用于这个目的。

图5所示的实施方案使用“下降和滑下”钩：在本实施方案中，用户通过将一个UPM的钩插入另一个UPM的钩接收器中并接着横向滑动来将一个UPM堆叠在另一个UPM的顶部上，将这两个UPM锁定在适当的位置。图6示出将两个UPM堆叠在一起的过程。在左视图中，上UPM的钩53插入下UPM的钩接收器54中。在右视图中，上UPM相对于下UPM向前移动，将钩固定在适当的位置。钩53与钩接收器54的唇缘啮合以将UPM保持在锁定位置上。然而，堆叠不限于这种特定类型的机械连接。各种物理连接器例如磁性连接、维可牢（velcro）连接器、钩、大头钉、掣子、鸠尾榫、搭扣、松紧带等可用于将一个UPM物理地连接到另一个UPM。机械连接对电连接传输是不需要的。

在电学上，UPM的堆叠使用电触头来实现，虽然任何类型的电连接器可用于这个目的。当两个UPM一个堆叠在另一上（如图6所示）时，一个UPM的IMI触头55与另一个UPM的IMI连接器56电接触。每个UPM包括IMI触头55和IMI连接器56，所以它可连接到两个其它UPM（即，在UPM的堆栈的“中部”中）或智能电话壳体中的适当IMI。在图5所示的特定实施方案中，IMI连接器56是“弹簧单高跷”型连接器，其是加载的弹簧以确保与相邻的UPM的IMI触头55的稳固电连接。然而，本文公开的发明不限于这种特定类型的连接器。各种电触头、联结器、电源插座等可用于实现IMI连接，包括用于数据和/或功率传输的非物理触头，例如RF或感应电荷。堆叠的方向取决于在UPM的底盘上的充电触头的位置。例如，具有侧充电触头的UPM模块将水平地堆叠。

图5和图6也示出用于在UPM插入壳体（例如图2-4所示的壳体）中时固定UPM的轨道凹槽57。也可使用将UPM附接到壳体或电池门的可选方法，例如使用上面描述的机械槽和钩的方法。如上所述，各种物理连接器例如磁性连接、维可牢连接器、钩、大头钉、掣子、鸠尾榫、搭扣、松紧带等可用于将UPM物理地连接到壳体或电池门。

当多个UPM堆叠在一起时，它们可使用上面描述的电IMI连接来传递电荷和/或数据。每个UPM包括包含固件指令的存储器和执行这些固件指令的处理器。处理器和固件允许UPM识别事件，包括但不限于：当它与其它UPM一起堆叠时，当它连接到外部电源时，以及当它连接到便携式设备时（这些状态不是相互排他的）。此外，堆栈中的UPM可经由IMI连接获得关于堆栈中的其它UPM的电荷信息。在这些状态的每个中，UPM的行为将由适当的固件指令确定。注意，IMI总线将UPM连接到其它UPM，但也将UPM连接到便携式设备例如智能电话。以这种方式，连接到UPM的堆栈（包括UPM本身）的所有设备可被认为连接到单个IMI总线。

多个UPM可被堆叠以形成功率集线器。例如，图7示出经由IMI总线74连接到智能电话73的三个UPM70、71、72的堆栈的功能图。在这种情形中，三个UPM的堆栈用于给仅有10%的剩余电荷的智能电话供电。堆栈中的每个UPM仅仅被部分地充电。UPM70具有30%的剩余电荷；UPM71具有23%的剩余电荷；UPM72具有25%的剩余电荷。

根据本发明的一些实施方案，如固件指令所指示的，功率将从堆栈中的具有最少（非零）剩余电荷的UPM自动流到智能电话。在这种情况下，具有最少剩余电荷的UPM是UPM71，其在其容量的仅仅23%处。当UPM71消耗完其功率储备时，UPM72将变成堆栈中的具有最少非零剩余电荷的UPM，且功率将开始从UPM72流到智能电话73。这个过程继续，直到智能电话被完全充电，或堆栈中的所有UPM消耗完其剩余电荷。堆叠的UPM的电荷流出行为由UPM的处理器所执行的固件指令确定。

当UPM的堆栈连接到外部电源例如墙壁电源插座或膝上型/桌上型计算机时，反转规则可适用。在这些情况下，如固件指令所指示的，功率将从外部电源自动流到堆栈中的最接近于100%容量的UPM。例如，如果三个UPM的堆栈分别被充电到40%、80%和60%容量，则第二个UPM（最接近于100%容量）将使用来自外部电源的功率首先被充电到100%容量。在第二个UPM被完全充电时，处于60%的第三个UPM将最接近于100%，且电荷将从外部电源流动，直到第三个UPM被完全充电。该过程继续，直到堆栈中的所有UPM被完全充电。可选地，功率可同时或以相反的顺序例如从最低到最高功率流到堆栈中的所有UPM。堆叠的UPM的电荷流入行为由UPM的处理器所执行的固件指令确定。

电荷也可在UPM的堆栈中的各个UPM当中传输。例如，根据本文所公开的发明的一些实施方案，电荷可从堆栈的最少充电的成员传输到堆栈的最多充电的成员，目的是获得将从堆栈拆卸并插入壳体（例如图2所示的壳体）中的单个完全充电的UPM。如果UPM或UPM的堆栈当前没有给便携式设备例如智能电话充电，则功率可自动开始以上述方式在UPM当中传输。堆叠的UPM的电荷传输行为由UPM的处理器所执行的固件指令确定。电荷在UPM当中传输，以便最终具有尽可能多的完全充电的UPM。

注意，可能使用UPM或UPM的堆栈同时给多个设备充电。这个“功率集线器”方法可通过使用端口52简单地将多于一个设备附接到UPM/UPM堆栈来实现。UPM可用作充电集线器，其中堆栈中的每个UPM端口可从各种电源被充电。例如，图8示出从两个UPM创建的功率集线器800，其中一个UPM给另一个UPM充电。UPM可从外部AC电源820或甚至从便携式电子设备810被充电。UPM可用作独立的功率集线器以给其它设备充电。例如，图9示出用于给单个设备充电的独立功率集线器900和用于同时给两个便携式设备充电的功率集线器910。多个UPM的堆栈可用作用于给便携式设备充电的一个插头发电装置，而同时通过到AC电源的连接而被充电（或维持其电荷）。例如，图10示出可从AC电源1010被充电的UPM堆栈1000。UPM堆栈可以给多个便携式电子设备1020充电。具有集成UPM的壳体也可用作如图11所示的功率集线器。在图11中，具有带有集成UPM1000的壳体的智能电话可给另一便携式电子设备1110充电。

也可能直接使用IMI触头给外部设备充电。参考图29A-C，外部设备例如蓝牙耳机2910可合并IMI触头2911。蓝牙耳机2910、2913可使用滑动到槽2914中的钩（3110，图31中示出）物理地附接到UPM，形成牢固的物理连接，如图29C所示。当以这种方式附接到UPM时，蓝牙耳机上的IMI触头2911与UPM上的IMI触头2912接触。在触头2911和2912之间的连接可用于将电荷和/或数据从UPM传输到蓝牙耳机2910。蓝牙耳机2910仅仅是可以用这种方式被充电的外部设备的一个例子。可直接通过UPM上的IMI连接器2912给合并IMI触头和用于附接到UPM的连接器的可再充电便携式设备充电。便携式外部设备可使用任何牢固的附接机构连接到UPM，附接机构包括但不限于图29A-C中示出的钩和槽连接机构、磁性连接、Velcro^TM连接器、钩、大头钉、掣子、鸠尾榫、搭扣、松紧带等。

在图30A-B中示出的一个实施方案中，除了上面描述的各种其它UPM部件以外，UPM3010还可包括音频扬声器3011。UPM3010包括用于将音频信号无线地传输到扬声器3011的蓝牙接口。UPM3010还包括用于控制音频音量的音量控制装置3012、当蓝牙连接在UPM3010和启用蓝牙的音频源之间建立时被点亮的蓝牙指示灯3014、和/或可用于选择性地启用/禁用扬声器3011的开/关按钮3013。与上面描述的各种实施方案一样，UPM3010可固定到壳体、更换电池门、另一UPM、或直接固定到便携式设备，允许它的内部电池经由IMI触头发送/接收电荷和/或数据。

IMI总线能够不仅传输电荷，而且传输数据。该数据可例如用于在UPM当中传递，以便实现上面描述的电荷流入、电荷流出和电荷传输行为。使用电连接器传输电荷和数据在本领域中是公知的，并可使用各种方法来实现。例如，参考图5和图6所示的IMI连接器，三个连接器元件中的两个可用于传输电荷，而其余的连接器元件可用于传输数据。然而，本发明不限于这个特定的方案。

描述了与手持式电子设备通过接口连接的示例性UPM。为了本描述的目的，设计由两个参考产品组成，例如由在矩形机壳（UPM）和壳体（或外壳）例如iPhone3GS的外壳中的电池和控制板组成的功率模块。

UPM存储额外的功率并为便携式设备提供额外的功率。UPM可与3管脚IMI总线连接器连接。此外，电荷也可经由微USB连接器传输到UPM并从UPM传输，以便给UPM充电或给外部设备充电。

示例性UPM具有下面的特征（注意，这个列表仅适用于某些实施方案，且没有被规定为排他的）：

●形状是矩形7x44x81mm

●能量容量是1100（或更大的）mAh可再充电锂聚合物电池

●为了接受电荷，有微USB B插座

●查询设备的电池电荷状态以最大化电池电荷的使用

●为了提供电荷，有微USB AB插座

●连接到具有（1）公IMI连接器和（1）母IMI连接器的外壳或其它UPM

●使用可从UPM的端部和顶部可见的五个LED提供电池电荷水平的LED显示

●有在LED上暂时强制显示电池状态的按钮

●将是整个一系列便携式设备平台中的相同的形状因子

●有高效率DC/DC转换器和电池充电器以最小化在传输期间的能量损耗

示例性外壳具有下面的特征（注意，这个列表仅适用于某些实施方案，且没有被规定为排他的）：

●为手持式设备提供保护壳体

●提供母IMI连接器

●提供微USB连接器以允许手持式设备与PC、MAC或其它个人计算设备同步。该连接器还允许给手持式设备和/或UPM充电。

●查询设备的电池电荷状态以最大化电池电荷的使用

●提供公30管脚连接器以连接到手持式设备

●最小化对参考电话的天线性能的影响

●提供在壳体/外壳上的开/关开关

●提供超驰控制装置（override）以当内部设备电池被完全充电时防止手持式设备消耗充电电流

可以用下面的方式使用这些产品（注意，这个列表仅适用于某些实施方案，且没有被规定为排他的）：

●UPM可使用另一连接机构例如上面描述的连接机构“咬合”到外壳中或可被附接。

●多于一个UPM可经由附接到外壳的IMI咬合到另一UPM上。

●多于一个UPM可在没有外壳的情况下咬合在一起。

●UPM可连接到外部设备和/或外部电源

在一个或多个实施方案中，UPM通过IMI总线与电源、手持式设备和其它UPM经由接口连接。

在示例性实施方案中，IMI总线可包括三个功率/信号管脚，例如BUS1、5V功率总线、BUS2、功率和信号接地和BUS3、控制路径。在示例性实施方案中，UPM具有两个IMI接口、“最左边的”接口（母连接器）和“最右边的”接口（公连接器），且BUS1和BUS2在最左边和最右边的接口之间被硬连接，以及BUS3经受本地微处理器。在一些实施方案中，外壳只有“最左边的”接口。

UPM可由各种源例如局部电池（如果存在）、充电器连接器或BUS1供电。充电协议可被定义和实现，使得协议所消耗的电流尽可能接近于正常电池自消耗（例如，<<1ma）。

在一个或多个实施方案中，UPM BUS是可自配置的，也就是说，UPM可识别连接到BUS的部件并识别连接的性质和优先级。每当“连接状态”在UPM和外壳之间改变时，IMI总线上的设备传递并决定在系统中的电流的流动。用于确定此的规则基于参考模型。在这个参考模型中，有连接到0或1个外壳的0或多个UPM。设备被定义为UPM或外壳。“最左边的”设备被定义为离外壳最远的UPM或其母连接器被暴露的UPM。“最右边的”设备被定义为外壳（如果存在）或其公连接器被暴露的UPM。当连接状态改变时，作出是否有插入任何UPM或外壳中的充电器确定。

设备决定哪个设备提供电荷：

●如果充电器存在：最左边的充电器被使用。

●如果没有充电器存在：则所有设备被允许“投标”其当前的电池状态。具有最少电荷的UPM被选择。存在对UPM的电池电荷的单元间准确度的限制，所以有比较上的公差带。如果一个或两个UPM具有相同的电荷，则“最左边的”UPM被选择。

设备决定哪个UPM以优先顺序获取电荷：

●如果一个或多个微USB A电缆插入微USB AB连接器中，则连接到最右边的UPM的设备取得优先级。该优先级继续，直到所有这样的UPM被充电。

●如果存在且外壳认为其设备需要电荷，则给设备的电池充电具有下一优先级。

●在最后一个优先级中，所有设备被允许“投标”其当前的电池状态。具有最多电荷的UPM被选择。由于对准确度的限制，存在比较上的公差带。如果两个或多个UPM具有相同的电荷，则“最右边的”UPM被选择。

设备还对下面的事件作出上面的确定。这些行动也被认为是连接状态的改变：

●在使用中的充电器被拔出或关闭。

●获取电荷的设备决定停止获取电荷（例如，设备是满的）。

●提供电荷的UPM耗尽电荷。

在一个或多个实施方案中，发信号来实现上面识别的指令在信号线上被执行，例如，BUS是单线BUS。还设想额外的线用于执行发信号。在其它实施方案中，功率在单独的线中被传输。在其它实施方案中，在功率线的顶部上强加发信号。

设备可具有与用户的各种接口，其提供一系列信息。例如，LED灯可设置在壳体上和/UPM上。当被显示时，LED提供关于电池的当前充电器的状态，例如：

●关闭，无电荷

●1个绿色LED，<20%电荷

●2个绿色LED，<40%电荷

●3个绿色LED，<60%电荷

●4个绿色LED，<80%电荷

●5个绿色LED，<100%电荷

按下按钮使当前电荷状态显示在LED上例如5秒钟。其它事件也可使LED暂时显示例如：

●拔出UPM

●将UPM插入另一UPM或外壳中

●将充电器插入UPM中

●插入电缆以从UPM获取电荷

将认识到，虽然为了解释的目的示出和描述了步骤的特定顺序，该顺序可以在某些方面改变，或步骤可被组合，同时仍然获得期望的配置。此外，对如所主张的所公开的实施方案和本发明的修改是可能的并在这个所公开的发明的范围内。

Claims (54)

1.一种用于给便携式电子设备充电的系统，所述系统包括：

a.电池模块，其包括：

i.用于存储电荷的电池；

ii.充电电路；以及

iii.第一电端口；

b.壳体，其构造成至少部分地包围电子设备，所述壳体包括：

i.连接器，其适合于将所述电池模块可拆卸地固定到所述壳体；

ii第二电端口，其适合于连接到被包围的电子设备；以及

c.电导管，其将所述第一电端口连接到所述第二电端口，所述导管适合于将存储在所述电池中的电荷传输到所述第二电端口。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述电导管还适合于在所述第一电端口和所述第二电端口之间传输数据。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一电端口是USB端口。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述第二电端口是USB端口。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述第二电端口是30管脚多功能电连接器。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述电池模块还包括适合于从外部电源接收电荷的电输入端口。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述电池模块适合于将所接收的电荷存储在所述电池中。

8.如权利要求6所述的系统，其中所述电池模块适合于将所述接收的电荷传输到所述第二电端口。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述电池模块还包括适合于将额外的电池模块可拆卸地固定到所述电池模块的物理连接器。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述电池模块还包括适合于接收存储在额外的电池模块中的电荷的电子连接器。

11.如权利要求9所述的系统，其中所述电池模块还包括适合于将存储在所述电池模块中的电荷传输到额外的电池模块的电子连接器。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述电池模块还包括适合于将外部设备可拆卸地固定到所述电池模块的物理连接器。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述电池模块还包括适合于将存储在所述电池模块中的电荷传输到所述外部设备的电子连接器。

14.如权利要求1所述的系统，其中所述电池模块包括单线自配置总线。

15.如权利要求1所述的系统，其中所述电池模块配置成用于DC/DC转换。

16.如权利要求1所述的系统，其中当电池模块未被附接时，所述壳体的背面实质上是平坦的。

17.如权利要求1所述的系统，其中所述电池模块包括用于产生声音的音频致动器设备。

18.如权利要求1所述的系统，其中所述连接器包括钩和槽，使得所述槽接纳所述钩，以便将所述电池模块可拆卸地固定到所述壳体。

19.一种用于给便携式电子设备充电的系统，所述系统包括：

a.电池模块，其包括：

i.用于存储电荷的电池；

ii.充电电路；以及

iii.第一电端口；

b.面板，其构造成附接到电子设备，所述面板包括：

i.连接器，其适合于将所述电池模块可拆卸地固定到所述面板；

ii.第二电端口，其适合于连接到所附接的电子设备；以及

c.电导管，其将所述第一电端口连接到所述第二电端口，所述导管适合于将存储在所述电池中的电荷传输到所述第二电端口。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述电导管还适合于在所述第一电端口和所述第二电端口之间传输数据。

21.如权利要求19所述的系统，其中所述第一电端口是USB端口。

22.如权利要求19所述的系统，其中所述第二电端口是USB端口。

23.如权利要求19所述的系统，其中所述第二电端口是30管脚多功能电连接器。

24.如权利要求19所述的系统，其中所述电池模块还包括适合于从外部电源接收电荷的电输入端口。

25.如权利要求19所述的系统，其中所述电池模块适合于将所接收的电荷存储在所述电池中。

26.如权利要求25所述的系统，其中所述电池模块适合于将所述接收的电荷传输到所述第二电端口。

27.如权利要求19所述的系统，其中所述电池模块还包括适合于将额外的电池模块可拆卸地固定到所述电池模块的物理连接器。

28.如权利要求27所述的系统，其中所述电池模块还包括适合于接收存储在额外的电池模块中的电荷的电子连接器。

29.如权利要求27所述的系统，其中所述电池模块还包括适合于将存储在所述电池模块中的电荷传输到额外的电池模块的电子连接器。

30.如权利要求19所述的系统，其中所述电池模块包括单线自配置总线。

31.如权利要求19所述的系统，其中所述电池模块配置成用于DC/DC转换。

32.如权利要求19所述的系统，其中当电池模块未被附接时，所述面板的背面实质上是平坦的。

33.如权利要求19所述的系统，其中所述连接器包括钩和槽，使得所述槽接纳所述钩，以便将所述电池模块可拆卸地固定到所述面板。

34.如权利要求19所述的系统，其中所述面板能够作为电池面板固定到电子设备。

35.如权利要求19所述的系统，其中所述电池模块包括用于产生声音的音频致动器设备。

36.一种用于给便携式电子设备充电的系统，所述系统包括：

a.电池模块，其包括：

i.用于存储电荷的电池；以及

ii第一电端口；

b.壳体，其构造成至少部分地包围电子设备，所述壳体包括：

i.连接器，其适合于将所述电池模块可拆卸地固定到所述壳体，所述连接器包括钩和槽；

ii.第二电端口，其适合于连接到被包围的电子设备；以及

c.电导管，其将所述第一电端口连接到所述第二电端口，所述导管适合于将存储在所述电池中的电荷传输到所述第二电端口。

37.如权利要求36所述的系统，其中当电池模块未被附接时，所述壳体的背面实质上是平坦的。

38.一种用于给便携式电子设备充电的系统，所述系统包括：

a.电池模块，其包括：

i.用于存储电荷的电池；以及

ii.第一电端口；

b.面板，其构造成附接到电子设备，所述面板包括：

i.连接器，其适合于将所述电池模块可拆卸地固定到所述面板，所述连接器包括钩和槽；

ii.第二电端口，其适合于连接到所附接的电子设备；以及

c.电导管，其将所述第一电端口连接到所述第二电端口，所述导管适合于将存储在所述电池中的电荷传输到所述第二电端口。

39.如权利要求38所述的系统，其中当电池模块未被附接时，所述面板的背面实质上是平坦的，并与所述电子设备的表面齐平。

40.如权利要求38所述的系统，其中所述电池模块包括用于产生声音的音频致动器设备。

41.一种用于给便携式设备充电的可堆叠的功率模块，所述可堆叠的功率模块包括：

a.可充电电池，其保护所存储的电荷；

b.机械连接器，其用于物理地连接所述可堆叠的功率模块与其它可堆叠的功率模块；

c.电子连接器，其用于电子地连接所述可堆叠的功率模块与其它可堆叠的功率模块；

d.一个或多个I/O连接器；

e.存储器，其包含将由处理器执行的计算机可执行指令。

42.如权利要求41所述的功率模块，其中所述电子连接器能够用于在可堆叠的功率模块当中传输电荷和数据。

43.如权利要求41所述的功率模块，其中所述I/O连接器中的至少一个能够用于使用外部电源来给所述电池充电。

44.如权利要求41所述的功率模块，其中所述I/O连接器中的至少一个能够用于使用包含在所述电池中的所存储的电荷来给便携式设备充电。

45.如权利要求41所述的功率模块，其中所述I/O连接器中的至少一个能够用于将数据发送到便携式设备并从便携式设备接收数据。

46.如权利要求41所述的功率模块，使得所述功率模块可操作来给多个便携式设备充电并从多个便携式设备接收电荷。

47.如权利要求41所述的功率模块，还包括：可操作来确定所述便携式设备是否实质上被完全充电的探测器；可操作来响应于所述探测器而开启和断开电荷从所述功率模块的传输的开/关机构。

48.一种设计成附接到移动设备的外壳，所述外壳包括：

a.连接组件，其用来接收通用功率模块（UPM）；

b.连接器，其可操作来使已插入所述连接组件中的UPM与移动设备的电池充电触头连接。

49.如权利要求48所述的外壳，其中所述外壳包括壳体，所述壳体适合于接收所述移动设备。

50.如权利要求48所述的外壳，其中所述外壳代替所述移动设备的标准电池盖。

51.如权利要求48所述的外壳，其中所述连接组件包括在所述外壳上的用于接纳UPM的区域。

52.如权利要求51所述的外壳，其中所述区域选自具有用于啮合UPM的至少一个凸起的边缘的腔或隔间。

53.如权利要求48所述的外壳，还包括提供与容纳在所述外壳内的便携式设备的电荷和数据通信的连接器。

54.一种无线音频设备，包括：

a.机械连接器，其用于将所述设备物理地固定到电池模块；

b.电端口，其用于将所述设备电连接到电池模块；

c.电池，其连接到所述电端口，使得所述电池能够经由所述电端口被充电。

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