一种睡眠/带载模式自切换的电源芯片及其控制方法与流程

1.本发明属于直流绝缘阻抗检测技术领域，具体涉及一种睡眠/带载模式自切换的电源芯片及其控制方法。


背景技术：

2.对于应用于终端微型处理器而言，超低功耗电源电路设计极为重要。其设计的难点在于静态电流、动态电流和动静态唤醒时间的平衡，需要限制静态电流和动态电流，来延长自供电的续航能力。为了同时兼顾电源芯片在静态和动态过程中的转换效率，超低功耗电感性直流-直流转换器得到了广泛应用。但由于传统电感性dc-dc变换器需要误差放大器、载波发生器、比较器和辅助电路，在μa级别负载或睡眠模态下效率不高，功耗较大。ti公司的超低功耗转换器tps62736在轻载2μa下的转换效率仅40％。因而，亟待解决对于自供电的微型处理芯片在重载和轻载以及睡眠模式下的功率损耗，提升续航能力。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供了一种睡眠/带载模式自切换的电源芯片及其控制方法，具体技术方案如下：
4.一种睡眠/带载模式自切换的电源芯片，包括时钟、电压基准源、模式转换模块、电流峰值控制模块、半桥dc/dc电路、反馈网络；
5.所述时钟、电压基准源分别与模式转换模块连接；所述模式转换模块、电流峰值控制模块、半桥dc/dc电路、反馈网络依次连接；所述反馈网络与模式转换模块连接；
6.所述时钟用于给模式转换模块提供时钟源；所述电压基准源用于给模式转换模块提供基准电压；所述模式转换模块用于根据反馈网络的输出控制切换睡眠模式或带载模式；所述电流峰值控制模块用于控制带载模式下输出的电流；所述半桥dc/dc电路用于在电流峰值控制模块限制带载模式下输出的电流范围；所述反馈网络用于将半桥dc/dc电路的输出反馈给模式转换模块以实现切换工作模式。
7.优选地，所述模式转换模块包括迟滞比较器、重载监测单元、模式选择电路；所述迟滞比较器的正输入端与电压基准源的输出端连接；所述迟滞比较器的负输入端与反馈网络的输出端连接；所述重载监测单元的输入端与迟滞比较器的输出端连接，所述重载监测单元的输出端与迟滞比较器的控制端连接；所述模式选择电路的输入端与迟滞比较器的输出端连接，所述模式选择电路的输出端与电流峰值控制模块的输入端连接；
8.所述迟滞比较器用于将反馈网络的输出与电压基准源进行比较，并输出对应的控制电平；
9.所述重载监测单元用于监测是否处于重载工况，若是处于重载工况则锁定迟滞比较器输出为高电平；
10.所述模式选择电路用于根据迟滞比较器输出的控制电平输出切换睡眠模式或带载模式的控制信号，当迟滞比较器的输出为高电平时切换至带载模式，并将对应的控制信
号输出至电流峰值控制模块；当迟滞比较器的输出为低电平时输出为睡眠模式。
11.优选地，所述半桥dc/dc电路包括上桥臂上管hs和下桥臂下管ls；所述上桥臂上管hs和下桥臂下管ls串联；所述反馈网络的输入端连接至上桥臂上管hs和下桥臂下管ls之间。
12.优选地，电流峰值控制模块包括峰值比较器、过零比较器、控制逻辑电路、驱动电路；所述峰值比较器的正输入端信号为流过半桥dc-dc电路上桥臂的电流i1，输入负端信号为电流峰值指令i
peak
；所述过零比较器的正输入端信号为流过半桥dc-dc电路下桥臂的电流i2，输入负端信号为电流过零指令i
zero
；所述峰值比较器、过零比较器的输出端分别与控制逻辑电路的输入端连接；所述控制逻辑电路的输出端与驱动电路的输入端连接，用于根据峰值比较器、过零比较器的输出控制驱动电路输出驱动信号，进而控制半桥dc/dc电路的上桥臂上管hs和下桥臂下管ls的开通或关断。
13.优选地，所述反馈网络包括电感l、电容c、电阻r3、电阻r4、电容c1；所述电感l的一端连接至半桥dc-dc电路的上桥臂上管hs和下桥臂下管ls之间，另一端与电容c的一端、电阻r3的一端、电容c1的一端分别连接，电容c的另一端接地，电阻r3的另一端与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端接地，电容c1的另一端分别连接至电阻r3和电阻r4的连接处、迟滞比较器的负输入端。
14.一种睡眠/带载模式自切换的电源芯片的控制方法，应用于所述的电源芯片，包括以下步骤：
15.步骤s1，设置迟滞比较器电压上限阈值vh和下限阈值v
l
；
16.步骤s2，一旦当检测到输出反馈电压vf《v
l
，将立刻触发迟滞比较器输出为高电平，电源芯片工作模式切换至带载模式，电流峰值控制模块启动工作，限制半桥dc/dc电路的输出电流i
l
；
17.步骤s3，一旦检测到输出反馈电压vf》vh，将立刻触发迟滞比较器输出为低电平，电源芯片工作模式切换至睡眠模式，电流峰值控制模块退出工作，实现超低功耗运行。
18.优选地，所述步骤s2中电流峰值控制模块限制半桥dc/dc电路的输出电流i
l
的方法如下：
19.当电流峰值比较器检测到半桥dc-dc电路的上桥臂电流i1达到i
peak
时，控制逻辑电路立刻控制驱动电路闭锁上管hs，开启下管ls；当电流过零比较器检测到半桥dc-dc电路的下桥臂电流i2达到i
zero
时，控制逻辑电路立刻控制驱动电路闭锁下管ls，开启上管hs，从而固定每个开关周期输出的电荷量。
20.优选地，所述步骤s2中电源芯片工作模式切换至带载模式，半桥dc-dc电路的上桥臂上管hs的导通时间t
hs
为：
[0021][0022]
其中，l为输出滤波电感，v
in
为电源输入值，v
out
为电源输出值；
[0023]
下桥臂下管ls的导通时间t
ls
为：
[0024][0025]
开关周期引起的输出电压纹波δv表示为：
[0026][0027]
其中c为输出滤波电容，i
load
为负载电流；
[0028]
当δv小于迟滞窗口时，带载模式存在多个开关周期n，期间上桥臂上管hs和下桥臂下管ls的占空比dh和d
l
分比为：
[0029][0030]
本发明的有益效果为：本发明提供了一种睡眠/带载模式自切换的电源芯片及其控制方法，其中电源芯片包括时钟、电压基准源、模式转换模块、电流峰值控制模块、半桥dc/dc电路、反馈网络，通过模式转换模块根据反馈网络的输出控制切换睡眠模式或带载模式，通过电流峰值控制模块控制带载模式下输出的电流，实现能够通过模式转换模块切换电源芯片至睡眠模式和带载模式，满足静态和低载工况下运行效率，并且在重载过程中控制了最大峰值电流，固定了每个开关周期输出的电荷量，降低了芯片带重载过程中的动态功耗。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0032]
图1为本发明的芯片原理示意图；
[0033]
图2为本发明的工作波形图。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0036]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0037]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0038]
本发明实施例可自动切换电源芯片处于睡眠sleep和带载模式，在睡眠sleep模式可大幅降低电源芯片的静态功耗，且在带载过程中固定了每个开关周期输出的电荷量，降
低了芯片带载过程中的动态功耗。
[0039]
如图1所示，本发明具体实施方式提供了一种睡眠/带载模式自切换的电源芯片，包括时钟、电压基准源、模式转换模块、电流峰值控制模块、半桥dc/dc电路、反馈网络；
[0040]
所述时钟、电压基准源分别与模式转换模块连接；所述模式转换模块、电流峰值控制模块、半桥dc/dc电路、反馈网络依次连接；所述反馈网络与模式转换模块连接；
[0041]
所述时钟用于给模式转换模块提供时钟源；所述电压基准源用于给模式转换模块提供基准电压；所述模式转换模块用于根据反馈网络的输出控制切换睡眠模式或带载模式；所述电流峰值控制模块用于控制带载模式下输出的电流；所述半桥dc/dc电路用于在电流峰值控制模块限制带载模式下输出的电流范围；所述反馈网络用于将半桥dc/dc电路的输出反馈给模式转换模块以实现切换工作模式。
[0042]
所述模式转换模块包括迟滞比较器、重载监测单元、模式选择电路；所述迟滞比较器的正输入端与电压基准源的输出端连接；所述迟滞比较器的负输入端与反馈网络的输出端连接；所述重载监测单元的输入端与迟滞比较器的输出端连接，所述重载监测单元的输出端与迟滞比较器的控制端连接；所述模式选择电路的输入端与迟滞比较器的输出端连接，所述模式选择电路的输出端与电流峰值控制模块的输入端连接；
[0043]
所述迟滞比较器用于将反馈网络的输出与电压基准源进行比较，并输出对应的控制电平；
[0044]
所述重载监测单元用于监测是否处于重载工况，若是处于重载工况则锁定迟滞比较器输出为高电平；
[0045]
所述模式选择电路用于根据迟滞比较器输出的控制电平输出切换睡眠模式或带载模式的控制信号，当迟滞比较器的输出为高电平时切换至带载模式，并将对应的控制信号输出至电流峰值控制模块；当迟滞比较器的输出为低电平时输出为睡眠模式。其中，迟滞比较器的输入端连接至分压网络的输出端，其中分压网络包括电阻r1和电阻r2，电阻r1的一端连接至电压基准源的输出端，另一端连接至电阻r2的一端，电阻r2的另一端接地，迟滞比较器的输入端连接至电阻r1和电阻r2的连接处之间。
[0046]
所述半桥dc/dc电路包括上桥臂上管hs和下桥臂下管ls；所述上桥臂上管hs和下桥臂下管ls串联；所述反馈网络的输入端连接至上桥臂上管hs和下桥臂下管ls之间。
[0047]
电流峰值控制模块包括峰值比较器、过零比较器、控制逻辑电路、驱动电路；所述峰值比较器的正输入端信号为流过半桥dc-dc电路上桥臂的电流i1，输入负端信号为电流峰值指令i
peak
；所述过零比较器的正输入端信号为流过半桥dc-dc电路下桥臂的电流i2，输入负端信号为电流过零指令i
zero
；所述峰值比较器、过零比较器的输出端分别与控制逻辑电路的输入端连接；所述控制逻辑电路的输出端与驱动电路的输入端连接，用于根据峰值比较器、过零比较器的输出控制驱动电路输出驱动信号，进而控制半桥dc/dc电路的上桥臂上管hs和下桥臂下管ls的开通或关断。
[0048]
所述反馈网络包括电感l、电容c、电阻r3、电阻r4、电容c1；所述电感l的一端连接至半桥dc-dc电路的上桥臂上管hs和下桥臂下管ls之间，另一端与电容c的一端、电阻r3的一端、电容c1的一端分别连接，电容c的另一端接地，电阻r3的另一端与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端接地，电容c1的另一端分别连接至电阻r3和电阻r4的连接处、迟滞比较器的负输入端。
[0049]
一种睡眠/带载模式自切换的电源芯片的控制方法，应用于所述的电源芯片，包括以下步骤：
[0050]
步骤s1，设置迟滞比较器电压上限阈值vh和下限阈值v
l
；
[0051]
步骤s2，电源芯片由睡眠模式切换到带载工况：一旦当检测到输出反馈电压vf《v
l
，将立刻触发迟滞比较器输出为高电平，电源芯片工作模式切换至带载模式，电流峰值控制模块启动工作，限制半桥dc/dc电路的输出电流i
l
；具体为：当电流峰值比较器检测到半桥dc-dc电路的上桥臂电流i1达到i
peak
时，控制逻辑电路立刻控制驱动电路闭锁上管hs，开启下管ls；当电流过零比较器检测到半桥dc-dc电路的下桥臂电流i2达到i
zero
时，控制逻辑电路立刻控制驱动电路闭锁下管ls，开启上管hs，从而固定每个开关周期输出的电荷量，降低芯片带载过程中的动态功耗。
[0052]
步骤s3，电源芯片由带载模式切换到睡眠工况：一旦检测到输出反馈电压vf》vh，将立刻触发迟滞比较器输出为低电平，电源芯片工作模式切换至睡眠模式，电流峰值控制模块退出工作，实现超低功耗运行。
[0053]
如图2所示，电源芯片通过迟滞比较器比较基准电压v
l
与反馈电压vf，当比迟滞比较器出高电平，进入带载模式。当过零比较器给出触发脉冲，上管hs打开，电感l电流上升；当电流上升至i
peak
时，峰值比较器给出触发脉冲，上管hs关断，下管ls打开，电感l电流下降，直至降低至零，并再次触发过零比较器；该模式将一直循环至电源芯片退出带载模式。
[0054]
电源芯片工作模式切换至带载模式，半桥dc-dc电路的上桥臂上管hs的导通时间t
hs
为：
[0055][0056]
其中，l为输出滤波电感，v
in
为电源输入值，v
out
为电源输出值；
[0057]
下桥臂下管ls的导通时间t
ls
为：
[0058][0059]
开关周期引起的输出电压纹波δv表示为：
[0060][0061]
其中c为输出滤波电容，i
load
为负载电流；
[0062]
当δv小于迟滞窗口时，带载模式存在多个开关周期n，期间上桥臂上管hs和下桥臂下管ls的占空比dh和d
l
分比为：
[0063][0064]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对
每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0065]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0066]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。