CN107968568B - 一种低功耗恒定导通时间定时电路设计方法及定时电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低功耗恒定导通时间定时电路设计方法及定时电路，采用RC电路进行定时，消除定时器的静态功耗，具体结构有：包括第四PMOS管M4，源极连接于输入电压VIN，栅极连接于导通时间控制端TON_CONTROL，漏极与第四电阻R4的一端相连；所述第四电阻R4的另一端与第四电容C4的一端相连；所述第四电容C4的另一端连接于地；比较器VCMP输入负极连接参考电压，输入正极连接于第四电容C4和第四电阻R4之间。该设计方法下的电路，能够消除恒定导通时间定时电路的静态功耗，从而降低整个电路的功耗，且实现电路结构简单，成本低。

Description

一种低功耗恒定导通时间定时电路设计方法及定时电路
技术领域
本发明涉及电子电路领域，特别是涉及一种低功耗恒定导通时间定时电路设计方法及定时电路。
背景技术
市面上电源芯片按调制方式分类主流有两种：PWM(脉冲宽度调制)、PFM(脉冲频率调制)和PWM-PFM(脉冲宽度频率调制)。这两种调制方式各有优缺点：
对于PWM，优点是：1：噪音低、开关频率固定，EMI噪声滤波器容易设计；2：纹波电压小；3：控制方式实现容易。缺点是：1、轻载效率低；2、受EA限制，环路响应速度慢。
对于PFM，有COT、CFT和迟滞电压型，优点是：1：轻载效率高2：静态功耗小；3：环路响应速度快。缺点是：1、输出纹波更大；2、EMI谐波频谱太宽，滤波困难。
常见的自适应定时器实现方法中，COT恒定导通时间调制BUCK的工作频率和占空比成反比：fSW＝tON/D，这导致BUCK工作频率随占空比变化很大，从而出现声频噪声的问题。为此市面上催生了自适应恒定导通时间BUCK的出现，忽略电感压降、功率管压降，它的导通时间tON与占空比成正比，这使得BUCK的工作频率基本恒定。图1所示为常见自适应恒定导通时间模块电路图，导通时间tON和工作频率fSW分别为：
由式2可得工作频率恒定，但对于低功耗BUCK而言，图1中所示缺点在于EA静态功耗较大，这就使得低功耗定时器需求的出现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够消除定时电路的静态功耗的低功耗恒定导通时间定时电路设计方法及定时电路。
本发明采用的技术方案如下：
一种低功耗恒定导通时间定时电路设计方法，具体方法包括：采用RC电路进行定时，消除定时器的静态功耗。
所述方法还包括：向所述RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过所述RC电路中R的电流量，使RC定时器定时长短与占空比一阶相关。
所述RC电路采用N级的RC电路，包括第一级RC电路和除第一级RC电路外的其他级RC电路，所述其他级RC电路对第一级RC电路的电容充放电电路进行补偿，使得第一级RC电路电容电压输出VOUT*K2之前都保持电容充电电流与VIN一阶相关；所述N为大于等于2的自然数。
使得第一级RC电路电容电压输出VOUT*K2(K2为设定系数)之前都保持电容充电电流与VIN一阶相关的具体方法包括：向第一级RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过第一级RC电路中R的电流量，使RC定时器定时长短与占空比一阶相关。
向第一级RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过第一级RC电路中R的电流量的具体方法为：通过相邻两级RC电路之间的，两端分别接于其中一级RC电路的R和C之间与另一级RC电路的R和C之间的电阻，向第一级RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过第一级RC电路中R的电流量。
一种低功耗恒定导通时间定时电路，包括第四PMOS管M4，源极连接于输入电压VIN，栅极连接于导通时间控制端TON_CONTROL，漏极与第四电阻R4的一端相连；所述第四电阻R4的另一端与第四电容C4的一端相连；所述第四电容C4的另一端连接于地；比较器VCMP输入负极连接参考电压，输入正极连接于第四电容C4和第四电阻R4之间。
还包括第五PMOS管M5，源极连接于输入电压VIN，栅极连接于导通时间控制端TON_CONTROL，漏极与第五电阻R5的一端相连；所述第五电阻R5的另一端与第五电容C5的一端相连；所述第五电容C5的另一端连接于地；还包括一级注流电阻R_C4，一端连接于第五电阻R5和第五电容C5之间，另一端连接于第四电阻R4和第四电容C4之间。
还包括第六PMOS管M6，源极连接于输入电压VIN，栅极连接于导通时间控制端TON_CONTROL，漏极与第六电阻R6的一端相连；所述第六电阻R6的另一端与第六电容C5的一端相连；所述第六电容C6的另一端连接于地；还包括二级分流电阻R_C5，一端连接于第六电阻R6和第六电容C6之间，另一端连接于第五电阻R5和第五电容C5之间。
还包括与第四电容C4并联的第四开关K4；所述第四开关K4与导通时间控制端TON_CONTROL相连，由导通时间控制端TON_CONTROL控制断开或导通。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够消除恒定导通时间定时电路的静态功耗，从而降低整个电路的功耗，且实现电路结构简单，成本低。
附图说明
图1为现有技术常见定时器实现电路图。
图2为本发明其中一实施例的定时电路原理图。
图3为本发明其中一实施例的定时电路原理图。
图4为本发明其中一实施例的定时电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
对于低功耗恒定导通时间定时电路设计方法，本发明的核心思路的具体方法是：采用RC电路进行定时，消除定时器的静态功耗。低功耗定时器利用RC电路进行定时，这样电路就消除了定时器的静态功耗，只需要考虑给电容充电时耗散在电阻R的开关损耗。
然而，由于RC电路给电容充电到电压VOUT*K2的时间t不与占空比一阶相关，所以导致这种定时器所决定的COT工作频率随占空比增大而减小，从而带来声频噪声的危害。
为了弥补这个不足，所述方法还包括：向所述RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过所述RC电路中R的电流量，从而使RC定时器定时长短与占空比一阶强相关，从而实现工作频率与占空比的独立。
另一种比较具体的方法是，所述RC电路采用N级的RC电路，包括第一级RC电路和除第一级RC电路外的其他级RC电路，所述其他级RC电路对第一级RC电路的电容充放电电路进行补偿，使得第一级RC电路电容电压输出VOUT*K2之前都保持电容充电电流与VIN一阶相关，从而实现工作频率与占空比的独立；所述N为大于等于2的自然数。
更具体地，作为一种方案，使得第一级RC电路电容电压输出VOUT*K2之前都保持电容充电电流与VIN一阶相关的具体方法包括：向第一级RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过第一级RC电路中R的电流量，从而使RC定时器定时长短与占空比一阶强相关，从而实现工作频率与占空比的独立。
作为一种具体的方案，向第一级RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过第一级RC电路中R的电流量的具体方法为：通过相邻两级RC电路之间的，两端分别接于其中一级RC电路的R和C之间与另一级RC电路的R和C之间的电阻，向第一级RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过第一级RC电路中R的电流量。
在本发明技术方案中，所述N等于2或3。
基于上述设计方法，本发明申请给出了一种低功耗恒定导通时间定时电路，包括第四PMOS管M4，源极连接于输入电压VIN，栅极连接于导通时间控制端TON_CONTROL，漏极与第四电阻R4的一端相连；所述第四电阻R4的另一端与第四电容C4的一端相连；所述第四电容C4的另一端连接于地；比较器VCMP输入负极连接参考电压，输入正极连接于第四电容C4和第四电阻R4之间。
如图2所示，TON_CONTROL到GND的阶跃信号相当于在第四电阻R4添加了一个VIN的阶跃信号，第四电容C4的输出电压VO＝VOUT*K2满足(忽略MOS管的源漏压降)：
第四电容C4电压输出电压VO所需的时间t满足：
对式4泰勒展开：
工作频率f为：
其中，n为自然数。
这种只有一级RC延时电路的定时器定时与占空比不是一阶相关，导致工作频率f与占空比负相关。
作为对电路的进一步改进，如图3所示，还包括第五PMOS管M5，源极连接于输入电压VIN，栅极连接于导通时间控制端TON_CONTROL，漏极与第五电阻R5的一端相连；所述第五电阻R5的另一端与第五电容C5的一端相连；所述第五电容C5的另一端连接于地；还包括一级注流电阻R_C4，一端连接于第五电阻R5和第五电容C5之间，另一端连接于第四电阻R4和第四电容C4之间。
一级RC定时器把第四电容C4充电到VOUT*K2的时间不与占空比一阶相关的原因在于：第四电容C4的充电电流IR4随时间而指数衰减。若通过一级注流电阻R_C4向第四电容C4注入电流IR_C4且大小等于IR4随时间衰减的电流量，就可以使RC定时器定时长短与占空比一阶强相关，从而实现工作频率与占空比的独立。
分析图3所示两级RC定时器的定时t(忽略MOS管的源漏压降)：
泰勒展开保留三次项得：
忽略从R_C4上电路对C5节点电压的影响，将第五电阻R5和第五电容C5之间的节点V2电压仍看做VIN通过R2对C2充电过程，则有：
结合式9和式3可得：
电容C4充电电流为IR4和IR_C4的叠加：令R_C4＝R4
泰勒展开，保留三次项得：
整理得：
令R5·C5＝R4·C4/2，可消除t的一次项，得到：
假设t＜＜R4·C4，时，式14中IC4近似看作常数，第四电容C4电压充电到VOUT*K2的时间t满足，假设t＜＜R4·C4：
若占空比为则该定时电路决定的COT工作频率f对应周期T满足：
结合式15和式16分析周期精度与的关系：
二级RC定时器R5·C5<R4·C4/2会导致：
电容C4刚刚充电时，从R_C4补偿到C4的电流过大，使充电加快；所以电路加入第三级RC支路在C4刚刚充电时从节点V2分流，降低从R_C4补偿到C4的电流，VO与时间线性相关的输出范围。如图4所示，具体电路结构为：
还包括第六PMOS管M6，源极连接于输入电压VIN，栅极连接于导通时间控制端TON_CONTROL，漏极与第六电阻R6的一端相连；所述第六电阻R6的另一端与第六电容C5的一端相连；所述第六电容C6的另一端连接于地；还包括二级分流电阻R_C5，一端连接于第六电阻R6和第六电容C6之间，另一端连接于第五电阻R5和第五电容C5之间。
还包括与第四电容C4并联的第4开关K4；所述第四开关K4与导通时间控制端TON_CONTROL相连，由导通时间控制端TON_CONTROL控制断开或导通，以实现对第四电容C4两端电压的快速卸放。
另外，作为进一步地改进，还包括与第五电容C5并联的第五开关K5；所述第五开关K5与导通时间控制端TON_CONTROL相连，由导通时间控制端TON_CONTROL控制断开或导通，以实现对第五电容C5两端电压的快速卸放。
另外，作为进一步地改进，还包括与第六电容C6并联的第六开关K6；所述第六开关K6与导通时间控制端TON_CONTROL相连，由导通时间控制端TON_CONTROL控制断开或导通，以实现对第六电容C6两端电压的快速卸放。
上述给出了三种具体的电路结构，包括仅有一级RC电路的定时电路，有两级RC电路的定时电路和有三级RC电路的定时电路，均是基于上述的低功耗恒定导通时间定时方法设计的具体电路结构，本领域技术人员同样能够根据各种电路原理，结构上述低功耗恒定导通时间定时方法，设计出其他形式的电路结构，在本发明的低功耗恒定导通时间定时方法设计思路的基础上，所设计的具体形式的电路，均在本发明申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低功耗恒定导通时间定时电路设计方法，具体方法包括：采用RC电路进行定时，消除定时器的静态功耗；
所述方法还包括：向所述RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过所述RC电路中R的电流量，使RC 定时器定时长短与占空比一阶相关；
所述RC电路采用N级的RC电路，包括第一级RC电路和除第一级RC电路外的其他级RC电路，所述其他级RC电路对第一级RC电路的电容充放电电路进行补偿，使得第一级RC电路电容电压输出VOUT*K2之前都保持电容充电电流与VIN一阶相关；所述N为大于等于2的自然数；K2为设定系数；
使得第一级RC电路电容电压输出VOUT*K2之前都保持电容充电电流与VIN一阶相关的具体方法包括：向第一级RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过第一级RC电路中R的电流量，使RC 定时器定时长短与占空比一阶相关；
向第一级RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过第一级RC电路中R的电流量的具体方法为：通过相邻两级RC电路之间的，两端分别接于其中一级RC电路的R和C之间与另一级RC电路的R和C之间的电阻，向第一级RC电路的电容注入电流，使所述注入电流大小等于通过第一级RC电路中R的电流量。
2.根据权利要求1所述的设计方法，所述N等于2或3。
3.一种低功耗恒定导通时间定时电路，其特征在于，包括第四PMOS管M4，源极连接于输入电压VIN，栅极连接于导通时间控制端TON_CONTROL，漏极与第四电阻R4的一端相连；所述第四电阻R4的另一端与第四电容C4的一端相连；所述第四电容C4的另一端连接于地；比较器VCMP输入负极连接参考电压，输入正极连接于第四电容C4和第四电阻R4之间；
还包括第五PMOS管M5，源极连接于输入电压VIN，栅极连接于导通时间控制端TON_CONTROL，漏极与第五电阻R5的一端相连；所述第五电阻R5的另一端与第五电容C5的一端相连；所述第五电容C5的另一端连接于地；还包括一级注流电阻R_C4，一端连接于第五电阻R5和第五电容C5之间，另一端连接于第四电阻R4和第四电容C4之间；
还包括与第四电容C4并联的第四开关K4；所述第四开关K4与导通时间控制端TON_CONTROL相连，由导通时间控制端TON_CONTROL控制断开或导通。
4.根据权利要求3所述的低功耗恒定导通时间定时电路，其特征在于，还包括第六PMOS管M6，源极连接于输入电压VIN，栅极连接于导通时间控制端TON_CONTROL，漏极与第六电阻R6的一端相连；所述第六电阻R6的另一端与第六电容C5的一端相连；所述第六电容C6的另一端连接于地；还包括二级分流电阻R_C5，一端连接于第六电阻R6和第六电容C6之间，另一端连接于第五电阻R5和第五电容C5之间。
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