CN111580431A

CN111580431A - 一种mcu中的电源快速唤醒电路和方法

Info

Publication number: CN111580431A
Application number: CN202010379529.4A
Authority: CN
Inventors: 樊星
Original assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Current assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2020-08-25

Abstract

本发明为一种快速电源唤醒方案，可以应用于MCU的电源系统中，在超低功耗MCU中，一般会有两个电压域，外部电源VCC电压域，内部电源VCORE电压域。在正常工作模式，MCU功耗较大，VCC通过内部稳压源VR_MAIN形成内部电源VCORE，VR_MAIN的驱动能力强，但是自身功耗也会较大。在超低功耗应用中，为了节省功耗，MCU会进入低功耗模式，MCU中的时钟以及绝大部分外设都会关闭，只留下极少部分电路工作，此时MCU的功耗电流已经远小于VR_MAIN的自身功耗，所以系统会关闭VR_MAIN，改用自身功耗极低的超低功耗稳压电源VR_ULP模块为这部分电路供电。

Description

一种MCU中的电源快速唤醒电路和方法

技术领域

本发明涉及模拟电路设计领域，特别应适用于MCU的电源系统的快速电源唤醒。

背景技术

在超低功耗MCU中，一般会有两个电压域，外部电源VCC电压域，内部电源VCORE电压域。在正常工作模式，MCU功耗变化范围大，VCC通过内部稳压源VR_MAIN形成内部电源VCORE，VR_MAIN的驱动能力强(几至几百mA)，自身功耗大(几十uA)。在超低功耗应用中，为了节省功耗，MCU会进入低功耗模式，MCU中的时钟以及绝大部分外设都会关闭，只留下极少部分电路工作，此时MCU的功耗电流在1uA以内，已经远小于VR_MAIN的自身功耗，所以系统会关闭VR_MAIN，改用自身功耗极低(几百nA)的超低功耗稳压电源VR_ULP模块为这部分电路供电。

当唤醒信号到来，MCU需要从超低功耗模式恢复正常工作状态，此时MCU就会再次打开VR_MAIN模块来为VCORE供电。但VR_MAIN的电路启动时间通常会较长，如果采用常规方式不可能达到MCU应用中要求的3us左右唤醒时间的要求。

本设计发明了一种，不需要对VR_MAIN电路结构进行大的修改，但能大大减少唤醒时间的系统方案。

发明内容

(1)发明目的

解决MCU中大功耗稳压电源VR_MAIN启动时间慢的问题，应用本发明所用的方法能大大增加VR_MAIN在唤醒时的启动速度。

(2)技术方案

如图1所示，电源系统由超低功耗电源模块VR_ULP，主电源VR_MAIN，以及开关S1，S2，S6共同构成。VR_MAIN的输出(VMAIN_OUT)与S2一端相连，S2的另一端与数字电路模块Digital的电源相连，VR_ULP的输出与S1的一端相连，S1的另一端也与数字电路模块Digital的电源相连，此电源为VCORE。

VR_ULP自身功耗极低，但是其驱动能力有限。

VR_MAIN自身功耗较高，驱动能力强，但是启动时间较长。VR_MAIN内部存在局部电路V_C。

在VR_MAIN中有可能会存在多个局部电路V_C。

局部电路V_C中由电容C，开关S3，S4，S5组成，其中电容C一端接地，另一端(A)分别接开关S3，S4，S5的一端，开关S3，S4的另一端接内部其他电路，开关S5的另一端接V_keep，V_keep的值等于A点电压。

其工作原理如下：

为了节省功耗，一般在超低功耗状态下VCC电压域的稳压源VR_MAIN的电源会被关断，如图1中的S6所示。唤醒信号到来后，系统重新将S6闭合，此时VR_MAIN相当于重新上电，启动速度肯定无法达到要求。

通过分析，我们可以发现，VR_MAIN启动速度慢的主要原因是由于内部会有电容等需要充电的内部节点。电路首次上电后需要将这些内部节点充电，这些内部节点达到正常的工作电压后VR_MAIN才能正常工作。

如果我们能在VR_MAIN的电源断开时，将这些需要充电的内部节点的电压保持住，那在下次开关S6闭合时，VR_MAIN的启动时间就能大大减少。

如图1所示，我们找到了VR_MAIN中的充电电容C，此时MCU在超低功耗模式，S1闭合，S2断开，VR_ULP为VCORE供电。为了节省功耗，S6断开，VR_MAIN下电，为了下次上电能够快速启动，通过断开S3和S4使电容上没有放电通路，通过闭合S5，使电容上的电压能够保持。

当唤醒信号到来，如图2所示，S2、S3、S4、S6闭合，S1和S5断开，此时由于VR_MAIN内部电压节点已经存在，所以VR_MAIN的启动时间会大大减少。可以满足MCU系统的唤醒时间需求。

图3为未采用快速唤醒技术的仿真结果，图3中STD信号为高时，VR_MAIN关闭，VMAIN_OUT为低，STD信号为低时，VR_MAIN打开，VMAIN_OUT经过11.15us后稳定。

图4为采用快速唤醒技术后的仿真结果，图4中STD信号为高时，VR_MAIN关闭，VMAIN_OUT为低，STD信号为低时，VR_MAIN打开，VMAIN_OUT仅经过2.613us后稳定。

附图说明

图1超低功耗模式开关状态

图2正常工作模式开关状态

图3未采用快速唤醒技术的VMAIN输出波形

图4采用快速唤醒技术后的VMAIN输出波形

具体实施方式

本发明应用于系统中存在两个稳压电源VR_MAIN和VR_ULP的条件下，其中VR_MAIN自身功耗大，驱动能力强，启动速度慢；VR_ULP自身功耗极小，驱动能力弱。

第一步，通过电路仿真，找到VR_MAIN中影响启动速度的电容节点A(图1中局部电路V_C中节点)。通常此节点为稳压源输出端或内部带隙基准输出端。

第二步，在此电容节点A处，加入开关S3、S4、S5构成局部电路V_C，使电容节点A在VR_MAIN关闭时，电位可以通过外接的V_keep进行维持。

在正常功耗模式由VR_MAIN供电，VR_ULP关闭。

在低功耗模式下，Digital模块的电源VCORE由VR_ULP供电，如图1所示，开关S1、S5闭合，S2、S3、S4、S6断开。此时VR_MAIN关闭，A点电压可以通过V_keep以极小的功耗进行维持。

唤醒信号到来时，如图2所示，S1、S5断开，S2、S3、S4、S6闭合。由于A点电压被保持，所以VR_MAIN会快速稳定。

如图3、图4所示，本例中所找到的影响启动速度的电容节点为节点A，节点A的电压可以在STD为高时被局部电路V_C保持。

未在节点A加入局部电路V_C时，如图3所示，当STD信号从高变为低时，A点电压慢慢恢复，从而导致VR_MAIN输出(VMAIN_OUT)经过11.15us后才达到稳定。

加入局部电路V_C电路后，如图4所示，当STD信号从高变为低时，A点电压迅速恢复，VR_MAIN输出(VMAIN_OUT)仅在2.613us后就达到了稳定。

综上，本发明通过以上技术方案，实现了VR_MAIN的快速启动，从而满足了超低功耗MCU中的快速唤醒时间的要求，同时本电路结构简单，实用性很强。

Claims

1.一种MCU中的电源快速唤醒电路，其特征在于，

该电源快速唤醒电路主要由超低功耗电源模块VR_ULP、主电源VR_MAIN，以及开关S1、S2、S6共同构成；其中：主电源VR_MAIN的输出与开关S2一端相连，开关S2的另一端与数字电路模块Digital的电源相连，超低功耗电源模块VR_ULP的输出与开关S1的一端相连，开关S1的另一端也与数字电路模块Digital的电源相连，此电源为VCORE；开关S6一端与主电源VR_MIAN的电源相连，另一端与外部电源VCC相连。

2.根据权利要求1所述的电源快速唤醒电路，其特征在于，所述主电源VR_MAIN内部具有局部电路V_C。

3.根据权利要求1和2中所述的电源快速唤醒电路，其特征在于，所述主电源VR_MAIN中的局部电路V_C的数量可以是1～n个。

4.根据权利要求1和2中所述的电源快速唤醒电路，其特征在于，所述局部电路V_C，由电容C、开关S3、S4、S5组成，其中电容C一端接地，另一端分别接开关S3，S4，S5的一端，开关S3，S4的另一端接内部其他电路，开关S5的另一端接V_keep，Vkeep的值等于A点电压。

5.一种MCU中的电源快速唤醒方法，基于权利要求1所述的电源快速唤醒电路，其特征在于，主要步骤包括：

1)通过仿真，找到主电源VR_MAIN中影响启动速度的电容节点；

2)在此电容节点处，加入局部电路V_C，使电容节点在VR关闭时，电位可以保持。