CN114041639B - 一种传感器供电管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种传感器供电管理系统及方法，包括NMOS、PMOS、比较器、非门模块；NMOS和PMOS通过比较器连接非门模块；比较器用于对输入的两个电压进行比较，当正端电压大于负端电压时，输出高电平，反之，输出低电平；非门模块用于对数字信号进行逻辑非；本发明的低频窄脉宽供电方式是，在未检测到使能信号时，提供一个低频窄脉宽信号，在脉宽信号为高电平时，如果检测到吸烟动作后，则持续供电维持使能信号检测，在使能信号结束后，供电恢复为低频窄脉宽供电方式。通过低频窄脉冲供电方式，能够在不吸烟状态下有效降低待机电流和待机时间，从而降低待机功耗。

Description

一种传感器供电管理系统及方法

技术领域

本发明属于供电管理技术领域，特别涉及一种传感器供电管理系统及方法。

背景技术

目前电子雾化器装置大多数采用咪头或MEMS传感器进行检测吸烟动作；但现有的电子雾化器装置中MEMS传感器需要电源进行单独供电，且需要100uA左右的电流保证MEMS传感器正常工作，然而在没有检测到吸烟状态时，待机电流和待机时间较大，从而增大了MEMS传感器在系统中的待机功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传感器供电管理系统及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种传感器供电管理系统，包括NMOS、PMOS、比较器、非门模块；NMOS和PMOS通过比较器连接非门模块；

比较器用于对输入的两个电压进行比较，当正端电压大于负端电压时，输出高电平，反之，输出低电平；

非门模块用于对数字信号进行逻辑非；

PMOS包括：PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6和PM7；管脚VDD同时连接电阻R1、比较器的电源正极、二极管D1的正极以及PM1、PM2、PM3、PM4、PM6的源极，二极管D1的负极连接PM7的源极；PM4的漏极连接PM5的源极；

NMOS包括：NM1、NM2、NM3和NM4；电阻R1一端连接NM1的漏极，NM1的源极与NM3的漏极连接，NM1的栅极同时与NM2的栅极和NM1的漏极连接；NM3的栅极同时与NM4的栅极和NM3的漏极连接；

PM1的漏极同时连接PM1的栅极与NM4的漏极，PM1的栅极还连接PM6的栅极；PM2的漏极同时连接PM2的栅极、NM2的漏极和PM4的栅极；PM2的栅极还连接PM3的栅极；NM2的源极依次连接电阻R2、R3。

进一步的，NMOS还包括：NM5、NM6、NM7、NM8、NM9和NM10；PM3的漏极连接NM5的漏极；NM5的栅极同时连接NM5的漏极与NM6的栅极；PM4的漏极同时连接NM7的漏极、电容C1(U2管脚CAP)及比较器11的负端；PM5的栅极连接NM7的栅极；NM7的源极连接NM6的漏极；PM6的漏极同时连接比较器11的正端、NM8的漏极；NM8的栅极与NM8的漏极连接，NM8的源极同时连接NM9的漏极、NM9的栅极及NM10的漏极。

进一步的，非门模块包括非门12、非门13、非门14、非门15、非门17、非门18以及或非门16；比较器11的输出端连接非门12的输入端，非门12的输出端还依次连接非门13、非门14、非门15及或非门16输入端，或非门16连接EN管脚；或非门16输出端还依次连接非门17、非门18与PM7的栅极，PM7的漏极连接U2的管脚VMIC并输出Vmic信号。

进一步的，PM5的栅极连接或非门16的输出端，NM10的栅极连接非门12的输出端。

进一步的，EN管脚输入芯片检测到声音或者气流后产生的使能信号，即主控逻辑对传感器供电管理的控制信号。

进一步的，NM3、NM4、NM5、NM6、NM9及NM10的源极、电阻R3及电容一端、比较器11的电源负极接地。

进一步的，一种传感器供电管理方法，包括以下步骤：

传感器供电管理没有检测到使能信号状态下，传感器供电管理从VMIC管脚输出脉冲供电信号，以降低平均待机电流；当在脉冲供电过程中，芯片传感器输入检测到使能信号，则传感器供电管理模块持续供电，直到使能信号停止，恢复脉冲供电模式。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明基于MEMS传感器检测是否有吸烟动作，生产方便，可直接贴在PCB板上。

本发明芯片内部设计MEMS传感器的供电管理，给开关提供一个低频窄脉宽驱动信号，采用低频窄脉宽供电方式给MEMS传感器，减小待机时的电流消耗，有效降低MEMS传感器在电子雾化器装置中的待机功耗；通过低频窄脉冲供电方式，能够在不吸烟状态下有效降低待机电流和待机时间，从而降低待机功耗。

本发明的低频窄脉宽供电方式是，在未检测到使能信号时，提供一个低频窄脉宽信号，在脉宽信号为高电平时，如果检测到吸烟动作后，则持续供电维持使能信号检测，在使能信号结束后，供电恢复为低频窄脉宽供电方式。通过低频窄脉冲供电方式，能够在不吸烟状态下有效降低待机电流和待机时间，从而降低待机功耗。

本发明提供了一种低频窄脉宽供电电路，芯片管脚CAP外接电容，用于调节供电频率；通过给开关提供一个低频窄脉宽驱动信号，减小待机时的电流消耗。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图

图2为实施例系统框图

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

如图1所示，传感器供电管理模块(低频窄脉冲发生器)包括NMOS、PMOS、比较器11、非门12、13、14、15、17、18，或非门16；NMOS包括：NM1、NM2、NM3、NM4、NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10；PMOS包括：PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7；

U2的管脚VDD同时连接电阻R1、比较器11的电源正极、二极管D1的正极以及PM1、PM2、PM3、PM4、PM6的源极，二极管D1的负极连接PM7的源极；

电阻R1一端连接NM1的漏极，NM1的源极与NM3的漏极连接，NM1的栅极同时与NM2的栅极和NM1的漏极连接；NM3的栅极同时与NM4的栅极和NM3的漏极连接；

PM1的漏极同时连接PM1的栅极与NM4的漏极，PM1的栅极还连接PM6的栅极；PM2的漏极同时连接PM2的栅极、NM2的漏极和PM4的栅极；PM2的栅极还连接PM3的栅极；NM2的源极依次连接电阻R2、R3；

PM3的漏极连接NM5的漏极；NM5的栅极同时连接NM5的漏极与NM6的栅极；

PM4的漏极连接PM5的源极；PM4的漏极同时连接NM7的漏极、电容C1(U2管脚CAP)及比较器11的负端；PM5的栅极同时连接或非门16的输出端、NM7的栅极；NM7的源极连接NM6的漏极；

PM6的漏极同时连接比较器11的正端、NM8的漏极；NM8的栅极与NM8的漏极连接，NM8的源极同时连接NM9的漏极、NM9的栅极及NM10的漏极，NM10的栅极连接非门12的输出端；

比较器11的输出端连接非门12的输入端，非门12的输出端还依次连接非门13、14、15及或非门16输入端，或非门16连接EN管脚；或非门16输出端还依次连接非门17、18与PM7的栅极，PM7的漏极连接U2的管脚VMIC并输出Vmic信号。

NM3、NM4、NM5、NM6、NM9及NM10的源极、电阻R3及电容一端、比较器11的电源负极接地；

EN管脚输入芯片检测到声音或者气流后产生的使能信号，即主控逻辑对传感器供电管理的控制信号；

工作原理：

1、通过R1、NM1、NM3串联，产生偏置电流Inm3，再通过电流镜NM3、NM4，和电流镜PM1、PM6，在NM8和NM9上产生参考电压，NM3、NM4、NM8和NM9为同类型同尺寸的NMOS，因此Vgs高度一致；

2、NM1和NM2类型和尺寸相同，则NM2的源端电压与NM1的源端电压近似相等，因此NM2上的电流即Vgs_nm3/(R2+R3)，其中R2和R3为温度互补电阻，总阻值与温度近似无关，以此电流为参考电流Ipm2；

3、将参考电流Ipm2镜像给PM4作为C1的充电电流源；镜像给PM3再镜像到NM6作为C1放电电流源；

4、当电容C1电压为0开始，EN为低的情况下，CLK为低电平，PM5导通，NM7关断，NM10关断，C1充电；当C1充电电压Vc1大于2个Vgs时，CLK变为高电平，此时NM10导通，NM7导通，PM5关断，电容开始放电；当C1放电到低于一个Vgs时，CLK重新变为高电平，C1开始又充电，因此循环形成脉冲信号；

5、当CLK为低时，PM7导通去给MEMS传感器供电；

6、D1用于降低MEMS传感器供电电压。

其中，Ipm4＝K1*Ipm2＝K1*Vgs_nm3/(R2+R3)；其中K1为PM4与PM2的电流镜比例；

电容充电时间tr*Ipm4＝Vgs_nm8*C1，其中C1为外接电容，只要将Vgs_nm3＝Vgs_nm8，则tr＝C1*(R2+R3)/K1；

从上式可见，充电时间与VDD电压无关，如果R2+R3设计成温度互补，做成与温度无关的电阻，则充电时间tr既与VDD无关，也与温度无关；

同理，放电时间tf＝C1*(R2+R3)/K2；其中K2为NM6到PM2的电流比例；如果R2+R3与温度无关，则整个周期T时间与温度无关，也与VDD无关；占空比只与K1和K2有关；D＝tf/T＝k1/(k1+k2)。

传感器供电管理：

a、当没有检测到使能信号状态下，传感器供电管理从VMIC管脚输出脉冲供电信号，以平均待机电流；

b、当在脉冲供电过程中，传感器输入检测到使能信号，则主控逻辑控制传感器供电管理模块持续供电，直到使能信号状态停止才恢复脉冲供电模式。

实施例

如图2所示，U1为MEMS传感器，是一种检测声音或气流的装置；U2是集成了MEMS传感器供电管理、电热丝加热、LED指示和电池充电管理的芯片，其中本发明提出了MEMS传感器供电管理模块。

MEMS传感器U1设有进气孔MIC、管脚：GND、OUT、VDD；芯片控制器U2设有管脚VMIC、CAP、SENSE、GND、OUT、LED、VDD、USB；

所述MEMS传感器U1的进气孔MIC输入MIC信号，U1的管脚VDD连接U2的管脚VMIC，U1的管脚OUT连接U2的管脚SENSE；U2的管脚CAP连接电容C1，U2的管脚VDD连接电池C2，U2的管脚LED连接发光二极管LED，U2的管脚OUT连接电阻R1；U1的管脚GND、电容C1、U1的管脚GND、电阻R1、发光二极管LED与电池C2一端接地连接；

MIC为高示意有声音或者气流输入。

U2包括传感器供电管理模块、充电管理、传感器输入、主控逻辑、驱动、LED驱动及PMOS管M0；

传感器供电管理模块分别与U2的管脚VMIC、CAP连接；传感器输入一端与U2的管脚SENSE连接；传感器输入另一端依次与主控逻辑、驱动、M0的栅极连接；主控逻辑还与传感器供电管理模块、LED驱动连接，LED驱动与U2的管脚LED连接；传感器供电管理模块一端同时与充电管理、M0的源极、U2的管脚VDD连接；M0的漏极同时连接主控逻辑、电阻及U2的管脚OUT，充电管理一端连接U2的管脚USB。

工作原理：

1、充电管理：USB外接电源，VDD外接电池，由USB端给VDD外接电池充电；此功能为现有技术，分为涓流、恒流和恒压三种充电模式；

2、传感器输入：是MEMS传感器U1检测到吸烟状态后从out输出信号给U2的sense端，芯片U2的传感器接收到sense信号后将吸烟状态信号给到主控逻辑；

3、主控逻辑：主控逻辑接收传感器输入和out信号，控制LED驱动和MOS驱动以及传感器供电管理；

a、当接收到传感器输入信号后，主控逻辑控制传感器供电管理持续给MEMS传感器供电，如果信号停止，则传感器供电管理恢复脉冲供电；

b、当接收到传感器输入信号后，主控逻辑控制LED驱动，LED根据吸烟状态点亮LED并分不同的状态，控制LED灯闪烁频率；

c、当接收到传感器输入信号后，主控逻辑打开功率管M0，并根据out电压来控制MO导通占空比，实现输出功率恒定；

4、LED驱动：根据主控逻辑信号控制LED的亮灭；

5、驱动：根据主控逻辑信号控制功率管M0的导通和关断，给电热丝R1加热；

6、传感器供电管理：

a、当没有检测到吸烟状态下，即主控逻辑模块没有给传感器供电管理信号时，传感器供电管理从VMIC管脚输出脉冲供电信号，以降低MEMS传感器U1的平均待机电流；

b、当在脉冲供电过程中，芯片传感器输入检测到MEMS传感器给出的吸烟状态信号，则主控逻辑控制传感器供电管理模块持续给MEMS传感器供电，直到吸烟状态停止才恢复MEMS传感器脉冲供电模式。

当VDD管脚开始供电时，通过主控逻辑对传感器供电管理模块的控制，VMIC产生脉冲信号，U2检测是否有MIC信号输入，当有吸烟动作(即MIC信号输入为高电平)，且VMIC产生的脉冲信号为高电平后，VMIC为持续高电平状态直至吸烟动作结束；吸烟动作结束后，VMIC继续产生脉冲信号，U2继续检测是否有吸烟动作产生。

Claims (2)

1.一种传感器供电管理系统，其特征在于，包括NMOS、PMOS、比较器、非门模块；NMOS和PMOS通过比较器连接非门模块；

比较器用于对输入的两个电压进行比较，当正端电压大于负端电压时，输出高电平，反之，输出低电平；

非门模块用于对数字信号进行逻辑非；

PMOS包括：PM1、PM2、PM3、PM4、PM5、PM6和PM7；管脚VDD同时连接电阻R1、比较器的电源正极、二极管D1的正极以及PM1、PM2、PM3、PM4、PM6的源极，二极管D1的负极连接PM7的源极；PM4的漏极连接PM5的源极；

NMOS包括：NM1、NM2、NM3和NM4；电阻R1一端连接NM1的漏极，NM1的源极与NM3的漏极连接，NM1的栅极同时与NM2的栅极和NM1的漏极连接；NM3的栅极同时与NM4的栅极和NM3的漏极连接；

PM1的漏极同时连接PM1的栅极与NM4的漏极，PM1的栅极还连接PM6的栅极；PM2的漏极同时连接PM2的栅极、NM2的漏极和PM4的栅极；PM2的栅极还连接PM3的栅极；NM2的源极依次连接电阻R2、R3；

NMOS还包括：NM5、NM6、NM7、NM8、NM9和NM10；PM3的漏极连接NM5的漏极；NM5的栅极同时连接NM5的漏极与NM6的栅极；PM4的漏极同时连接NM7的漏极、电容C1、U2管脚CAP及比较器的负端；PM5的栅极连接NM7的栅极；NM7的源极连接NM6的漏极；PM6的漏极同时连接比较器的正端、NM8的漏极；NM8的栅极与NM8的漏极连接，NM8的源极同时连接NM9的漏极、NM9的栅极及NM10的漏极；

非门模块包括非门12、非门13、非门14、非门15、非门17、非门18以及或非门16；比较器的输出端连接非门12的输入端，非门12的输出端还依次连接非门13、非门14、非门15及或非门16输入端，或非门16连接EN管脚；或非门16输出端还依次连接非门17、非门18与PM7的栅极，PM7的漏极连接U2的管脚VMIC并输出Vmic信号；

PM5的栅极连接或非门16的输出端，NM10的栅极连接非门12的输出端；

EN管脚输入芯片检测到声音或者气流后产生的使能信号，即主控逻辑对传感器供电管理的控制信号；

NM3、NM4、NM5、NM6、NM9及NM10的源极、电阻R3及电容一端、比较器的电源负极接地。

2.一种传感器供电管理方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种传感器供电管理系统，包括以下步骤：

传感器供电管理没有检测到使能信号状态下，传感器供电管理从VMIC管脚输出脉冲供电信号，以降低平均待机电流；当在脉冲供电过程中，芯片传感器输入检测到使能信号，则传感器供电管理模块持续供电，直到使能信号停止，恢复脉冲供电模式。

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