CN109756215A - 一种多功能开关控制器及可切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能开关控制器及可切换方法，用于将外部输入电压源IVS与导通时具有可控浪涌电流CIC的外部输出负载OL进行可切换连接，包括：用于驱动外部输出负载OL的PMOS晶体管PS；开关控制器SC，包括一个可控放电电流和一个SC输出信号，所述的SC输出信号被称为负载开关控制电压LSCV，开关控制器SC连接到PMOS晶体管PS的栅极以产生具有可控上升时间和压摆率的CIC；输入控制信号引脚/SRO，分别与外部输入按钮IB和开关控制器SC的输入端连接，用于触发开关控制器SC从而产生可控浪涌电流CIC。本发明适用于超便携式应用，如智能手表，健身跟踪器和其他电池寿命至关重要的其他便携式系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种多功能开关控制器及可切换方法。
背景技术
在过去十年中，移动设备激增，从创建便携式数字采集器(PDA)到智能手机的进一步发展，消费者对计算能力更强大的系统的需求一直在急剧上升。诸如智能手表和健身追踪器之类的小型便携式系统的发展已经做到更小的外形尺寸；因而，当要获得智能手机的等效计算能力，便要具有使用寿命更长的电池。便携式系统在使用中需要正确维护，并要通过应用处理器正确地打开和关闭，这些便携式系统可能会遇到与智能手机相同的问题，即系统可能变得无响应，往往需要重置。
目前已经出现了超低Iq(ultra-lowquiescentcurrent，超低静态电流)负载开关、智能版的功率MOSFET，这种负载开关可用于将电池与具有极低泄漏电流的系统完全断开，从而延长小型系统电池的使用寿命。处于开(ON)状态的负载开关的极低RDSON有助于保持其低功耗，并允许电池以将近100％的额定电压输送到负载。负载开关可以配置为使用单个开关输入从而具有多个功能，并且通过按压外部按钮的时间长短分别实现不同的功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多功能开关控制器及可切换方法，其可以用于执行除开开关功能以外的复位和深度睡眠功能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
在其中一个方面，本发明提供了一种多功能开关控制器，用于将外部输入电压源IVS与导通时具有可控浪涌电流CIC的外部输出负载OL进行可切换连接，包括：
i.一个用于驱动外部输出负载OL的PMOS晶体管PS，在PMOS晶体管PS开启时，有可控浪涌电流CIC通过PMOS晶体管PS；
ii.一个开关控制器SC，包括一个可控放电电流和一个SC输出信号，所述的SC输出信号被称为负载开关控制电压LSCV，开关控制器SC连接到PMOS晶体管PS的栅极以产生具有可控上升时间和压摆率的CIC；
和
iii.一个输入控制信号引脚/SRO，分别与外部输入按钮IB和开关控制器SC的输入端连接，用于触发开关控制器SC从而产生可控浪涌电流CIC。
进一步地，所述的一种多功能开关控制器还包括：
i.一个输入引脚VIN，与外部输入电压源IVS连接；(IVS例如是外部电池)
ii.一个输入引脚OFF，与外部信号连接；
iii.一个输入引脚WAKE，与外部信号连接，并且优先级高于输入引脚OFF；
iv.一个输出引脚VOUT，与外部输出负载OL连接；
v.一个接地引脚GND；
vi.一个唤醒功能；
vii.一个深度睡眠功能；
viii.一个复位功能。
进一步地，所述的PMOS晶体管PS包括：
a.一个栅极GP，与负载开关控制电压LSCV电连接；
b.一个源级SP，与输入引脚VIN电连接；
c.一个漏级DP，与驱动外部输出负载OL的输出引脚VOUT电连接；
d.一个基级BP，与源级SP电连接。
进一步地，所述的开关控制器SC包括：
a.一个压摆率控制器SRC，包括：
i.一个第一输入引脚INSRC；
ii.一个第二输入引脚，与输入引脚VIN电连接；
iii.一个输出引脚OUTSRC，与栅极GP电连接；
iv.一个压摆率控制器电路SRCC；
b.一个复位和深度睡眠控制器RDSC，包括：
i.一个第一输入引脚，与输入引脚WAKE电连接；
ii.一个第二输入引脚，与输入引脚OFF电连接；
iii.一个第三输入引脚，与输入引脚/SRO连接；
iv.一个第一输出引脚，与INSRC电连接；
v.一个复位和深度睡眠控制器电路RDSCC。
进一步地，所述的一种多功能开关控制器还包括NMOS下拉晶体管，用于与所述PMOS晶体管PS配合驱动所述输出负载OL，NMOS下拉晶体管包括：
a.一个栅极GN；
b.一个源级SN，与接地引脚GND电连接；
c.一个漏级DN，与输出引脚VOUT电连接；
d.一个基级BN，与源级SN电连接。
进一步地，所述输入控制信号引脚/SRO通过外部输入按钮IB在“开路到VIN”状态和“接近地”状态之间切换，并且输入控制信号引脚/SRO的优先级高于所述输入引脚WAKE和输入引脚OFF。
进一步地，所述的复位和深度睡眠控制器电路RDSCC用于执行ON、OFF、深度睡眠、唤醒和复位功能，包括：
a.三个输入引脚，分别与输入引脚WAKE、输入引脚OFF和输入控制信号引脚/SRO电连接；
b.一个用于控制栅极GP的第一输出引脚；
c.一个开启延迟电路ONDELAY，包括：
a.一个振荡器OSC，该振荡器的输入引脚EN与输入控制信号引脚/SRO的输入端连接；
b.一个2N计时器，该2N计时器的输入引脚CLK与振荡器OSC的输出引脚连接，该2N计时器的输出引脚与开启延迟电路ONDELAY内部的数字电路连接，该内部的数字电路包括一个在该2N计时器已经计数延迟了2N后产生高逻辑电平的输出锁存器；
c.一个包含锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接电路的所有端子和数字元件，并支持所需功能；
d.一个关闭延迟电路OFFDELAY，包括：
a.一个振荡器OSC，该振荡器的输入引脚EN与输入控制信号引脚/SRO连接、或者与输入引脚OFF的输入端连接；
b.一个2N计时器，该2N计时器的输入引脚CLK与振荡器OSC的输出引脚连接，该2N计时器的第一输出引脚和第二输出引脚均与关闭延迟电路OFFDELAY内部的数字电路连接，该内部的数字电路包括一个在该2N计时器已经计数延迟了2N后产生高逻辑电平的输出锁存器；
c.一个包含锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接电路的所有端子和数字元件，并支持所需功能；
e.第一输入锁存器，响应于输入的上升输入等级，与输入引脚WAKE和一个延迟旁路或门电连接，允许唤醒功能在没有任何规定延迟的情况下进行处理；
f.第二输入锁存器，响应于输入引脚OFF信号的上升沿，使用连接OFF功能和关闭延迟电路OFFDELAY中的振荡器OSC的输入路径来控制延迟功能；
g.一个输入门，响应于输入控制信号引脚/SRO信号的低电平，使用连接输入控制信号引脚/SRO与关闭延迟电路OFFDELAY中的振荡器OSC的输入路径来控制OFF功能的延迟功能和复位功能；
h.一个包括锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接复位和深度睡眠控制器电路RSDCC的所有端子和数字元件，并支持所需功能。
进一步地，所述复位和深度睡眠控制器电路RDSCC还包括电连接到栅极GN的第二输出引脚，用于驱动与PMOS晶体管PS配合的NMOS下拉晶体管。
进一步地，所述的唤醒功能包括以下特征：
a.如果先前输出引脚VOUT为低电平且输入控制信号引脚/SRO为高电平，输出引脚VOUT会在输入引脚WAKE上升之后没有任何延迟的上升，从而复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的第一输入锁存器在没有任何规定延迟的情况下导通外部输出负载OL，其中第一输入锁存器响应于上升的输入电平，并且与输入引脚WAKE和RDSCC中的延迟旁路或门电连接，允许唤醒功能在没有任何规定延迟的情况下进行处理；
或
b.如果先前输出引脚VOUT为低电平且输入控制信号引脚/SRO为高电平，当输入控制信号引脚/SRO下降并且在规定的时间内保持在低电平时，输出引脚VOUT根据受控的压摆率上升，从而打开外部输出负载OL；所述规定的时间为开启延迟，优选约2秒左右，通过复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的开启延迟电路ONDELAY和压摆率控制器SRC产生。
进一步地，所述的深度睡眠功能包括以下特征：
a.当输入引脚OFF在规定的延迟后处于上升沿，则输出引脚VOUT根据受控的压摆率下降，从而关闭外部负载或者让外部输出负载OL进入深度睡眠模式；所述规定的延迟为关闭延迟，优选6或7秒左右，该延迟通过复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的关闭延迟电路OFFDELAY和压摆率控制器SRC产生；
和
b.当输入控制信号引脚/SRO在规定的延迟中保持在低电平，则栅极GP下降并且导致输出引脚VOUT下降；规定的延迟优选为2秒。
进一步地，所述复位功能包括以下特征：
当输入控制信号引脚/SRO在规定的延迟中保持低电平，则输出引脚VOUT下降并且在规定的时间内保持低电平，然后上升；该规定的延迟为复位延迟，优选为7秒，通过关闭延迟电路OFFDELAY中的2N计时器进行2N计数；该规定的时间为复位时间，优选为0.4秒，通过开启延迟电路ONDELAY中的2N计时器进行2N-4计数。
进一步地，所述的压摆率控制器电路SRCC包括：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
以及
ii.一个逆变器，所述的逆变器包括NMOS晶体管M1、PMOS晶体管M2、一个输入端、一个输出端、一个电源端子和一个接地端子，其中：
a.逆变器的输出端与栅极GP电连接；
b.逆变器的电源端子与输入引脚VIN电连接；
c.逆变器的接地端子通过一个电阻与接地引脚GND电连接，该电阻用于控制功率PMOS晶体管PS的控制压摆率的放电电流；
d.逆变器的输入端与缓冲器的输出端电连接。
进一步地，所述的压摆率控制器电路SRCC包括：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
ii.一个逆变器，所述的逆变器包括NMOS晶体管M1、PMOS晶体管M2、一个输入端、一个输出端、一个电源端子和一个接地端子，其中：
a.逆变器的输出端与栅极GP电连接；
b.逆变器的电源端子与输入引脚VIN电连接；
c.逆变器的输入端与缓冲器的输出端电连接；
iii.一个电压基准源Vref，优选为带隙基准；
iv.一个基准电流Iref，采自于电压基准源Vref，设置于在电压基准源Vref到地的方向处；
v.一个电流镜电路，允许基准电流Iref除以一个整数N，从而产生一个镜像电流源Iref/N，在NMOS晶体管M1的源级到地的方向，为了实现可控压摆率上升时间超过所需的时间范围，优选为约1ms至2ms。
进一步地，所述的压摆率控制器电路SRCC包括：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
ii.一个逆变器，包括一个输入端和一个输出端，逆变器输入端与缓冲器的输出端电连接；
iii.一个振荡器，包括一个输入端、一个第一时钟输出端CLK和一个第二时钟输出端CLKB，其中，振荡器的输入端与缓冲器的输出端电连接，用于向电流基准斩波电路提供时钟信号，以控制功率PMOS晶体管PS的栅极GP上的压摆率电压；其中时钟的占空比决定电流基准斩波电路的唤醒时间；
iv.一个NMOS晶体管M1，其中：
a.M1的栅极与CLKB电连接；
b.M1的漏级与栅极GP电连接；
v.一个PMOS晶体管M2，其中：
a.M2的栅极与CLKB电连接；
b.M2的源级与栅极GP电连接；
c.M2的漏级与输入引脚VIN电连接；
vi.一个NMOS晶体管M3，其中：
a.M3的栅极与CLK电连接；
b.M3的源级与地电连接；
c.M3的漏级与栅极GP电连接；
vii.一个电压基准源Vref，优选为带隙基准；
vii.一个基准电流Iref，采自于电压基准源Vref，设置于电压基准源Vref到地的方向处；
v.一个电流镜电路，允许基准电流Iref除以一个整数N，从而产生一个镜像电流源Iref/N，在NMOS晶体管M1的源级到地的方向，为了实现可控压摆率上升时间超过所需的时间范围，优选为约30ms。
在另一方面，本发明还提供一种将外部输入电压源IVS与导通时具有可控浪涌电流CIC的外部输出负载OL进行可切换连接的方法，该方法包括提供一个用于可切换的连接外部输入电压源IVS与外部输出负载OL的多功能开关电路MFSC，其中提供一个多功能开关电路MFSC包括提供：
i.一个用于驱动外部输出负载OL的PMOS晶体管PS，在PMOS晶体管PS开启时，有可控浪涌电流CIC通过PMOS晶体管PS；
ii.一个开关控制器SC，包括一个可控放电电流和一个SC输出信号，所述的SC输出信号被称为负载开关控制电压LSCV，开关控制器SC连接到PMOS晶体管PS的栅极以产生具有可控上升时间和压摆率的CIC；
和
iii.一个输入控制信号引脚/SRO，分别与外部输入按钮IB和开关控制器SC的输入端连接，用于触发开关控制器SC从而产生可控浪涌电流CIC。
进一步地，所述的方法还包括提供：
i.一个输入引脚VIN，与外部输入电压源IVS连接；(IVS例如是外部电池)
ii.一个输入引脚OFF，与外部信号连接；
iii.一个输入引脚WAKE，与外部信号连接，并且优先级高于输入引脚OFF；
iv.一个输出引脚VOUT，与外部输出负载OL连接；
v.一个接地引脚GND；
vi.一个唤醒功能；
vii.一个深度睡眠功能；
viii.一个复位功能。
进一步地，提供PMOS晶体管PS包括提供：
a.一个栅极GP，与负载开关控制电压LSCV电连接；
b.一个源级SP，与输入引脚VIN电连接；
c.一个漏级DP，与驱动外部输出负载OL的输出引脚VOUT电连接；
d.一个基级BP，与源级SP电连接
进一步地，提供开关控制器SC包括提供：
a.一个压摆率控制器SRC，包括：
i.一个第一输入引脚INSRC；
ii.一个第二输入引脚，与输入引脚VIN电连接；
iii.一个输出引脚OUTSRC，与栅极GP电连接；
iv.一个压摆率控制器电路SRCC；
b.一个复位和深度睡眠控制器RDSC，包括：
i.一个第一输入引脚，与输入引脚WAKE电连接；
ii.一个第二输入引脚，与输入引脚OFF电连接；
iii.一个第三输入引脚，与输入引脚/SRO连接；
iv.一个第一输出引脚，与INSRC电连接；
v.一个复位和深度睡眠控制器电路RDSCC。
进一步地，所述的方法还包括提供NMOS下拉晶体管，用于与所述PMOS晶体管PS配合驱动所述输出负载OL，提供NMOS下拉晶体管包括提供：
a.一个栅极GN；
b.一个源级SN，与接地引脚GND电连接；
c.一个漏级DN，与输出引脚VOUT电连接；
d.一个基级BN，与源级SN电连接。
进一步地，提供输入控制信号引脚/SRO包括提供一个通过外部输入按钮IB在“开路到VIN”状态和“接近地”状态之间切换的能力，并且输入控制信号引脚/SRO的优先级高于所述输入引脚WAKE和输入引脚OFF。
进一步地，提供用于执行ON、OFF、深度睡眠、唤醒和复位功能的复位和深度睡眠控制器电路RDSCC包括提供：
a.三个输入引脚，分别与输入引脚WAKE、输入引脚OFF和输入控制信号引脚/SRO电连接；
b.一个用于控制栅极GP的第一输出引脚；
c.一个开启延迟电路ONDELAY，包括：
a.一个振荡器OSC，该振荡器的输入引脚EN与输入控制信号引脚/SRO的输入端连接；
b.一个2N计时器，该2N计时器的输入引脚CLK与振荡器OSC的输出引脚连接，该2N计时器的输出引脚与开启延迟电路ONDELAY内部的数字电路连接，该内部的数字电路包括一个在该2N计时器已经计数延迟了2N后产生高逻辑电平的输出锁存器；
c.一个包含锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接电路的所有端子和数字元件，并支持所需功能；
d.一个关闭延迟电路OFFDELAY，包括：
a.一个振荡器OSC，该振荡器的输入引脚EN与输入控制信号引脚/SRO连接、或者与输入引脚OFF的输入端连接；
b.一个2N计时器，该2N计时器的输入引脚CLK与振荡器OSC的输出引脚连接，该2N计时器的第一输出引脚和第二输出引脚均与关闭延迟电路OFFDELAY内部的数字电路连接，该内部的数字电路包括一个在该2N计时器已经计数延迟了2N后产生高逻辑电平的输出锁存器；
c.一个包含锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接电路的所有端子和数字元件，并支持所需功能；
e.第一输入锁存器，响应于输入的上升输入等级，与输入引脚WAKE和一个延迟旁路或门电连接，允许唤醒功能在没有任何规定延迟的情况下进行处理；
f.第二输入锁存器，响应于输入引脚OFF信号的上升沿，使用连接OFF功能和关闭延迟电路OFFDELAY中的振荡器OSC的输入路径来控制延迟功能；
g.一个输入门，响应于输入控制信号引脚/SRO信号的低电平，使用连接输入控制信号引脚/SRO与关闭延迟电路OFFDELAY中的振荡器OSC的输入路径来控制OFF功能的延迟功能和复位功能；
h.一个包括锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接复位和深度睡眠控制器电路RSDCC的所有端子和数字元件，并支持所需功能。
进一步地，提供复位和深度睡眠控制器电路RDSCC还包括提供一个电连接到栅极GN的第二输出引脚，用于驱动与PMOS晶体管PS配合的NMOS下拉晶体管。
进一步地，提供唤醒功能包括提供以下特征：
a.如果先前输出引脚VOUT为低电平且输入控制信号引脚/SRO为高电平，输出引脚VOUT会在输入引脚WAKE上升之后没有任何延迟的上升，从而复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的第一输入锁存器在没有任何规定延迟的情况下导通外部输出负载OL，其中第一输入锁存器响应于上升的输入电平，并且与输入引脚WAKE和RDSCC中的延迟旁路或门电连接，允许唤醒功能在没有任何规定延迟的情况下进行处理；
或
b.如果先前输出引脚VOUT为低电平且输入控制信号引脚/SRO为高电平，当输入控制信号引脚/SRO下降并且在规定的时间内保持在低电平时，输出引脚VOUT根据受控的压摆率上升，从而打开外部输出负载OL；所述规定的时间为开启延迟，优选约2秒左右，通过复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的开启延迟电路ONDELAY和压摆率控制器SRC产生
进一步地，提供深度睡眠功能包括提供以下特征：
a.当输入引脚OFF在规定的延迟后处于上升沿，则输出引脚VOUT根据受控的压摆率下降，从而关闭外部负载或者让外部输出负载OL进入深度睡眠模式；所述规定的延迟为关闭延迟，优选6或7秒左右，该延迟通过复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的关闭延迟电路OFFDELAY和压摆率控制器SRC产生；
和
b.当输入控制信号引脚/SRO在规定的延迟中保持在低电平，则栅极GP下降并且导致输出引脚VOUT下降；规定的延迟优选为2秒。
进一步地，提供复位功能包括提供以下特征：
当输入控制信号引脚/SRO在规定的延迟中保持低电平，则输出引脚VOUT下降并且在规定的时间内保持低电平，然后上升；该规定的延迟为复位延迟，优选为7秒，通过关闭延迟电路OFFDELAY中的2N计时器进行2N计数；该规定的时间为复位时间，优选为0.4秒，通过开启延迟电路ONDELAY中的2N计时器进行2N-4计数。
进一步地，提供压摆率控制器电路SRCC包括提供：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
以及
ii.一个逆变器，所述的逆变器包括NMOS晶体管M1、PMOS晶体管M2、一个输入端、一个输出端、一个电源端子和一个接地端子，其中：
a.逆变器的输出端与栅极GP电连接；
b.逆变器的电源端子与输入引脚VIN电连接；
c.逆变器的接地端子通过一个电阻与接地引脚GND电连接，该电阻用于控制功率PMOS晶体管PS的控制压摆率的放电电流；
d.逆变器的输入端与缓冲器的输出端电连接
进一步地，提供压摆率控制器电路SRCC包括提供：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
ii.一个逆变器，所述的逆变器包括NMOS晶体管M1、PMOS晶体管M2、一个输入端、一个输出端、一个电源端子和一个接地端子，其中：
a.逆变器的输出端与栅极GP电连接；
b.逆变器的电源端子与输入引脚VIN电连接；
c.逆变器的输入端与缓冲器的输出端电连接；
iii.一个电压基准源Vref，优选为带隙基准；
iv.一个基准电流Iref，采自于电压基准源Vref，设置于在电压基准源Vref到地的方向处；
v.一个电流镜电路，允许基准电流Iref除以一个整数N，从而产生一个镜像电流源Iref/N，在NMOS晶体管M1的源级到地的方向，为了实现可控压摆率上升时间超过所需的时间范围，优选为约1ms至2ms。
进一步地，提供压摆率控制器电路SRCC包括提供：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
ii.一个逆变器，包括一个输入端和一个输出端，逆变器输入端与缓冲器的输出端电连接；
iii.一个振荡器，包括一个输入端、一个第一时钟输出端CLK和一个第二时钟输出端CLKB，其中，振荡器的输入端与缓冲器的输出端电连接，用于向电流基准斩波电路提供时钟信号，以控制功率PMOS晶体管PS的栅极GP上的压摆率电压；其中时钟的占空比决定电流基准斩波电路的唤醒时间；
iv.一个NMOS晶体管M1，其中：
a.M1的栅极与CLKB电连接；
b.M1的漏级与栅极GP电连接；
v.一个PMOS晶体管M2，其中：
a.M2的栅极与CLKB电连接；
b.M2的源级与栅极GP电连接；
c.M2的漏级与输入引脚VIN电连接；
vi.一个NMOS晶体管M3，其中：
a.M3的栅极与CLK电连接；
b.M3的源级与地电连接；
c.M3的漏级与栅极GP电连接；
vii.一个电压基准源Vref，优选为带隙基准；
vii.一个基准电流Iref，采自于电压基准源Vref，设置于电压基准源Vref到地的方向处；
v.一个电流镜电路，允许基准电流Iref除以一个整数N，从而产生一个镜像电流源Iref/N，在NMOS晶体管M1的源级到地的方向，为了实现可控压摆率上升时间超过所需的时间范围，优选为约30ms。
本发明的有益效果是：本发明涉及一种多功能开关控制器及可切换方法，用于超便携式应用，如智能手表，健身跟踪器和其他电池寿命至关重要的其他便携式系统。因此，本发明提供一个复位引脚，用户可以简单地按下复位按钮并持续一定时间，例如7秒，电池将被多功能开关控制器断开，然后重新连接，从而实现系统复位。此外，深度睡眠功能也是存储或运送电池供电系统的关键功能，使用深度睡眠功能，制造商可以使用此功能在存储和运输过程中完全断开电池与系统的连接，从而避免电池在储存期间放电，当运输到目的地后，用户可以按下复位按钮一段规定的时间，多功能开关控制器将电池连接到系统，允许系统启动，而无需首先插入电池充电器。
附图说明
结合附图回顾以下对特定实施例的描述，结合附图，使本发明描述的技术特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见，其中：
图1示出了本发明具有复位和深度睡眠能力的多功能开关控制器的整体框图；
图2.1和2.2示出了本发明具有复位和深度睡眠能力的多功能开关控制器的单通道的简化示意图；
图3示出了本发明中的复位功能的时序图；
图4示出了本发明中的深度睡眠功能时序图；
图5示出了本发明中的多功能开关控制器的压摆率控制电路SRCC的一个实施例的示意图；
图6.1和6.2为多功能开关控制器的压摆率控制电路SRCC的第二实施例、其开关的上升时间超过图5所述的发明的上升时间的示意图；
图7.1和7.2为压摆率控制电路SRCC的另一实施例、其开关的上升时间超出本发明图5、图6.1和图6.2所述的发明的上升时间的示意图；
图8.1和8.2示出了在本发明中控制复位功能和深度睡眠功能的延迟时间的延迟电路的框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
本实施例描述了多功能开关控制器MFSC100可被配置为产生系统复位和深度睡眠的双重功能的方法。系统复位在指定时间(例如N秒)之后作出，N秒优选指定时间为1秒-15秒，并且指定时间的启动是由用户不断地按下复位机械开关引起的N秒直到系统单元复位为止，该复位机械开关即是如图1和图2.1-2.2中所示的输入按钮IB105。深度睡眠是通过使用输入引脚OFF进行的，如图1和图2.1-2.2所示。输入引脚OFF上的数字逻辑值在检测到逻辑状态变化后在指定的时间(例如N秒)后被锁存，之后多功能开关控制器MFSC100将自动关闭并保持在关闭(OFF)状态，从而使系统进入“深度睡眠”模式，以节省电力或电池寿命。
在其中一个方面，如图1，图2.1，图2.2和图3-5所示，提供了设备和方法来控制功率多功能开关控制器MFSC100中的PMOS晶体管PS101的栅极电压，以便最小化从电池或电压源流入外部输出负载OL的浪涌电流，其可以由位于多功能开关控制器MFSC100的输出端的电容器CL180简化表示。PMOS晶体管PS101的栅极连接到开关控制器SC107的输出端，并由开关控制器SC107的输出端的控制电压150进行信号控制。开关控制器SC107包括具有复位功能和深度睡眠的复位和深度睡眠控制器RDSC201和连接到复位和深度睡眠控制器RDSC201输出端的压摆率控制电路SRCC211。
其中，优选的，多功能开关控制器MFSC100包括连接在诸如电池或独立电压源的输入电压源和输出负载OL180之间的PMOS晶体管PS101，如图所示，图1-2.2和图6.1-8.2，还包括存储器设备、计算设备或外围设备的组合的各种电子电路。还包括与PMOS晶体管PS101的栅极连接的压摆率控制电路SRCC211、开启延迟电路ONDELAY、关闭延迟电路OFF DELAY。根据多功能开关控制器MFSC100控制下的输出电压的负载要求，PS101的压摆率可以多种方式进行控制。本实施例描述的一些方法包括电阻压摆率控制方法，电流源压摆率控制方法和用于极长导通时间的斩波电流源控制方法。
需要注意的是，在调整压摆率时，对于电压上升所需的时间以及电压上升的幅度都可以进行调整。因此，在本领域中，术语“压摆率”指实际压摆率以及上升时间，并且在本实施例中类似地用于表示两者，以下统称上升时间。
参考附图和详细图，图1示出了多功能开关控制器MFSC的总体框图，包括与多功能开关控制器MFSC100集成在同一集成电路芯片上的压摆率控制电路SRCC211。多功能开关控制器MFSC100连接在VIN输入引脚上的输入电压源与VOUT引脚上的一个或多个输出负载器件OL之间。多功能开关控制器MFSC100的一个目的是为了保护负载装置，使负载装置免受任何由于可能的浪涌电流所造成的可能的过电压环境，该浪涌电流会在输出负载(outputload)OL和输入电压源连接时出现。本实施例的压摆率控制电路SRCC211可以采取许多形式实现本发明。如图1所示，包含在控制块中的是执行复位功能的电路，该电路响应于输入引脚/SRO上的输入逻辑电平变化，并且响应于输入OFF输入引脚上的逻辑输入变化而执行的深睡眠功能所必需的电路。
图2.1-2.2显示了复位和深度睡眠控制系统、压摆率控制电路SRCC211和PMOS负载开关的扩展示意图。
多功能开关控制器MFSC100由/SRO，OFF和WAKE三个输入功能控制。因有这三个功能控件，所以在功能之间需要有一个优先级，这样就不会有冲突。在优选的实施例中，/SRO被设定为三个输入功能中的最优级，其次为WAKE，最后为OFF。唤醒功能被锁存，并被用于将多功能开关控制器MFSC100从OFF关闭状态转换为ON导通状态。输入引脚WAKE从逻辑低电平到高电平跳变时，会无延迟地设置压摆率控制电路SRCC211为ON状态，并会使得压摆率控制电路SRCC开启PMOS晶体管PS101。此外还有另外一种使得多功能开关控制器MFSC100进入ON状态的方法。使用输入引脚/SRO会引起ONDELAY功能组件，如图2.2所示，要求/SRO输入引脚的逻辑电平是处于零状态在指定的时间。这通常是通过机械开关，即输入按钮IB105实现的，如图1和图2所示，输入按钮IB105的一端连接到输入引脚/SRO，输入按钮IB105的另一端接地。由于输入引脚/SRO也可以用于复位，复位的输入按钮IB105按下时间必须与深度睡眠的输入按钮IB105按下时间不同，优选地，开启复位功能时输入按钮IB105按下时间是开启深度睡眠功能时输入按钮IB105按下时间的2-3倍。例如，假设开启复位功能的输入按钮IB105按下的时间大约为6秒，那么开启深睡眠功能的输入按钮IB105按下的时间则设置为2秒。这样，输入引脚/SRO即通过输入按钮IB105按下时间的不同执行了双重功能。深度睡眠功能也可以由输入引脚OFF控制。在本实施例中，该深度睡眠功能与复位功能同时连接到关闭延迟OFFDELAY电路，不同之处在于输入引脚/SRO需要连续按压按钮N秒时间才能发生复位功能，而输入引脚OFF仅需锁存一次，N秒延迟必须运行到超时并且多功能开关控制器MFSC100被关闭为止。
图3显示了输入引脚/SRO复位功能的相关时序图。在时间T1，闭合输入引脚WAKE使多功能开关控制器MFSC100接通，从而在受控的压摆率下将输出引脚VOUT连接到输入引脚VIN。在时间T2，按压输入引脚/SRO使OFF定时器开始计数；然而因输入引脚/SRO在off定时器计数到N秒之前就释放回至高电平，因而没有任何动作发生。在时间T3，再次输入引脚/SRO输入为低电平，OFF定时器再次开始计数。由于此时输入引脚/SRO至少在第一指定的复位时间(例如规定的N秒)内保持低电平状态，所以在时间T4启动复位功能，通过将输入引脚VIN与输出引脚VOUT断开，使VOUT电压降至零伏特，等待几百毫秒后，多功能开关控制器MFSC100重新使能，通过压摆率控制电路SRCC211控制VIN电压再次返回到输出端VOUT上的负载。
图4示出了优选实施例的深度睡眠功能时序图。在该时序图中，WAKE功能再次用于在时间T1将输出引脚VOUT连接到VIN电压。在时间T2，OFF输入被施加为高电平，使得OFF信号被锁存，因此OFF信号可以返回到低电平或保持高电平。然后，关闭延迟定时器启动N秒。在N秒延迟结束时，多功能开关控制器MFSC100在时间T3关闭，VOUT电压降至零伏，直到/SRO输入或WAKE输入重新开启多功能开关控制器MFSC100。
图5示出了图2中关闭延迟OFFDELAY模块205的简化示意图。该电路包含一个振荡器，一个2N计时器和一个控制逻辑块包含锁存器/触发器和逻辑门的数字电路。当OFFDELAY模块被使能时，有两个可能的输出路径，深度睡眠功能和复位功能各一个输出路径。当OFF输入为高电平时，选择DLY(深睡眠)输出的逻辑路径，因为/SRO输入也为高电平，导致深度睡眠功能。但是，当/SRO输入设置为逻辑低电平时，由于/SRO输入的优先级较高，OFF输入被设置为逻辑低电平，并且选择RST输出的路径实现复位功能。
图6.1和6.2说明了如何配置简单形式的压摆率控制。该实施例的压摆率控制电路SRCC211包括连接到复位控制逻辑的缓冲器601。该缓冲器的输出随后被连接到一个反相器，该反相器由一个标有M2的PMOS上拉晶体管和一个标记为M1的NMOS下拉晶体管组成。为了控制PMOS晶体管PS101的栅极电压的压摆率，在NMOS晶体管M1的源极和地之间放置一个电阻器R616。因此，产生用于下拉PMOS负载开关的栅极电压的电流为：
IDSCG＝(VGATE-VDS(M1))/R (1)
可以通过以下等式来计算PMOS晶体管PS101的栅极放电的速率：
DischargeTime＝CGATE*VIN/IDSCG (2)
在本发明的一个实施例中，如图6.1所示，多功能开关控制器MFSC100包括具有复位功能和深度睡眠功能的复位和深度睡眠控制器RDSC201。多功能开关控制器MFSC100还包括连接到RDSC201输出端的压摆率控制电路SRCC211。SRCC211集成有输入缓冲器601。开关控制器SC107的状态由提供给缓冲器601输入引脚的信号208控制。缓冲器601的输出端连接到由PMOS晶体管M2和NMOS晶体管M1形成和配置的逆变器602的输入端。逆变器602中的NMOS晶体管M1的源极具有连接到地的电阻器R616。此外，它被配置为使用输入按钮IB105将压摆率控制的多功能开关电路MFSC100打开或关闭。输入按钮IB105具有上拉电阻器Rup221，上拉电阻器Rup221的第一端连接到具有电压VIN的输入引脚VIN或电池的端子，上拉电阻器Rup221的第二端通过ON或OFF的简单功能连接到输入按钮IB105的第一端，输入按钮IB105的第二端接地。输入按钮IB105的第一端连接到形成称为“/SRO”节点或引脚的节点的上拉电阻器Rup221的第二端。当MFSC100处于关闭状态时，如果输入按钮IB105被按下第一时间段(例如2秒)后被释放，那么MFSC100从关闭状态变为开启状态，从而以受控的方式将输入引脚VIN连接到多功能开关控制器MFSC100的输出引脚VOUT。其次，当多功能开关控制器MFSC100处于开启状态时，如果输入按钮IB105被按下第二时间段，例如7秒，MFSC100可以被置于复位模式。在复位模式期间，多功能开关控制器MFSC100首先在第三时间段内关闭，例如0.4秒，然后在第三时间段结束时重新启动，从而将负载重新连接到输入电压。可以添加另外的功能，通过添加额外的输入引脚来提供“深度睡眠”功能。该引脚可以标记为“OFF”，其功能是在规定的延迟时间之后将MFSC100转到关闭状态，从而将系统置于“深度睡眠”模式，直到输入按钮IB105被按下为第一时间段，例如2秒，允许唤醒功能发生。可以添加进一步的功能来为设计者提供更多的灵活性。在本实施例中，在电池新连接VIN引脚之后，多功能开关控制器MFSC100仍保持在其原始关闭模式。为了打开多功能开关控制器MFSC100，输入按钮IB105必须按下规定的时间，例如约7秒钟。为了更快地打开多功能开关控制器MFSC100，一个额外的输入功能被添加为“WAKE”。首先如果用户要求在将电池连接到输入引脚VIN后MFSC100处于开启状态，则可以使用电阻将输入引脚WAKE连接到输入引脚VIN来使用WAKE引脚。这将迫使MFSC100进入开启状态，不需要等待像第一时间段那样的时间。
为了实现更长的受控上升时间压摆率，另外一个实施例还描述了控制电路的另一种实现方式。
在特定的实施例中，图6.1和6.2中的电阻器R616由图7.1和7.2中的电流镜701替代。如图7.1-7.2所示，PMOS晶体管(PS)101的栅极电压由包括参考电流Iref的受控上升时间压摆率控制电路(SRCC)211提供。受控上升时间压摆率控制电路(SRCC)211的开/关状态的受控上升时间由使能引脚208的信号控制，当导通时，Iref电流将除以电流镜比，从而实现PS101必要的压摆率放电。相对于使用电阻器来控制开关栅极的电流放电，采用此种方式时栅极放电电流显着降低，这种技术在当PMOS晶体管PS101的导通时间需要延长一定时间(例如1-2ms)时使用，这是基于电阻器的解决方案的实际限制。
在更进一步的实施例中，如图8.1-8.2所示，可以使用振荡器802来斩波电流基准源Iref的电流并且导致PMOS晶体管(PS)101以更长的压摆率受控放电。振荡器的频率可以通过施加的电压进行设定为刚开始时最缓慢的上升，例如上升时间为30ms，则对应于最低施加电压。如果需要更短的上升时间，则可以提高控制电压使压控振荡器的频率增加，从而减少上升时间。
尽管已经具体描述了实施例，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员应当容易看到各种变化，修改和替代的形式和细节。因此，应当理解，在许多情况下，将不使用其它特征来使用一些特征。此外，本领域技术人员将理解，可以对上述附图中所示的部件的数量和布置进行变化。
Claims (28)
1.一种多功能开关控制器，用于将外部输入电压源IVS与导通时具有可控浪涌电流CIC的外部输出负载OL进行可切换连接，其特征在于：包括：
i.一个用于驱动外部输出负载OL的PMOS晶体管PS，在PMOS晶体管PS开启时，有可控浪涌电流CIC通过PMOS晶体管PS；
ii.一个开关控制器SC，包括一个可控放电电流和一个SC输出信号，所述的SC输出信号被称为负载开关控制电压LSCV，开关控制器SC连接到PMOS晶体管PS的栅极以产生具有可控上升时间和压摆率的CIC；
和
iii.一个输入控制信号引脚/SRO，分别与外部输入按钮IB和开关控制器SC的输入端连接，用于触发开关控制器SC从而产生可控浪涌电流CIC。
2.根据权利要求1所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：还包括：
i.一个输入引脚VIN，与外部输入电压源IVS连接；
ii.一个输入引脚OFF，与外部信号连接；
iii.一个输入引脚WAKE，与外部信号连接，并且优先级高于输入引脚OFF；
iv.一个输出引脚VOUT，与外部输出负载OL连接；
v.一个接地引脚GND；
vi.一个唤醒功能；
vii.一个深度睡眠功能；
viii.一个复位功能。
3.根据权利要求2所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述的PMOS晶体管PS包括：
a.一个栅极GP，与负载开关控制电压LSCV电连接；
b.一个源级SP，与输入引脚VIN电连接；
c.一个漏级DP，与驱动外部输出负载OL的输出引脚VOUT电连接；
d.一个基级BP，与源级SP电连接。
4.根据权利要求3所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述的开关控制器SC包括：
a.一个压摆率控制器SRC，包括：
i.一个第一输入引脚INSRC；
ii.一个第二输入引脚，与输入引脚VIN电连接；
iii.一个输出引脚OUTSRC，与栅极GP电连接；
iv.一个压摆率控制器电路SRCC；
b.一个复位和深度睡眠控制器RDSC，包括：
i.一个第一输入引脚，与输入引脚WAKE电连接；
ii.一个第二输入引脚，与输入引脚OFF电连接；
iii.一个第三输入引脚，与输入引脚/SRO连接；
iv.一个第一输出引脚，与INSRC电连接；
v.一个复位和深度睡眠控制器电路RDSCC。
5.根据权利要求1所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：还包括NMOS下拉晶体管，用于与所述PMOS晶体管PS配合驱动所述输出负载OL，NMOS下拉晶体管包括：
a.一个栅极GN；
b.一个源级SN，与接地引脚GND电连接；
c.一个漏级DN，与输出引脚VOUT电连接；
d.一个基级BN，与源级SN电连接。
6.根据权利要求2所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述输入控制信号引脚/SRO通过外部输入按钮IB在“开路到VIN”状态和“接近地”状态之间切换，并且输入控制信号引脚/SRO的优先级高于所述输入引脚WAKE和输入引脚OFF。
7.根据权利要求4所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述的复位和深度睡眠控制器电路RDSCC用于执行ON、OFF、深度睡眠、唤醒和复位功能，包括：
a.三个输入引脚，分别与输入引脚WAKE、输入引脚OFF和输入控制信号引脚/SRO电连接；
b.一个用于控制栅极GP的第一输出引脚；
c.一个开启延迟电路ON DELAY，包括：
a.一个振荡器OSC，该振荡器的输入引脚EN与输入控制信号引脚/SRO的输入端连接；
b.一个2N计时器，该2N计时器的输入引脚CLK与振荡器OSC的输出引脚连接，该2N计时器的输出引脚与开启延迟电路ON DELAY内部的数字电路连接，该内部的数字电路包括一个在该2N计时器已经计数延迟了2N后产生高逻辑电平的输出锁存器；
c.一个包含锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接电路的所有端子和数字元件，并支持所需功能；
d.一个关闭延迟电路OFF DELAY，包括：
a.一个振荡器OSC，该振荡器的输入引脚EN与输入控制信号引脚/SRO连接、或者与输入引脚OFF的输入端连接；
b.一个2N计时器，该2N计时器的输入引脚CLK与振荡器OSC的输出引脚连接，该2N计时器的第一输出引脚和第二输出引脚均与关闭延迟电路OFF DELAY内部的数字电路连接，该内部的数字电路包括一个在该2N计时器已经计数延迟了2N后产生高逻辑电平的输出锁存器；
c.一个包含锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接电路的所有端子和数字元件，并支持所需功能；
e.第一输入锁存器，响应于输入的上升输入等级，与输入引脚WAKE和一个延迟旁路或门电连接，允许唤醒功能在没有任何规定延迟的情况下进行处理；
f.第二输入锁存器，响应于输入引脚OFF信号的上升沿，使用连接OFF功能和关闭延迟电路OFF DELAY中的振荡器OSC的输入路径来控制延迟功能；
g.一个输入门，响应于输入控制信号引脚/SRO信号的低电平，使用连接输入控制信号引脚/SRO与关闭延迟电路OFF DELAY中的振荡器OSC的输入路径来控制OFF功能的延迟功能和复位功能；
h.一个包括锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接复位和深度睡眠控制器电路RSDCC的所有端子和数字元件，并支持所需功能。
8.根据权利要求7所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述复位和深度睡眠控制器电路RDSCC还包括电连接到栅极GN的第二输出引脚，用于驱动与PMOS晶体管PS配合的NMOS下拉晶体管。
9.根据权利要求7所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述的唤醒功能包括以下特征：
a.如果先前输出引脚VOUT为低电平且输入控制信号引脚/SRO为高电平，输出引脚VOUT会在输入引脚WAKE上升之后没有任何延迟的上升，从而复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的第一输入锁存器在没有任何规定延迟的情况下导通外部输出负载OL，其中第一输入锁存器响应于上升的输入电平，并且与输入引脚WAKE和RDSCC中的延迟旁路或门电连接，允许唤醒功能在没有任何规定延迟的情况下进行处理；
或
b.如果先前输出引脚VOUT为低电平且输入控制信号引脚/SRO为高电平，当输入控制信号引脚/SRO下降并且在规定的时间内保持在低电平时，输出引脚VOUT根据受控的压摆率上升，从而打开外部输出负载OL；所述规定的时间为开启延迟，通过复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的开启延迟电路ON DELAY和压摆率控制器SRC产生。
10.根据权利要求7所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述的深度睡眠功能包括以下特征：
a.当输入引脚OFF在规定的延迟后处于上升沿，则输出引脚VOUT根据受控的压摆率下降，从而关闭外部负载或者让外部输出负载OL进入深度睡眠模式；所述规定的延迟为关闭延迟，该延迟通过复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的关闭延迟电路OFF DELAY和压摆率控制器SRC产生；
和
b.当输入控制信号引脚/SRO在规定的延迟中保持在低电平，则栅极GP下降并且导致输出引脚VOUT下降。
11.根据权利要求7所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述复位功能包括以下特征：
当输入控制信号引脚/SRO在规定的延迟中保持低电平，则输出引脚VOUT下降并且在规定的时间内保持低电平，然后上升；该规定的延迟为复位延迟，通过关闭延迟电路OFFDELAY中的2N计时器进行2N计数；该规定的时间为复位时间，通过开启延迟电路ON DELAY中的2N计时器进行2N-4计数。
12.根据权利要求7所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述的压摆率控制器电路SRCC包括：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
以及
ii.一个逆变器，所述的逆变器包括NMOS晶体管M1、PMOS晶体管M2、一个输入端、一个输出端、一个电源端子和一个接地端子，其中：
a.逆变器的输出端与栅极GP电连接；
b.逆变器的电源端子与输入引脚VIN电连接；
c.逆变器的接地端子通过一个电阻与接地引脚GND电连接，该电阻用于控制功率PMOS晶体管PS的控制压摆率的放电电流；
d.逆变器的输入端与缓冲器的输出端电连接。
13.根据权利要求7所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述的压摆率控制器电路SRCC包括：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
ii.一个逆变器，所述的逆变器包括NMOS晶体管M1、PMOS晶体管M2、一个输入端、一个输出端、一个电源端子和一个接地端子，其中：
a.逆变器的输出端与栅极GP电连接；
b.逆变器的电源端子与输入引脚VIN电连接；
c.逆变器的输入端与缓冲器的输出端电连接；
iii.一个电压基准源Vref；
iv.一个基准电流Iref，采自于电压基准源Vref，设置于在电压基准源Vref到地的方向处；
v.一个电流镜电路，允许基准电流Iref除以一个整数N，从而产生一个镜像电流源Iref/N，在NMOS晶体管M1的源级到地的方向，为了实现可控压摆率上升时间超过所需的时间范围。
14.根据权利要求7所述的一种多功能开关控制器，其特征在于：所述的压摆率控制器电路SRCC包括：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
ii.一个逆变器，包括一个输入端和一个输出端，逆变器输入端与缓冲器的输出端电连接；
iii.一个振荡器，包括一个输入端、一个第一时钟输出端CLK和一个第二时钟输出端CLKB，其中，振荡器的输入端与缓冲器的输出端电连接，用于向电流基准斩波电路提供时钟信号，以控制功率PMOS晶体管PS的栅极GP上的压摆率电压；其中时钟的占空比决定电流基准斩波电路的唤醒时间；
iv.一个NMOS晶体管M1，其中：
a.M1的栅极与CLKB电连接；
b.M1的漏级与栅极GP电连接；
v.一个PMOS晶体管M2，其中：
a.M2的栅极与CLKB电连接；
b.M2的源级与栅极GP电连接；
c.M2的漏级与输入引脚VIN电连接；
vi.一个NMOS晶体管M3，其中：
a.M3的栅极与CLK电连接；
b.M3的源级与地电连接；
c.M3的漏级与栅极GP电连接；
vii.一个电压基准源Vref；
vii.一个基准电流Iref，采自于电压基准源Vref，设置于电压基准源Vref到地的方向处；
v.一个电流镜电路，允许基准电流Iref除以一个整数N，从而产生一个镜像电流源Iref/N，在NMOS晶体管M1的源级到地的方向，为了实现可控压摆率上升时间超过所需的时间范围。
15.一种将外部输入电压源IVS与导通时具有可控浪涌电流CIC的外部输出负载OL进行可切换连接的方法，该方法包括提供一个用于可切换的连接外部输入电压源IVS与外部输出负载OL的多功能开关电路MFSC，其中提供一个多功能开关电路MFSC包括提供：
i.一个用于驱动外部输出负载OL的PMOS晶体管PS，在PMOS晶体管PS开启时，有可控浪涌电流CIC通过PMOS晶体管PS；
ii.一个开关控制器SC，包括一个可控放电电流和一个SC输出信号，所述的SC输出信号被称为负载开关控制电压LSCV，开关控制器SC连接到PMOS晶体管PS的栅极以产生具有可控上升时间和压摆率的CIC；
和
iii.一个输入控制信号引脚/SRO，分别与外部输入按钮IB和开关控制器SC的输入端连接，用于触发开关控制器SC从而产生可控浪涌电流CIC。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述的方法还包括提供：
i.一个输入引脚VIN，与外部输入电压源IVS连接；
ii.一个输入引脚OFF，与外部信号连接；
iii.一个输入引脚WAKE，与外部信号连接，并且优先级高于输入引脚OFF；
iv.一个输出引脚VOUT，与外部输出负载OL连接；
v.一个接地引脚GND；
vi.一个唤醒功能；
vii.一个深度睡眠功能；
viii.一个复位功能。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：提供PMOS晶体管PS包括提供：
a.一个栅极GP，与负载开关控制电压LSCV电连接；
b.一个源级SP，与输入引脚VIN电连接；
c.一个漏级DP，与驱动外部输出负载OL的输出引脚VOUT电连接；
d.一个基级BP，与源级SP电连接。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：提供开关控制器SC包括提供：
a.一个压摆率控制器SRC，包括：
i.一个第一输入引脚INSRC；
ii.一个第二输入引脚，与输入引脚VIN电连接；
iii.一个输出引脚OUTSRC，与栅极GP电连接；
iv.一个压摆率控制器电路SRCC；
b.一个复位和深度睡眠控制器RDSC，包括：
i.一个第一输入引脚，与输入引脚WAKE电连接；
ii.一个第二输入引脚，与输入引脚OFF电连接；
iii.一个第三输入引脚，与输入引脚/SRO连接；
iv.一个第一输出引脚，与INSRC电连接；
v.一个复位和深度睡眠控制器电路RDSCC。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：还包括提供NMOS下拉晶体管，用于与所述PMOS晶体管PS配合驱动所述输出负载OL，提供NMOS下拉晶体管包括提供：
a.一个栅极GN；
b.一个源级SN，与接地引脚GND电连接；
c.一个漏级DN，与输出引脚VOUT电连接；
d.一个基级BN，与源级SN电连接。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：提供输入控制信号引脚/SRO包括提供一个通过外部输入按钮IB在“开路到VIN”状态和“接近地”状态之间切换的能力，并且输入控制信号引脚/SRO的优先级高于所述输入引脚WAKE和输入引脚OFF。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：提供用于执行ON、OFF、深度睡眠、唤醒和复位功能的复位和深度睡眠控制器电路RDSCC包括提供：
a.三个输入引脚，分别与输入引脚WAKE、输入引脚OFF和输入控制信号引脚/SRO电连接；
b.一个用于控制栅极GP的第一输出引脚；
c.一个开启延迟电路ON DELAY，包括：
a.一个振荡器OSC，该振荡器的输入引脚EN与输入控制信号引脚/SRO的输入端连接；
b.一个2N计时器，该2N计时器的输入引脚CLK与振荡器OSC的输出引脚连接，该2N计时器的输出引脚与开启延迟电路ON DELAY内部的数字电路连接，该内部的数字电路包括一个在该2N计时器已经计数延迟了2N后产生高逻辑电平的输出锁存器；
c.一个包含锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接电路的所有端子和数字元件，并支持所需功能；
d.一个关闭延迟电路OFF DELAY，包括：
a.一个振荡器OSC，该振荡器的输入引脚EN与输入控制信号引脚/SRO连接、或者与输入引脚OFF的输入端连接；
b.一个2N计时器，该2N计时器的输入引脚CLK与振荡器OSC的输出引脚连接，该2N计时器的第一输出引脚和第二输出引脚均与关闭延迟电路OFF DELAY内部的数字电路连接，该内部的数字电路包括一个在该2N计时器已经计数延迟了2N后产生高逻辑电平的输出锁存器；
c.一个包含锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接电路的所有端子和数字元件，并支持所需功能；
e.第一输入锁存器，响应于输入的上升输入等级，与输入引脚WAKE和一个延迟旁路或门电连接，允许唤醒功能在没有任何规定延迟的情况下进行处理；
f.第二输入锁存器，响应于输入引脚OFF信号的上升沿，使用连接OFF功能和关闭延迟电路OFF DELAY中的振荡器OSC的输入路径来控制延迟功能；
g.一个输入门，响应于输入控制信号引脚/SRO信号的低电平，使用连接输入控制信号引脚/SRO与关闭延迟电路OFF DELAY中的振荡器OSC的输入路径来控制OFF功能的延迟功能和复位功能；
h.一个包括锁存器/触发器和逻辑门的数字电路，用于连接复位和深度睡眠控制器电路RSDCC的所有端子和数字元件，并支持所需功能。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：提供复位和深度睡眠控制器电路RDSCC还包括提供一个电连接到栅极GN的第二输出引脚，用于驱动与PMOS晶体管PS配合的NMOS下拉晶体管。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：提供唤醒功能包括提供以下特征：
a.如果先前输出引脚VOUT为低电平且输入控制信号引脚/SRO为高电平，输出引脚VOUT会在输入引脚WAKE上升之后没有任何延迟的上升，从而复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的第一输入锁存器在没有任何规定延迟的情况下导通外部输出负载OL，其中第一输入锁存器响应于上升的输入电平，并且与输入引脚WAKE和RDSCC中的延迟旁路或门电连接，允许唤醒功能在没有任何规定延迟的情况下进行处理；
或
b.如果先前输出引脚VOUT为低电平且输入控制信号引脚/SRO为高电平，当输入控制信号引脚/SRO下降并且在规定的时间内保持在低电平时，输出引脚VOUT根据受控的压摆率上升，从而打开外部输出负载OL；所述规定的时间为开启延迟，通过复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的开启延迟电路ON DELAY和压摆率控制器SRC产生。
24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：提供深度睡眠功能包括提供以下特征：
a.当输入引脚OFF在规定的延迟后处于上升沿，则输出引脚VOUT根据受控的压摆率下降，从而关闭外部负载或者让外部输出负载OL进入深度睡眠模式；所述规定的延迟为关闭延迟，该延迟通过复位和深度睡眠控制器电路RDSCC中的关闭延迟电路OFF DELAY和压摆率控制器SRC产生；
和
b.当输入控制信号引脚/SRO在规定的延迟中保持在低电平，则栅极GP下降并且导致输出引脚VOUT下降。
25.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：提供复位功能包括提供以下特征：
当输入控制信号引脚/SRO在规定的延迟中保持低电平，则输出引脚VOUT下降并且在规定的时间内保持低电平，然后上升；该规定的延迟为复位延迟，通过关闭延迟电路OFFDELAY中的2N计时器进行2N计数；该规定的时间为复位时间，通过开启延迟电路ON DELAY中的2N计时器进行2N-4计数。
26.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：提供压摆率控制器电路SRCC包括提供：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
以及
ii.一个逆变器，所述的逆变器包括NMOS晶体管M1、PMOS晶体管M2、一个输入端、一个输出端、一个电源端子和一个接地端子，其中：
a.逆变器的输出端与栅极GP电连接；
b.逆变器的电源端子与输入引脚VIN电连接；
c.逆变器的接地端子通过一个电阻与接地引脚GND电连接，该电阻用于控制功率PMOS晶体管PS的控制压摆率的放电电流；
d.逆变器的输入端与缓冲器的输出端电连接。
27.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：提供压摆率控制器电路SRCC包括提供：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
ii.一个逆变器，所述的逆变器包括NMOS晶体管M1、PMOS晶体管M2、一个输入端、一个输出端、一个电源端子和一个接地端子，其中：
a.逆变器的输出端与栅极GP电连接；
b.逆变器的电源端子与输入引脚VIN电连接；
c.逆变器的输入端与缓冲器的输出端电连接；
iii.一个电压基准源Vref；
iv.一个基准电流Iref，采自于电压基准源Vref，设置于在电压基准源Vref到地的方向处；
v.一个电流镜电路，允许基准电流Iref除以一个整数N，从而产生一个镜像电流源Iref/N，在NMOS晶体管M1的源级到地的方向，为了实现可控压摆率上升时间超过所需的时间范围。
28.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：提供压摆率控制器电路SRCC包括提供：
i.一个缓冲器，所述的缓冲器包括一个输入端和一个输出端，缓冲器的输入端与复位和深度睡眠控制器电路RDSCC的第一输出引脚电连接；
ii.一个逆变器，包括一个输入端和一个输出端，逆变器输入端与缓冲器的输出端电连接；
iii.一个振荡器，包括一个输入端、一个第一时钟输出端CLK和一个第二时钟输出端CLKB，其中，振荡器的输入端与缓冲器的输出端电连接，用于向电流基准斩波电路提供时钟信号，以控制功率PMOS晶体管PS的栅极GP上的压摆率电压；其中时钟的占空比决定电流基准斩波电路的唤醒时间；
iv.一个NMOS晶体管M1，其中：
a.M1的栅极与CLKB电连接；
b.M1的漏级与栅极GP电连接；
v.一个PMOS晶体管M2，其中：
a.M2的栅极与CLKB电连接；
b.M2的源级与栅极GP电连接；
c.M2的漏级与输入引脚VIN电连接；
vi.一个NMOS晶体管M3，其中：
a.M3的栅极与CLK电连接；
b.M3的源级与地电连接；
c.M3的漏级与栅极GP电连接；
vii.一个电压基准源Vref；
vii.一个基准电流Iref，采自于电压基准源Vref，设置于电压基准源Vref到地的方向处；
v.一个电流镜电路，允许基准电流Iref除以一个整数N，从而产生一个镜像电流源Iref/N，在NMOS晶体管M1的源级到地的方向，为了实现可控压摆率上升时间超过所需的时间范围。
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| CN201711080505.3A CN109756215A (zh) | 2017-11-06 | 2017-11-06 | 一种多功能开关控制器及可切换方法 |
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