一种基于计时器控制的超低功耗负载开关及其控制方法与流程

本发明属于硅基集成电路，具体涉及一种基于计时器控制的超低功耗负载开关及其控制方法。

背景技术：

1、随着集成电路产品应用范围的日益渐增，生活中随处可见应用集成电路的电子产品，其中，无线、长续航、充电快速等性能是衡量电子产品的重要标准。负载开关作为电源的重要集成器件之一，其重要性也逐渐凸显出来，负载开关可以有效地控制电源供电效率，大大提升电源的续航能力，但是不同的电子产品通常需要的电池容量也是不同的，小到几十毫安时（mah），大到几十安时（ah），为了防止在电源使用时产生大的浪涌而对负载电路造成不可逆的损伤，因此不同的电源容量对负载开关的转换速率的要求也是不同的。

2、目前，市面上的负载开关转换速率通常是固定的，也有一些采用时钟控制的方式来线性调整转换速率，达到可以通过外挂电阻或者电容来实现可编程的转换速率的负载开关，而且通常采用n型功率管切换电源负极的方式。但是这种实现方式通常功耗非常大，因为需要保证输出端电压一直大于输入端电压，即需要给功率管门级提供一个高电压才能实现导通。

技术实现思路

1、为了解决现有负载开关功耗大的问题，本发明提供了一种基于计时器控制的超低功耗负载开关及其控制方法，本发明利用p型功率管并结合计时器来实现负载开关的转换速率调整的同时实现超低功耗，本发明通过设置计时器来监测输出电压的状态，并在输出电压状态达到相应要求后，控制关断该负载开关控制电路的各耗能器件，极大的降低了集成芯片的功耗。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，所述负载开关包括时钟振荡器、基准产生电路、计时器、p型功率管和转换速率控制电路；

4、其中，所述时钟振荡器在外部使能信号的控制下产生时钟信号；

5、所述计时器在外部使能信号、输出电压以及时钟信号的控制下开始计时，并能够在所述p型功率管导通且输出电压稳定后输出信号控制关断所述时钟振荡器、基准产生电路、计时器和转换速率控制电路；

6、所述基准产生电路在外部使能信号的控制下产生偏置信号；

7、所述转换速率控制电路在外部使能信号、时钟信号和偏置信号的控制下对所述p型功率管的栅端开始间歇性放电，并通过调节放电电流大小来实现所述p型功率管的导通转换速率可控；

8、所述p型功率管的源端连接电源输入端，所述p型功率管的漏端连接电源输出端，所述p型功率管的栅端连接所述转换速率控制电路的输出端，所述p型功率管的栅端还通过下拉开关组件接地，所述下拉开关组件在所述计时器的控制下导通或关断。

9、相较于现有技术存在功耗较高等问题，本发明提出了一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，通过设置计时器电路监测输出电压的状态，从而使得p型功率管由关断到导通阶段，其控制电路工作，当p型功率管导通且输出电压稳定后，通过计时器控制关闭p型功率管的控制电路，即负载开关的控制电路在电源稳定供电后即不再工作，不耗能，从而大大降低了集成负载开关的功耗。同时，本发明还设置有导通转换速率控制电路，用于在p型功率管由关断到导通阶段对其导通转换速率进行控制，从而保证p型功率管的导通转换速率呈现高线性度，有利于芯片负载的启动及控制，保证整个系统的稳定性和可靠性。

10、作为优选实施方式，本发明的计时器包括检测电路、计时电路和输出电路；

11、所述检测电路在外部使能信号以及输出电压的控制下输出信号至计时电路和输出电路；

12、所述计时电路在所述检测电路输出信号的控制下开始计时；

13、所述输出电路用于保证输出电压稳定后进行计时输出控制所述时钟振荡器、基准产生电路、计时器和转换速率控制电路关断并通过导通下拉开关组件保持所述p型功率管完全导通。

14、作为优选实施方式，本发明的检测电路包括比较器、电阻r4、电阻r5；

15、其中，所述电阻r4和电阻r5串联连接在电源输入端和地之间，作为分压电路，所述比较器的反相输入端连接所述电阻r4和电阻r5的公共连接端，所述比较器的正相输入端连接电源输出端，所述比较器的输出端输出信号至所述计时电路和所述输出电路，所述比较器的使能端连接ctrl信号；在所述分压电路上还设置一个可控开关，所述可控开关由所述ctrl信号控制导通或关闭；

16、所述ctrl信号通过使能信号与所述计时器输出的反相信号逻辑与得到。

17、作为优选实施方式，本发明的电阻r4和电阻r5构成的分压电路对输入电源电压进行分压得到阈值电压；具体的分压比根据导通转换速率调整时间长度来确定。

18、作为优选实施方式，本发明的计时电路包括若干个d型触发器i3、i4、…in，若干个d型触发器i3、i4、…in依次串联连接，其中，d型触发器i3的clk端接时钟信号，d型触发器in的q端作为所述计时电路的输出端输出信号至所述输出电路，若干个d型触发器i3、i4、…in的复位端均连接所述比较器的输出端。

19、作为优选实施方式，本发明的计时电路中的d型触发器的数量由计时时长决定，所述计时时长应当大于总的转换时间减去转换速率控制阶段时间后的剩余时间。

20、作为优选实施方式，本发明的输出电路包括延时器、d型触发器i6、d型触发器i7、与门和非门；

21、所述延时器的输入端连接所述比较器的输出端，所述延时器的输出端连接d触发器i6的clk端，所述d型触发器i6的q端连接与门的一个输入端，所述d型触发器i7的clk端连接所述计时电路的输出端，所述d型触发器i7的q端连接与门的另一个输入端，d型触发器i6和d型触发器i7的复位端均连接非门的输出端，非门的输入端连接使能信号。

22、作为优选实施方式，本发明的转换速率控制电路包括线性控制部分和启动加速部分；

23、所述线性控制部分在使能信号和时钟信号的控制下间歇性地对所述p型功率管栅端放电，并通过调整放电电流来控制所述p型功率管栅端放电速度，从而使得所述p型功率管导通转换速率可控；

24、所述启动加速部分在输出电压低于导通阈值之前辅助所述线性控制部分对所述p型功率管栅端放电，加快所述p型功率管的启动。

25、作为优选实施方式，本发明的转换速率控制电路通过设置内部电阻来控制所述p型功率管栅端放电电流的大小；

26、或者，本发明的转换速率控制电路通过设置内部电阻以及与内部电阻并联的外部电阻来控制所述p型功率管栅端放电电流的大小，通过调节所述外部电阻的阻值即可实现放电电流的调节；

27、或者，本发明的转换速率控制电路通过设置外部电阻来控制所述p型功率管栅端放电电流的大小，通过调节所述外部电阻的阻值即可实现放电电流的调节。

28、另一方面，本发明还提出了基于本发明上述超低功耗负载开关的控制方法，所述方法包括：

29、系统上电后，使能信号为关断状态，控制所述p型功率管关闭，此时所述电源输出端由于没有供电通路，保持为低电位；

30、当使能信号从关断状态转换为使能状态时，控制所述基准产生电路、所述时钟振荡器、所述转换速率控制电路和所述计时器开始工作，此时所述基准产生电路输出偏置信号供所述转换速率控制电路使用，所述时钟振荡器输出时钟信号供所述转换速率控制电路和所述计时器使用；

31、检测到输出电压小于阈值时，通过时钟信号控制所述转换速率控制电路开始对所述p型功率管的栅端进行间歇式放电；

32、检测到输出电压大于等于阈值时，控制所述计时器开始计时，所述计时器在完成计时后输出信号控制所述下拉开关组件导通，从而将所述p型功率管栅端固定拉低到低电位，同时关断所述时钟振荡器、基准产生电路、转换速率控制电路和计时器。

33、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

34、1、本发明通过采用p型功率管并结合计时器电路反馈监测控制技术，使得p型功率管的控制电路仅在功率管导通转换过程时工作，当功率管导通且输出电压稳定后整个控制电路均关断，不再消耗功耗，从而极大的降低了负载开关的功耗，实现超低功耗，几乎零功耗。

35、2、本发明还通过设置转换速率控制电路对p型功率管导通转换速率进行控制，保证p型功率管的导通转换速率呈现高线性度，有利于芯片负载端的启动及控制，保证整个系统的稳定性和可靠性。