一种电能质量芯片多电压域功耗优化与稳定供电设计方法技术

本发明专利技术公开一种电能质量芯片多电压域功耗优化与稳定供电设计方法，包括低功耗芯片设计步骤和低静态电流LDO供电设计步骤；所述低功耗芯片设计步骤包括以下步骤：（1）对电能质量测控芯片分为三个不同的电压区域；（2）调节电能质量芯片的电压和时钟频率，使芯片工作在预测的时钟频率下。本发明专利技术通过实现电能质量测控芯片中不同模块工作按照需求工作在不同的电压和频率下，可以有效降低芯片的功率损耗；并且通过在侦测差分放大器支路电流变化的摆率增强电路上增加一个稳定的电流源，隔离外部电压源对摆率增强电路的干扰，提高了低静态电流LDO的稳定性。流LDO的稳定性。流LDO的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种电能质量芯片多电压域功耗优化与稳定供电设计方法


[0001]本专利技术涉及低功耗芯片设计的
，更具体地，涉及一种电能质量芯片多电压域功耗优化与稳定供电设计方法。

技术介绍

[0002]电能质量作为影响电力物联网安全稳定运行的关键因素，对电能质量进行检测与控制具有重要的意义。而目前对于电能质量问题往往采用被动测控的方式，出现问题之后才去针对性的测量、监测、分析评估和治理，因此造成的损失往往是不可逆的，所以急切需要实现电能质量的主动监测，可以提前发现和解决电能质量的在危险，可以大幅度提高电力系统的安全稳定。面向电能质量通用测控需求的芯片化核心技术是实现电能质量“主动”测控的有效途径，但我国目前缺乏该类专用芯片，且常规嵌入式芯片难以满足多场景下电能质量测控设备的广泛部署与物联网功能的应用需求，亟待一种实现电能质量通用测控芯片的国产化和自主可控，打破国外核心技术壁垒，实现行业引领。
[0003]随着电力物联网的发展，针对电力物联网不同场景下的芯片技术也在不断的发展，但是在芯片的低功耗、运算能力、安全防护以及自主可控方面亟需获得突破。为了延长电能质量通用测控芯片的使用寿命，降低运行和维护成本，增强芯片的实用性，有必要对电能质量测控芯片的低功耗进行研究和设计。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种电能质量芯片多电压域功耗优化与稳定供电设计方法，通过实现电能质量测控芯片中不同模块工作按照需求工作在不同的电压和频率下，可以有效降低芯片的功率损耗；并且提出高稳定性的低静态电流LDO设计步骤，通过在侦测差分放大器支路电流变化的摆率增强电路上增加一个稳定的电流源，隔离外部电压源对摆率增强电路的干扰，提高了低静态电流LDO的稳定性。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种电能质量芯片多电压域功耗优化与稳定供电设计方法，包括低功耗芯片设计步骤和低静态电流LDO供电设计步骤；
[0006]所述低功耗芯片设计步骤包括以下步骤：
[0007](1)按照电能质量测控芯片不同模块的供电要求对电能质量测控芯片分为三个不同的电压区域，所述电压区域分别为3.3V模拟区、1.8V可关断区、1.8V不可关断区；
[0008]所述3.3V模拟区用于进行模数转换，将采集的电压、电流模拟信号转换为数字信号，以便于数字处理器进行数据处理，同时还用于对复位电路进行供电。
[0009]所述1.8V可关断区用于数据处理，对电能质量进行分析与计算，对电能质量进行判断与控制，同时，用于预测芯片下一时刻运行状态所需的电压和频率，将预测结果通过AHB总线传输给PMU，通过PMU对芯片的电压和时钟频率进行调节；
[0010]所述1.8V不可关断区用于调节电力系统的电压和时钟频率，PMU通过数字处理器预测的电压与时钟频率，对可关断区部分电压进行控制，使可关断区不同模块工作在不同
电压下；PMU通过控制RC振荡器和PLL，使芯片工作在预测的工作频率下；
[0011]所述1.8V可关断区包括处理器、FLASH；所述FLASH用于存储电能质量信息；所述处理器用于根据芯片当前的运行需求，预测芯片下一时刻运行状态所需的电压和频率，并能够用于控制1.8V不可关断区调节芯片的电压和时钟频率；
[0012]所述1.8V不可关断区包括RC振荡器、PLL(锁相环)、PMU(功耗管理单元)；所述RC振荡器用于产生时钟信号；所述PLL用于对时钟信号进行分频或倍频功能；所述PMU为一个功耗管理单元，用于对芯片的时钟频率以及1.8V可关断区的电压进行控制；
[0013](2)根据电能质量芯片当前的运行需求，通过数字处理器预测电力系统下一时刻运行状态所需的电压和频率，并将预测结果通过AHB总线传输给PMU，通过PMU调节1.8V可关断区的电压，让不需要运行的模块断电，让需要投入运行的模块上电；并且PMU能够控制PLL，通过PMU调节电能质量芯片的电压和时钟频率，使芯片工作在预测的时钟频率下；
[0014]所述低静态电流LDO设计步骤包括以下步骤：
[0015](1)设计两级误差放大器结构，所述两级误差放大器结构包括第一级放大器和第二级放大器；所述第一级放大器和第二级放大器实现直流工作点匹配；
[0016](2)设计一种摆率增强电路，所述摆率增强电路由一个电阻、一个PMOS管M
SRE
、以及一个恒定电流源组成，其中电阻的一端连接于第一级放大器的输出端，一端连接M
SRE
管的栅端，M
SRE
管的漏端连接于功率管M
POW
的栅极，M
SRE
管的源端连接一个恒定电流源。摆率增强电路用于在LDO负载跳变时，提供一个额外的对功率管栅电容的充放电电流，缩短从负载跳变到达到稳定的转换时间，减少产生过冲电压，进而提高低静态电流LDO的可靠性与稳定性。
[0017](3)采用零
‑
极点追踪与米勒电容补偿的方式，设计一种零
‑
极点追踪电路，所述零
‑
极点追踪电路能够产生一个动态的零点抵消掉LDO的一个输出极点。
[0018](4)通过三个低静态电流LDO，利用2.6V
‑
3.6V外部电源作为LDO的输入，分别输出为一个3.3V电压和两个1.8V电压，使用输出的3.3V电压给3.3V模拟区供电；输出的两个1.8V电压分别给1.8V可关断区和1.8V不可关断区供电。
[0019]特别的，所述3.3V模拟区包括ADC模拟部分、复位模块。
[0020]特别的，所述1.8V可关断区还包括电能质量控制单元、ADC数字部分、Flash、定时器、GPIO口，UART；所述电能质量控制单元用于控制无功补偿装置的投切。
[0021]特别的，所述处理器采用ARM CortexM3数字处理器。
[0022]特别的，所述低功耗芯片设计步骤中步骤(2)通过PMU调节电能质量芯片的电压和时钟频率的具体方法为：
[0023]通过数字处理器根据芯片当前的运行需求，预测电力系统下一时刻运行状态所需的电压和频率，然后判断是否需要进行调压调频；
[0024]如果需要进行调压，则判断是需要进行断掉操作还是进行上电操作，然后将进行断掉操作还是进行上电操作的判断结果传输给PMU，通过PMU对模块进行断电或者上电；
[0025]如果需要进行调频，则判断是否需要增加频率，如果需要增加频率，则通过PMU配置PLL进行倍频操作；如果需要减小频率，则通过PMU配置PLL进行分频操作。
[0026]特别的，所述第一级放大器使用NMOS管作输入管，PMOS管作负载管；所述第二级放大器采用PMOS管源跟随器；由于第一级放大器负载管与第二级放大器的输入管采用相同的类型，可以实现第一级放大器的输出直流工作点与第二级放大器的输入电压直流工作点相
匹配，进而可以减少LDO输出电压的误差。
[0027]特别的，所述摆率增强电路包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电能质量芯片多电压域功耗优化与稳定供电设计方法，其特征在于：包括低功耗芯片设计步骤和低静态电流LDO供电设计步骤；所述低功耗芯片设计步骤包括以下步骤：(1)按照电能质量测控芯片不同模块的供电要求对电能质量测控芯片分为三个不同的电压区域，所述电压区域分别为3.3V模拟区、1.8V可关断区、1.8V不可关断区；所述3.3V模拟区用于进行模数转换，将采集的电压、电流模拟信号转换为数字信号，以便于数字处理器进行数据处理，同时还用于对复位电路进行供电。所述1.8V可关断区用于数据处理，对电能质量进行分析与计算，对电能质量进行判断与控制，同时，用于预测芯片下一时刻运行状态所需的电压和频率，将预测结果通过AHB总线传输给PMU，通过PMU对芯片的电压和时钟频率进行调节；所述1.8V不可关断区用于调节电力系统的电压和时钟频率，PMU通过数字处理器预测的电压与时钟频率，对可关断区部分电压进行控制，使可关断区不同模块工作在不同电压下；PMU通过控制RC振荡器和PLL，使芯片工作在预测的工作频率下；所述1.8V可关断区包括处理器、FLASH；所述FLASH用于存储电能质量信息；所述处理器用于根据芯片当前的运行需求，预测芯片下一时刻运行状态所需的电压和频率，并能够用于控制1.8V不可关断区调节芯片的电压和时钟频率；所述1.8V不可关断区包括RC振荡器、PLL(锁相环)、PMU(功耗管理单元)；所述RC振荡器用于产生时钟信号；所述PLL用于对时钟信号进行分频或倍频功能；所述PMU为一个功耗管理单元，用于对芯片的时钟频率以及1.8V可关断区的电压进行控制；(2)根据电能质量芯片当前的运行需求，通过数字处理器预测电力系统下一时刻运行状态所需的电压和频率，并将预测结果通过AHB总线传输给PMU，通过PMU调节1.8V可关断区的电压，让不需要运行的模块断电，让需要投入运行的模块上电；并且PMU能够控制PLL，通过PMU调节电能质量芯片的电压和时钟频率，使芯片工作在预测的时钟频率下；所述低静态电流LDO设计步骤包括以下步骤：(1)设计两级误差放大器结构，所述两级误差放大器结构包括第一级放大器和第二级放大器；所述第一级放大器和第二级放大器实现直流工作点匹配；(2)设计一种摆率增强电路，所述摆率增强电路由一个电阻、一个PMOS管M
SRE
、以及一个恒定电流源组成，其中电阻的一端连接于第一级放大器的输出端，一端连接M
SRE
管的栅端，M
SRE
管的漏端连接于功率管M
POW
的栅极，M
SRE
管的源端连接一个恒定电流源。用于在LDO负载跳变时，提供一个额外的对功率管栅电容的充放电电流，缩短从负载跳变到达到稳定的转换时间，减少产生过冲电压，进而提高低静态电流LDO的可靠性与稳定性。(3)采用零
‑
极点追踪与米勒电容补偿的方式，设计一种零
‑
极点追踪电路，所述零
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：周柯，莫枝阅，金庆忍，王晓明，
申请(专利权)人：广西电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：