一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法技术方案

本发明专利技术涉及开关电源技术领域，公开了一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法。包括：开关电源从正常工作模式进入睡眠模式时，控制DC2DC开始以关闭、工作、关闭、工作的循环状态，每次的工作时间应大于使得DC2DC内部电路启动完成并恢复DC2DC电压(如有需要)的最小时间，在循环状态中对关闭时间进行增加或者减小，直到找到合适的占空比使满足DC2DC的输出电压不小于安全值的同时占空比最小。所述安全值为系统允许的DC2DC最小输出电压；更好的是在最小输出电压和正常工作电压之间设置阈值电压作为安全值。本发明专利技术采用关闭、工作、关闭、工作循环的过程中，调节关闭时间，找到最优的占空比，极大地降低系统睡眠模式下的电流，也能确保DC2DC能正常工作。

【技术实现步骤摘要】
一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法
本专利技术涉及开关电源
，特别是一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法。
技术介绍
电源管理电路是现代模拟+射频+数字电路SOC芯片中非常重要的部分。电源管理电路一般包括一个开关电源转换器(SwitchPowerRegulator，直流-直流开关电源转换器一般简称为DC/DC转换器，或者简称DC2DC，本专利技术中简称为DC2DC)，和若干个LDO。在使用电池的供电的SOC系统中，这个开关电源一般是直流-直流降压型开关电源转换器(BUCK)。以使用锂电池供电的SOC电源管理电路为例，其大致结构如图1所示。其中，开关电源的主要作用将内部电路消耗的电流，以较高的效率转换到电池/电源电压下。例如，如果DC2DC输出电压是1.05V，输出电流是10mA，而这个时候，电池/电源电压是3V，转换效率是85％，那么这个时候在电池/电源端看到的电流就应该是：1.05*10/3/85％＝4.12mA。而LDO的作用是将DC2DC输出的电压进一步降压后分配给SOC内部不同的模块使用，以避免各个模块之间的相互干扰，例如，射频电路和数字电路之间需要通过LDO隔离，以避免相互干扰。LDO转换效率通常较低，尤其是在输入输出压差较大的时候。开关电源一般包括一个基准源，一个时钟，控制电路，以及上拉开关和下拉开关。图2中以降压式开关电源转换器(BUCK)为例，描述开关电源的基本结构。除了芯片内部的电路，一般在芯片外部，开关电源还需要一个电感和电容。开关电源的效率会随着输出负载(loading)电流的减小而减小。例如，在loading电流为10mA时，DC2DC的转换效率约为85％，但是在loading电流为10uA时，转换效率可能不到20％。这是因为，DC2DC自身会消耗一定的电流，例如20uA(这已经是一个比较小的假设)。所以，在loading电流很小时，通常的DC2DC电路转换效率极为低下。而在使用电池供电的系统芯片(SOC)中，对睡眠模式电流要求极为严格。例如，低功耗蓝牙SOC芯片，要求系统睡眠电流低于3uA。这是一个极小的数值。还是以低功耗蓝牙芯片为例，系统睡眠模式电流主要来自几部分：1.数字电路漏电。芯片的数字电路即使在不工作时，也不可避免存在漏电，例如，微控制单元MCU，以及各种存储器等2.模拟/射频部分电流。在系统睡眠时，通常还要求有一个定时器在工作，这个时候，就需要一个片内的低功耗时钟电路。由于使用电池的系统对睡眠电流要求很高，所以通常的SOC芯片在睡眠模式下，不使用自身电流较大的DC2DC。而是直接使用一些低功耗的LDO。这些LDO也是系统睡眠电流的来源。为了降低系统睡眠电流，通常的做法是：1.使用髙阈值的MOS管来实现数字电路，以降低睡眠模式下，数字电路的漏电。但这样做会增加数字电路的面积，增加整个芯片的成本2.在芯片内部每个子模块的电源上加入一个开关。在睡眠模式下，如果不需要工作的子电路，就断开此开关，使得这个子模块不再消耗电流。但是这样做也会使得芯片面积增大。尤其是数字电路，对于开关上的导通电阻有一定要求，所以，必然导致芯片面积增加。3.如果不使用髙阈值的MOS来实现数字电路，也不添加额外的电源开关，那就需要使用超低功耗DC2DC，将芯片内部的电流，以较高的转换效率转换到电源电压上。这就要求DC2DC在睡眠模式下自身的功耗低于1uA。即使是PFM或者BURST架构的DC2DC，也至少需要一个基准源和一个比较器，以维持对输出电压是否过低的判断。而小于1uA的基准源往往很难实现一定精度的输出，要实现精准输出，则基准源的面积和电流都会很大。也可以通过一个时钟控制一个精准的，电流较大的，电路面积较小的基准源以一定的占空比工作(大部分时间关闭)，实现基准源平均电流的降低。但这种做法，芯片内部需要大量的去偶电容(decouplingcapacitor)，以维持在基准源关闭期间，仍然有一个较为精准的基准电压(去偶电容太小，基准电压会随着时间而逐渐降低)。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法。本专利技术采用的技术方案如下：一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法，包括以下过程：开关电源从正常工作模式进入睡眠模式时，控制DC2DC开始以关闭、工作、关闭、工作的循环状态，每次的工作时间应大于使得DC2DC内部电路启动完成的最小时间，如需要恢复DC2DC电压则每次的工作时间应大于使得DC2DC内部电路启动完成并恢复DC2DC电压的最小时间，在循环状态中对关闭时间进行增加或者减小，直到找到合适的占空比使满足DC2DC的输出电压不小于安全值的同时占空比最小。进一步的，所述安全值为允许的DC2DC最小输出电压。进一步的，在DC2DC正常输出电压V1和系统允许的DC2DC最小输出电压V2之间设定2个判断阈值电压V3和阈值电压V4，电压V3＝V1-A*(V1-V2)，电压V4＝V1-B*(V1-V2)，其中0＜A＜B＜1，循环状态中，安全值为电压V4。进一步的，如果增加关闭时间后使DC2DC的输出电压小于阈值电压V4，则在下一个关闭状态时减少关闭时间。进一步的，关闭时间的调节过程为：Sa1：所述B＝N*A,其中0＜A＜B＜1，B的选择应考虑到环境变化后，DC2DC输出电压距离系统正常工作的最低电压V2仍有一定的裕度，N可以是整数，也可以不是整数；进入睡眠模式后，DC2DC首先进行第一次关闭，芯片依靠芯片外挂的DC2DC负载电容提供内部电压，第一次关闭的时间TOFF_1的选取应满足：在任何情况下，所有芯片内部模块消耗的电流，都不会导致DC2DC外部电容上的电压下降到阈值电压V3以下；Sa2：DC2DC关闭TOFF_1之后，紧接着在时刻tON_1启动DC2DC工作持续TON时间(每次TON可以固定，也可以不固定，但都应大于使得DC2DC内部电路启动完成并恢复DC2DC电压(如有需要)的最小时间,并都应远小于任意一次关闭时间)，在TON时间内将DC2DC的输出电压恢复至电压V1；Sa3：第一次工作TON时间结束之后，系统再次关闭DC2DC持续TOFF_2时间，持续的TOFF_2时间根据时刻tON_1的DC2DC的输出电压而定；Sa4：关闭DC2DC持续TOFF_2时间，紧接着在时刻tON_2启动DC2DC工作持续TON时间(每次TON可以固定，也可以不固定，但都应大于使得DC2DC内部电路启动完成并恢复DC2DC电压(如有需要)的最小时间,并都应远小于任意一次关闭时间)，在TON时间内将DC2DC的输出电压恢复至电压V1；Sa5：在接下来的睡眠模式中，DC2DC按照关闭、启动、关闭的循环顺序工作，每次开启的时刻为tON_N，开启持续时间为TON(每次TON可以固定，也可以不固定，但都应大于使得DC2DC内部电路启动完成并恢复DC2DC电压(如有需要)的最小时间,并都应远小于任意一次关闭时间)；每次关闭时刻为tOFF_N，关闭持续时间为TOFF_N，持续TOFF_N根据前一次开启时刻tON_N-1的DC2DC的输出电压状态决定；Sa6：以此类推，DC2DC按照开启、关闭、开启、关闭的方式工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法，其特征在于，包括以下过程：开关电源从正常工作模式进入睡眠模式时，控制DC2DC开始以关闭、工作、关闭、工作的循环状态，每次的工作时间应大于使得DC2DC内部电路启动完成的最小时间，如需要恢复DC2DC电压则每次的工作时间应大于使得DC2DC内部电路启动完成并恢复DC2DC电压的最小时间，在循环状态中对关闭时间进行增加或者减小，直到找到合适的占空比使满足DC2DC的输出电压不小于安全值的同时占空比最小。

【技术特征摘要】
1.一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法，其特征在于，包括以下过程：开关电源从正常工作模式进入睡眠模式时，控制DC2DC开始以关闭、工作、关闭、工作的循环状态，每次的工作时间应大于使得DC2DC内部电路启动完成的最小时间，如需要恢复DC2DC电压则每次的工作时间应大于使得DC2DC内部电路启动完成并恢复DC2DC电压的最小时间，在循环状态中对关闭时间进行增加或者减小，直到找到合适的占空比使满足DC2DC的输出电压不小于安全值的同时占空比最小。2.如权利要求1所述的降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法，其特征在于，所述安全值为允许的DC2DC最小输出电压。3.如权利要求1所述的降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法，其特征在于，在DC2DC正常输出电压V1和系统允许的DC2DC最小输出电压V2之间设定2个判断阈值电压V3和阈值电压V4，电压V3＝V1-A*(V1-V2)，电压V4＝V1-B*(V1-V2)，其中0＜A＜B＜1，循环状态中，安全值为电压V4。4.如权利要求3所述的降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法，其特征在于，如果增加关闭时间后使DC2DC的输出电压小于阈值电压V4，则在下一个关闭状态时减少关闭时间。5.如权利要求4所述的降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法，其特征在于，关闭时间的调节过程为：Sa1：所述B＝N*A,其中0＜A＜B＜1，B的选择应考虑到环境变化后，DC2DC输出电压距离系统正常工作的最低电压V2仍有一定的裕度，N可以是整数，也可以不是整数；进入睡眠模式后，DC2DC首先进行第一次关闭，芯片依靠芯片外挂的DC2DC负载电容提供内部电压，第一次关闭的时间TOFF_1的选取应满足：在任何情况下，所有芯片内部模块消耗的电流，都不会导致DC2DC外部电容上的电压下降到阈值电压V3以下；Sa2：DC2DC关闭TOFF_1之后，紧接着在时刻tON_1启动DC2DC工作持续TON时间，在TON时间内将DC2DC的输出电压恢复至电压V1；Sa3：第一次工作TON时间结束之后，系统再次关闭DC2DC持续TOFF_2时间，持续的TOFF_2时间根据时刻tON_1的DC2DC的输出电压而定；Sa4：关闭DC2DC持续TOFF_2时间，紧接着在时刻tON_2启动DC2DC工作持续TON时间，在TON时间内将DC2DC的输出电压恢复至电压V1；Sa5：在接下来的睡眠模式中，DC2DC按照关闭、启动、关闭的循环顺序工作，每次开启的时刻为tON_N，开启持续时间为TON，每次TON时间应远小于任意一次关闭时间；每次关闭时刻为tOFF_N，关闭持续时间为TOFF_N，持续TOFF_N根据前一次开启时刻tON_N-1的DC2DC的输出电压状态决定；Sa6：以此类推，DC2DC按照开启、关闭、开启、关闭的方式工作直至找到合适的占空比使满足DC2DC的输出电压不小于允许的DC2DC最小输出电压的同时占空比最小。6.如权利要求5所述的降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法，其特征在于，所述Sa3中，如果在时刻tON_1，DC2DC的输出电压高于电压V3，也高于电压V4，则TOFF_2＝(B/A)*TOFF_1＝N*TOFF_1；如果在时刻tON_1，DC2DC的输出电压低于电压V3，也低于电压V4，则TOFF_2＝(A/B)*TOFF_1＝(1/N)*TOFF_1；如果在时刻tON_1，DC2DC输出电压低于电压V3，高于电压V4，则TOFF_2＝TOFF_1。7.如权利要求6所述的降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法，其特征在于，所述Sa5中，如果DC2DC输出电压在时刻tON_N-1低于电压V3，高于电压V4，那么TOFF_N＝TOFF_N-1；如果DC2DC输出电压在时刻tON_N-1高于电压V3，也高于电压V4，那么TOFF_N＝(B/A)*TOFF_N-1＝N*TOFF_N-1；如果DC2DC输出电压在时刻tON_N-1低于电压V3，也低于电压V4，那么TOFF_N＝(A/B)*TOFF_N-1＝(1/N)*TOFF_N-1。8.如权利要求4所述的降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法，其特征在于，关闭时间的调节过程为：Sb1：所述B＝N*A,其中0＜A＜B＜1，B的选择应考虑到环境变化后，DC2DC输出电压距离系统正常工作的最低电压V2仍有一定的裕度，N可以是整数，也可以不是整数；进入睡眠模式后，DC2DC首先进行第一次关闭，芯片依靠芯片外挂的DC2DC负载电容提供内部电压，第一次关闭的时间TOFF...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈怡，张歆，杨毅，
申请(专利权)人：成都盛芯微科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51