CN110391741A

CN110391741A - 电源系统

Info

Publication number: CN110391741A
Application number: CN201910304135.XA
Authority: CN
Inventors: F·德吕耶; P·亚诺; A·因格勒塞; M·A·卡拉诺
Original assignee: Italian Semiconductor (alps) Co Ltd; STMicroelectronics SRL
Current assignee: Italian Semiconductor (alps) Co Ltd; STMicroelectronics Alps SAS; STMicroelectronics SRL
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2019-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-16
Also published as: US11742757B2; US20220271663A1; US20190319538A1; US11283353B2; CN110391741B; FR3080229A1; EP3557740B1; CN209627238U; EP3557740A1

Abstract

一种电源系统，包括：第一节点，被配置为由电压施加源直接供电，或者通过耦合到电压施加源的开关模式电源供电。

Description

电源系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年4月17日提交的法国专利申请No.1853363的优先权，该申请通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及用于为电路供电的电源系统，并且在特定实施例中，涉及包括数字部分和模拟部分的电路。

背景技术

各种类型的产品包括数字电路和模拟电路，更具体地是模拟无线电波发射和/或接收电路。这些是例如包括射频连接(蓝牙、wifi等)的所有设备(手机、平板电脑、打印机等)。这些产品通常是便携式设备，对其而言功耗是主要问题。

用于为这种设备供电的系统通常包括DC/DC转换器和线性稳压器。线性稳压器可确保在数字电路电平的快速电压变化，而不会对模拟电路造成重大变化。DC/DC转换器在降低或升高电压的同时确保保持所提供的功率。因此，它们比线性稳压器具有更好的效率。然而，DC/DC转换器具有比线性稳压器更高的功耗。

发明内容

一个实施例提供了一种电源系统，包括：第一节点，被配置为由电压施加源直接供电或者通过开关模式电源供电。

根据一个实施例，开关模式电源由电压施加源供电。

根据一个实施例，第一节点通过电感耦合到开关模式电源的输出。

根据一个实施例，节点被配置为由电力存储元件供电。

根据一个实施例，电力存储元件是耦合在第一节点和参考电位(例如，电路接地)之间的电容器。

根据一个实施例，该系统为数字电路和模拟电路供电。

根据一个实施例，数字电路包括至少一个存储器以及至少一个逻辑电路或至少一个处理单元。

根据一个实施例，该系统包括耦合在数字电路和第一节点之间的第一线性调节器。

根据一个实施例，该系统包括耦合在电压施加源和第一调节器的输出节点之间的第二线性调节器。

根据一个实施例，模拟电路包括无线电波发射和/或接收电路。

根据一个实施例，该系统包括耦合在第一节点和模拟电路之间的第三线性调节器。

根据一个实施例，该系统包括：第一比较器，被配置为将由电压施加源提供的电压的值与第一阈值进行比较。

根据实施例，该系统包括：第二比较器，被配置为将第一节点上的电压与第二阈值进行比较。

根据一个实施例，一种使用先前描述的系统的方法包括如下操作模式，其中第一节点由开关模式电源供电，其中第一调节器在运行，并且其中至少一个存储器和至少一个逻辑电路被供电。

根据一个实施例，使用先前描述的系统的方法包括如下实施方式，其中第一节点由电力存储元件供电，第一调节器未运行，第二调节器在运行，并且至少一个存储器和至少一个逻辑电路被供电。

根据一个实施例，一种使用先前描述的系统的方法包括如下操作模式，其中第一节点由电力存储元件供电，第一调节器未运行，第二调节器在运行，至少一个存储器被供电，并且至少一个逻辑电路没有被供电。

根据一个实施例，系统的启动包括第一节点由电压施加源供电的步骤，随后是第一节点由开关模式电源的输出供电的步骤。

根据一个实施例，系统的启动包括：

启动电压施加源；

发起开关模式电源的初始化；

当电压施加源提供的电压大于第一阈值时，将第一节点连接到所述电压施加源；

启动第一调节器；

当第一调节器的输入节点处的电压大于第二阈值时，启动数字电路；以及

当开关模式电源被初始化时，将第一节点连接到开关模式电源的输出。

在下面结合附图对特定实施例的非限制性描述中将详细讨论前述和其他的特征与优势。

附图说明

图1是电源系统的一个实施例的简化表示。

图2是示出图1的系统的启动的时序图。

图3是示出图1的系统的操作模式的时序图。

图4是示出图1的系统的另一操作模式的时序图。

图5是示出图1的系统的另一操作模式的时序图。

图6是示出图1的系统的另一操作模式的时序图。

具体实施方式

在各个附图中，相同的元件用相同的附图标记表示，并且各个附图未按比例绘制。为清楚起见，仅示出了并且详细描述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。

在以下描述中，当提及量化绝对位置的术语时，例如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等，或提及量化相对位置的术语时，例如术语“上方”、“下方”、“上”、“下”等，或提及量化方向的术语时，例如“水平”、“垂直”等术语，指的是所涉及的元件在图中的定向。除非另有说明，否则术语“大约”、“基本上”、“约”和“量级”在本文中用于表示在讨论值的正负10％、优选正负5％的公差内。

除非另有说明，否则当提及连接在一起的两个元件时，这意味着元件直接连接而没有导体以外的中间元件，并且当提及耦合在一起的两个元件时，这意味着这两个元件可以直接耦合(连接)或者经由一个或多个其他元件耦合。

图1是电源系统10的实施例的框图形式的简化表示。更具体地，该系统为模拟电路供电，例如射频发射和/或接收电路12(在图1中标记为RF的块)。该系统还为数字电路供电，例如至少一个处理单元14(PU)和/或逻辑电路以及至少一个存储器16(在图1中标记为MEM的块)。存储器16可以包括一个或多个易失性存储器和一个或多个非易失性存储器。

系统10包括DC/DC转换器，例如开关模式电源18(在图1中标记为SMPS的块)。转换器18连接到由轨线20示出的电压Vdd的施加源。因此，转换器在其输入22处接收电压Vdd。转换器还接收时钟信号CLK。

这种转换器的缺点在于它需要相对长的初始化时段，例如在10μs到100μs的范围内，在此期间输出电压不足以为电路供电。

转换器18的输出24通过电感28耦合到节点V1。节点V1还通过电容器30耦合到地。例如，电容器30具有大约1μF到10μF的电容。电感28例如在1μH至22μH的范围内。

转换器18包括由控制电路26控制的两个开关31和33。在图1的示例中，开关31和33是MOS晶体管，例如，相反类型的MOS晶体管。开关31连接在输入22和输出24之间，即在源20和电感28之间。开关33连接在地和输出24之间。

在转换器18的正常操作中，开关31和33的断开和接通是相反的并且是周期性的。因此，源20的电压被转换器18斩波并且呈现周期性。因此，输出电压24交替地等于电压Vdd的值和接地值。当开关31接通并且开关33断开时，电流被存储在电感28中。当开关33接通并且开关31接通时，形成开关31的MOS晶体管的二极管用作续流二极管，并且电流移位到节点V₁。

在某些操作模式中，开关31可以保持接通，并且开关33可以保持断开，以恒定地将节点V1耦合到源20。在其他操作模式中，可以保持开关31和33关断以使电感28与源20电隔离，在这种情况下，节点V1由存储在电容器30中的电荷供电。

因此，根据实施例，节点V1可以由源20直接供电或以通过转换器18斩波的方式供电，或者它可以由电容器30中的电荷存储供电。

系统10包括：线性调节器32(ANALOG REG)，其具有连接到节点V1的输入并且具有提供电压V3且连接到模拟电路12的输出。电路12还接收时钟信号，优选地由转换器18接收的时钟信号CLK，以减少由电路18产生的模拟干扰。

作为变型，可以省略调节器32。然后用节点V1的电压直接给模拟电路供电。

系统10还包括：调节器34(DIG REG)，其具有连接到节点V1的输入并且具有连接到节点V2的输出。节点V₂通过电路36耦合到数字电路(存储器16和逻辑电路14)。电路36例如由多个开关形成，并且被配置为将逻辑电路14和存储器16连接到节点V2或不连接到节点V2。实际上，在某些操作模式中，可能希望为逻辑电路和存储器供电，而在其他操作模式中，可能希望仅为可能是易失性的存储器供电以保持所存储的数据。

作为变型，节点V2还可以通过电容器38耦合到地。

系统10还可以包括：线性调节器40(LP REG)，其具有连接到源20的输入并且具有连接到节点V2的输出。

该系统还包括：比较器42(COMP1)，其被配置为将源20提供的电压的值与第一阈值进行比较。对于被配置为在正常操作中提供大约3.3V的电压的源20，第一阈值例如等于2.4V。该比较的结果可以用于确定电压Vdd是否足够高以有利于转换器18启动。实际上，转换器18的使用比线性调节器消耗更多的功率，以使得能够在保持输入处接收的功率的同时修改电压。如果电压Vdd小于第一阈值并且要实现的电压降低较小，则转换器18的使用在能量方面不是有效的并且优选地停止转换器18。

系统10还包括：比较器44(COMP2)，其被配置为将节点V1上的电压值与第一阈值进行比较。第二阈值例如基本上等于1.4V。该比较的结果可用于确定是否启动调节器34，即，节点V1上的电压是否能够启用数字电路的操作。

图2是说明图1的系统的启动的时序图。图2的时序图和后续的图显示了以下改型的示例：

由电源20提供的电压Vdd；

节点V1上的电压，此后用“电压V1”表示；

转换器18的状态E；

比较器44(COMP2)的结果，当电压V1高于第二阈值时处于高状态，而当电压V1低于第二阈值时处于低状态；

节点V2上的电压，此后用“电压V2”表示；

线性调节器34的状态(DIG REG)；

系统状态(SYSTEM)；和

数字电路的时钟信号(LOG CLK)。

在时间t0之前，系统断电并且所有组件都断开。特别地，电压Vdd、V1和V2为零，电感28与源20和转换器18隔离，并且比较器42和44的输出处于高阻抗。在时间t0，源20接通，电压Vdd然后开始增加并且系统进入初始化模式(复位)。此外，时钟信号LOGCLK取零值，并且比较器42的输出不再处于高阻抗。

在时间t1，电压Vdd达到第一阈值。这由比较器COMP1检测。该信息由转换器18使用，转换器18通过保持开关31接通和开关33关断而将电感28连接到源20(旁路)。因此，节点V1由源20直接供电，并且电压V1增加。电容器30也被充电。此外，比较器44的输出不再处于高阻抗。

在时间t2，电压V1达到第二阈值。比较器COMP2然后取高值。在例如由调节器34的初始化时间引起的延迟之后，电压V2开始增加(时间t3)。这结束了系统初始化(复位)，然后进入等待时段(等待振荡器)，对应于数字电路的时钟的初始化时间。在时间t4，电压V2达到用于数字电路的操作的最小值，并且时钟信号LOG CLK变为非常数，这意味着数字电路可以运行。电压V2继续增加以达到调节器34的输出处所需的电压，这里例如1.2V。电压V2可以在操作期间变化而不修改电压V1或调节器32的输出电压(V3)，并且可以例如取值1.0V。

在信号LOG CLK的第一个时钟脉冲处，系统进入数字电路的初始化的时段(初始化)。在该初始化的结束处(时间t5)，数字电路正在运行(运行)。在时间t6，例如源自用户或程序的指令命令转换器18停止保持开关31和33并且再次开始正常操作。因此，电压V1的值减小了由源20直接提供的电压值(这里，例如，3.3V)，直到由转换器18在输出24处提供的斩波电压的值(这里，例如，1.4V)。系统处于正常操作状态(运行)，即逻辑电路和存储器被充分供电以运行，节点V1由转换器18供电，并且节点V2由调节器34供电。

例如，当处理单元14需要执行电力消耗操作或激活由RF电路12执行的任务时，该指令例如根据处理单元14的要求而发生。

所描述的实施例的优点在于，数字电路可以在转换器18的初始化时段结束之前运行。然而，在该时段期间，在时间t5和t6之间，电源的效率低于从转换器18供电V1的时间t6之后。时间t5和t6之间的持续时间例如在1μs到几毫秒的范围内，例如，在1μs和5ms之间。

图3是示出图1的系统的操作模式的时序图。

在时间t7，例如在时间t6之后，系统切换到所谓的第一低功耗操作模式(STOP0)，即，比系统在时间t6进入的正常操作模式消耗更少功率的操作模式。在第一低功耗操作模式中，处理单元14(和/或可能的逻辑电路)不再运行，这通过时钟信号LOG CLK的复位来示出，但处理单元14(和/或可能的逻辑电路)仍然被供电。转换器18和调节器34在运行，并且易失性存储器仍然被供电。

在时间t8，系统通过开始数字电路的时钟的初始化而准备离开第一低功耗操作模式。在对应于初始化时间的等待时段(等待振荡器)之后，系统再次(时间t9)处于正常操作(运行)。

图4是示出图1的系统的另一实施例的时序图。

在时间t10，例如在时间t9或时间t6之后，系统切换到第二(STOP1)或第三(STOP2)低功耗操作模式。为实现这一点，转换器18的开关31保持断开，并且转换器18的开关33保持断开。因此，电感28与源20和转换器18的输出(开路)隔离。因此，节点V1由存储在电容器30中的电荷供电。由于电源的寄生元件，例如未示出的保护二极管，以及电容器30的漏电阻，可以观察到电压V1的降低。在对电容器30充电的系统的其余部分中存在泄漏的情况下，相同的现象可能导致电压V1(虚线所示的电压曲线V1)的增加。

与比较器42(COMP1)的输出相同，比较器44(COMP2)的输出处于高阻抗(断开)，即，它们被停止以避免消耗功率。调节器34也在时间t10关断(断开(LP REG))。然后，节点V2由调节器40(LP REG)供电，在正常操作中调节器40在其输入处接收由源20提供的电压Vdd(例如，3.3V)并输出例如小于由调节器34提供的电压V2的电压。例如，在正常操作中，电压V2基本上等于1.2，并且在模式STOP1和STOP2中，电压V2基本上等于0.9V。

在第二低功耗操作模式和第三低功耗操作模式中，存储器16被供电。处理单元14(和/或可能的逻辑电路)不再运行，这通过时钟信号LOG CLK的设置为零来示出。然而，在第二低功耗操作模式中，处理单元14(和/或可能的逻辑电路)被供电，在第三操作模式中不是这种情况。

在时间t11，系统准备离开第二操作模式或第三操作模式以返回到正常操作模式。因此，数字电路的时钟的初始化(等待振荡器)在此时间t11开始并在时间t12结束。在时间t12，数字电路再次运行，并且比较器42和44(COMP1和COMP2)接通。比较器42(COMP1)检查(检查)电压Vdd是否大于第一阈值(这里，例如，2.14V)并且转换器18(SMPS)是否可以正常运行。

在时间t13，电感28不再与转换器18隔离，并且节点V1通过转换器18(SMPS)被供电。因此，通过增加或减小，电压V1将更接近转换器18的输出电压的值(这里，例如，1.4V)。

此外，在时间t13，比较器44(COMP2)将电压V1的值与第二阈值进行比较。

如果电压V1小于该第二阈值(实线)，则系统在启动调节器34(DIG REG)和关断调节器40(LP REG)之前等待电压V1达到第二阈值的时间t14。从时间t14开始，电压V2增加到达正常操作值，例如1.2V。然后系统处于正常操作(运行)。

如果电压V1大于第二阈值(虚线)，则调节器34直接接通，并且调节器40直接关断。因此，电压V2从时间t13开始增加。

图5是示出图1的系统的另一操作模式的时序图。

在时间t15，其可以例如在时间t6、t9或t14之后，系统进入第四低消耗操作模式(待机)。在该操作模式中，开关31和33保持断开以将电感28与源20和转换器18隔离(开路)。因此，电压V1如前所述开始增加或减少。比较器42和44(COMP1和COMP2)以及调节器34(DIGREG)和40(LP REG)关断。因此，电压V2降低至零并且数字电路关断。某些组件(图1中未示出)可能在此期间接通例如32kHz振荡器(LES)、形成实时时钟(RTC)的计数器以及维持的存储器的一部分(32k字节)。

在时间t16，数字信号的时钟的初始化(等待振荡器)开始。初始化在时间t17结束，在时间t17，比较器COMP1和COMP2接通并且数字电路再次运行。

在时间t17和时间t18之间，比较器COMP1比较(检查)由源20提供的电压的值与第一阈值。在图5的示例中，比较器确定电压Vdd在时间t15和时间t17之间已经减小。电压Vdd例如在1.96V至2.14V的范围内。

在时间t18，开关31接通并且开关33保持断开，以直接通过源20对节点V1进行供电(旁路)。然后，通过比较器COMP2将电压V1与第二阈值进行比较。

如果电压V1小于第二阈值(实线)，则系统在启动调节器34(DIGREG)之前等待电压V1达到第二阈值的时间t19。然后电压V2开始增加以达到正常工作电压值，例如1.2V。

如果电压V1大于第二阈值(虚线)，则调节器34直接接通并且电压V2直接开始增加以达到正常工作电压值。

在两种情况下，电压V1增加(在图5的示例中)或减小以达到由源20提供的电压Vdd的值。

在时间t20，系统复位并且数字电路可以正常运行(运行)。

图6是示出图1的系统的另一实施例的时序图。

在例如在时间t6、t9或t14的时间t22(BORH复位)，由源20提供的电压Vdd降低到低于第一阈值。这种电压降低例如是由于源20的关断或源20的故障造成的。

处理单元14(和/或可能的逻辑电路)关断。开关31保持接通并且开关33保持断开以直接从源20(旁路)为节点V1供电。因此，电压V1的值将逐渐变得等于由源20提供的电压。

在时间t23(POR复位)，比较器COMP1确定由源20提供的电压Vdd(和电压V1)小于第三阈值，例如基本上等于1.7V。然后调节器34关断并且电压V2降低以在t24时刻变为零。

在时间t25，由源提供的电压Vdd变为零并且系统关断(断开、断电)。

已经描述了特定实施例。本领域技术人员将想到各种改变、修改和改进。特别地，电容器30可以用其它类型的电力存储元件代替。

上文已经描述了具有不同变型的各种实施例。应当注意，本领域技术人员可以组合这些各种实施例和变型的各种要素而不示出任何创造性步骤。

预期这些改变、修改和改进成为本公开的一部分，并且预期落入本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅作为示例，而不旨在进行限制。

Claims

1.一种电源系统，包括：

第一节点，被配置为由电压施加源直接供电，或者通过耦合到所述电压施加源的开关模式电源供电。

2.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述开关模式电源由所述电压施加源供电。

3.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述第一节点通过电感耦合到所述开关模式电源的输出。

4.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述第一节点被配置为由电力存储元件供电。

5.根据权利要求4所述的电源系统，其中，所述电力存储元件是耦合在所述第一节点和参考电位之间的电容器。

6.根据权利要求1所述的电源系统，还包括数字电路和模拟电路，其中所述第一节点被配置为向所述数字电路和所述模拟电路供电。

7.根据权利要求6所述的电源系统，其中，所述数字电路包括逻辑电路或处理单元中的至少一个以及存储器。

8.根据权利要求6所述的电源系统，还包括：第一线性调节器，耦合在所述数字电路和所述第一节点之间。

9.根据权利要求8所述的电源系统，还包括：第二线性调节器，耦合在所述电压施加源和所述第一线性调节器的输出节点之间。

10.根据权利要求6所述的电源系统，其中，所述模拟电路包括无线电波发射电路或无线电波接收电路。

11.根据权利要求6所述的电源系统，还包括：第三线性调节器，耦合在所述第一节点和所述模拟电路之间。

12.根据权利要求1所述的电源系统，还包括：第一比较器，被配置为将由所述电压施加源提供的电压的值与第一阈值进行比较。

13.根据权利要求1所述的电源系统，还包括：第二比较器，被配置为将所述第一节点上的电压与第二阈值进行比较。

14.一种方法，包括：

执行电源系统的第一操作模式，所述电源系统包括：

第一节点，被配置为由电压施加源直接供电，或者通过耦合到所述电压施加源的开关模式电源供电；

数字电路和模拟电路，其中所述第一节点被配置为向所述数字电路和所述模拟电路供电，并且其中所述数字电路包括逻辑电路或处理单元中的至少一个以及存储器；和

第一线性调节器，耦合在所述数字电路和所述第一节点之间，其中，在所述第一操作模式期间，所述第一节点由所述开关模式电源供电，所述第一线性调节器可操作，并且所述存储器和所述逻辑电路被供电。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在第二操作模式期间，所述第一节点由耦合在所述第一节点与参考电位之间的电力存储元件供电，所述第一线性调节器不可操作，耦合在所述电压施加源和所述第一线性调节器的输出节点之间的第二线性调节器在运行，并且所述存储器和所述逻辑电路被供电。

16.根据权利要求15所述的方法，其中在第三操作模式期间，所述第一节点由所述电力存储元件供电，所述第一线性调节器不可操作，所述第二线性调节器可操作，所述存储器被供电，并且所述逻辑电路不被供电。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括：启动所述电源系统，所述电源系统的启动包括：所述第一节点由所述电压施加源供电的步骤，随后是所述第一节点由所述开关模式电源的输出供电的步骤。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，启动所述电源系统包括：

启动所述电压施加源；

发起所述开关模式电源的初始化；

当所述电压施加源提供的电压大于第一阈值时，将所述第一节点连接到所述电压施加源；

启动所述第一线性调节器；

当所述第一线性调节器的输入节点处的电压大于第二阈值时，启动所述数字电路；以及

当所述开关模式电源被初始化时，将所述第一节点连接到所述开关模式电源的输出。