CN116545422B - 一种基于计时器控制的超低功耗负载开关及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计时器控制的超低功耗负载开关及其控制方法，本发明属于硅基集成电路技术领域，本发明通过设置计时器电路监测输出电压的状态，从而使得P型功率管由关断到导通阶段，其控制电路工作，当P型功率管导通且输出电压稳定后，通过计时器控制关闭P型功率管的控制电路，即负载开关的控制电路在电源稳定供电后即不再工作，不耗能，从而大大降低了集成负载开关的功耗。同时，本发明还设置有导通转换速率控制电路，用于在P型功率管由关断到导通阶段对其导通转换速率进行控制，从而保证P型功率管的导通转换速率呈现高线性度，有利于芯片负载的启动及控制，保证整个系统的稳定性和可靠性。

Description

一种基于计时器控制的超低功耗负载开关及其控制方法

技术领域

本发明属于硅基集成电路技术领域，具体涉及一种基于计时器控制的超低功耗负载开关及其控制方法。

背景技术

随着集成电路产品应用范围的日益渐增，生活中随处可见应用集成电路的电子产品，其中，无线、长续航、充电快速等性能是衡量电子产品的重要标准。负载开关作为电源的重要集成器件之一，其重要性也逐渐凸显出来，负载开关可以有效地控制电源供电效率，大大提升电源的续航能力，但是不同的电子产品通常需要的电池容量也是不同的，小到几十毫安时（mAh），大到几十安时（Ah），为了防止在电源使用时产生大的浪涌而对负载电路造成不可逆的损伤，因此不同的电源容量对负载开关的转换速率的要求也是不同的。

目前，市面上的负载开关转换速率通常是固定的，也有一些采用时钟控制的方式来线性调整转换速率，达到可以通过外挂电阻或者电容来实现可编程的转换速率的负载开关，而且通常采用N型功率管切换电源负极的方式。但是这种实现方式通常功耗非常大，因为需要保证输出端电压一直大于输入端电压，即需要给功率管门级提供一个高电压才能实现导通。

发明内容

为了解决现有负载开关功耗大的问题，本发明提供了一种基于计时器控制的超低功耗负载开关及其控制方法，本发明利用P型功率管并结合计时器来实现负载开关的转换速率调整的同时实现超低功耗，本发明通过设置计时器来监测输出电压的状态，并在输出电压状态达到相应要求后，控制关断该负载开关控制电路的各耗能器件，极大的降低了集成芯片的功耗。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，所述负载开关包括时钟振荡器、基准产生电路、计时器、P型功率管和转换速率控制电路；

其中，所述时钟振荡器在外部使能信号的控制下产生时钟信号；

所述计时器在外部使能信号、输出电压以及时钟信号的控制下开始计时，并能够在所述P型功率管导通且输出电压稳定后输出信号控制关断所述时钟振荡器、基准产生电路、计时器和转换速率控制电路；

所述基准产生电路在外部使能信号的控制下产生偏置信号；

所述转换速率控制电路在外部使能信号、时钟信号和偏置信号的控制下对所述P型功率管的栅端开始间歇性放电，并通过调节放电电流大小来实现所述P型功率管的导通转换速率可控；

所述P型功率管的源端连接电源输入端，所述P型功率管的漏端连接电源输出端，所述P型功率管的栅端连接所述转换速率控制电路的输出端，所述P型功率管的栅端还通过下拉开关组件接地，所述下拉开关组件在所述计时器的控制下导通或关断。

相较于现有技术存在功耗较高等问题，本发明提出了一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，通过设置计时器电路监测输出电压的状态，从而使得P型功率管由关断到导通阶段，其控制电路工作，当P型功率管导通且输出电压稳定后，通过计时器控制关闭P型功率管的控制电路，即负载开关的控制电路在电源稳定供电后即不再工作，不耗能，从而大大降低了集成负载开关的功耗。同时，本发明还设置有导通转换速率控制电路，用于在P型功率管由关断到导通阶段对其导通转换速率进行控制，从而保证P型功率管的导通转换速率呈现高线性度，有利于芯片负载的启动及控制，保证整个系统的稳定性和可靠性。

作为优选实施方式，本发明的计时器包括检测电路、计时电路和输出电路；

所述检测电路在外部使能信号以及输出电压的控制下输出信号至计时电路和输出电路；

所述计时电路在所述检测电路输出信号的控制下开始计时；

所述输出电路用于保证输出电压稳定后进行计时输出控制所述时钟振荡器、基准产生电路、计时器和转换速率控制电路关断并通过导通下拉开关组件保持所述P型功率管完全导通。

作为优选实施方式，本发明的检测电路包括比较器、电阻R4、电阻R5；

其中，所述电阻R4和电阻R5串联连接在电源输入端和地之间，作为分压电路，所述比较器的反相输入端连接所述电阻R4和电阻R5的公共连接端，所述比较器的正相输入端连接电源输出端，所述比较器的输出端输出信号至所述计时电路和所述输出电路，所述比较器的使能端连接Ctrl信号；在所述分压电路上还设置一个可控开关，所述可控开关由所述Ctrl信号控制导通或关闭；

所述Ctrl信号通过使能信号与所述计时器输出的反相信号逻辑与得到。

作为优选实施方式，本发明的电阻R4和电阻R5构成的分压电路对输入电源电压进行分压得到阈值电压；具体的分压比根据导通转换速率调整时间长度来确定。

作为优选实施方式，本发明的计时电路包括若干个D型触发器I3、I4、…In，若干个D型触发器I3、I4、…In依次串联连接，其中，D型触发器I3的CLK端接时钟信号，D型触发器In的Q端作为所述计时电路的输出端输出信号至所述输出电路，若干个D型触发器I3、I4、…In的复位端均连接所述比较器的输出端。

作为优选实施方式，本发明的计时电路中的D型触发器的数量由计时时长决定，所述计时时长应当大于总的转换时间减去转换速率控制阶段时间后的剩余时间。

作为优选实施方式，本发明的输出电路包括延时器、D型触发器I6、D型触发器I7、与门和非门；

所述延时器的输入端连接所述比较器的输出端，所述延时器的输出端连接D触发器I6的CLK端，所述D型触发器I6的Q端连接与门的一个输入端，所述D型触发器I7的CLK端连接所述计时电路的输出端，所述D型触发器I7的Q端连接与门的另一个输入端，D型触发器I6和D型触发器I7的复位端均连接非门的输出端，非门的输入端连接使能信号。

作为优选实施方式，本发明的转换速率控制电路包括线性控制部分和启动加速部分；

所述线性控制部分在使能信号和时钟信号的控制下间歇性地对所述P型功率管栅端放电，并通过调整放电电流来控制所述P型功率管栅端放电速度，从而使得所述P型功率管导通转换速率可控；

所述启动加速部分在输出电压低于导通阈值之前辅助所述线性控制部分对所述P型功率管栅端放电，加快所述P型功率管的启动。

作为优选实施方式，本发明的转换速率控制电路通过设置内部电阻来控制所述P型功率管栅端放电电流的大小；

或者，本发明的转换速率控制电路通过设置内部电阻以及与内部电阻并联的外部电阻来控制所述P型功率管栅端放电电流的大小，通过调节所述外部电阻的阻值即可实现放电电流的调节；

或者，本发明的转换速率控制电路通过设置外部电阻来控制所述P型功率管栅端放电电流的大小，通过调节所述外部电阻的阻值即可实现放电电流的调节。

另一方面，本发明还提出了基于本发明上述超低功耗负载开关的控制方法，所述方法包括：

系统上电后，使能信号为关断状态，控制所述P型功率管关闭，此时所述电源输出端由于没有供电通路，保持为低电位；

当使能信号从关断状态转换为使能状态时，控制所述基准产生电路、所述时钟振荡器、所述转换速率控制电路和所述计时器开始工作，此时所述基准产生电路输出偏置信号供所述转换速率控制电路使用，所述时钟振荡器输出时钟信号供所述转换速率控制电路和所述计时器使用；

检测到输出电压小于阈值时，通过时钟信号控制所述转换速率控制电路开始对所述P型功率管的栅端进行间歇式放电；

检测到输出电压大于等于阈值时，控制所述计时器开始计时，所述计时器在完成计时后输出信号控制所述下拉开关组件导通，从而将所述P型功率管栅端固定拉低到低电位，同时关断所述时钟振荡器、基准产生电路、转换速率控制电路和计时器。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过采用P型功率管并结合计时器电路反馈监测控制技术，使得P型功率管的控制电路仅在功率管导通转换过程时工作，当功率管导通且输出电压稳定后整个控制电路均关断，不再消耗功耗，从而极大的降低了负载开关的功耗，实现超低功耗，几乎零功耗。

2、本发明还通过设置转换速率控制电路对P型功率管导通转换速率进行控制，保证P型功率管的导通转换速率呈现高线性度，有利于芯片负载端的启动及控制，保证整个系统的稳定性和可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的负载开关原理示意图。

图2为本发明实施例的计时器电路原理图。

图3为本发明实施例的转换速率控制电路原理图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

现有采用时钟控制方式来线性调整负载开关转换速率的方式，通常采用N型功率管切换电源负极的方式，这种方式虽然也能进行转换速率的调节，然而需要在负载开关的控制电路中设置电荷泵为功率管提供高电压使其导通，因此为了保持功率管的导通，电荷泵在整个供电过程中，需要持续性的工作，这会产生较大的功耗。因此，为了解决上述问题，本实施例提出了一种基于计时器控制的超低功耗负载开关。

具体如图1所示，本实施例提出的超低功耗负载开关主要包括时钟振荡器、基准产生电路、计时器、P型功率管、转换速率控制电路五个部分。

其中，时钟振荡器，当系统上电后，在外部使能信号的控制下产生时钟信号并将其传输给转换速率控制电路和计时器；具体的，时钟振荡器可利用RC充放电原理，结合反相器、与非门等逻辑器件，产生时钟信号Clk并将其传输给转换速率控制电路和计时器；

计时器，当系统上电后，在外部使能信号、输出电压的状态以及时钟信号的控制下开始计时，并在P型功率管导通且输出电压稳定后输出信号控制时钟振荡器、基准产生电路、计时器、转换速率控制电路的关断；

基准产生电路，当系统上电后，在外部使能信号的控制下产生偏置信号并输出至速率转换控制电路；

转换速率控制电路，当系统上电后，在外部使能信号、时钟信号和偏置信号的控制下对P型功率管的栅端开始间歇性放电，并通过调节放电电流大小，进而实现P型功率管的导通转换速率可控；

P型功率管，在转换速率控制电路的控制下导通或者关断，同时该P型功率管的栅端通过一个下拉开关组件接地，该下拉开关组件在计时器的控制下导通或关断。

本实施例提出的超低功耗负载开关的工作原理为：系统上电后（即电源VIN上电后），P型功率管的栅端电压在使能信号EN为关断状态（即EN为低电平）时为高电位，此时P型功率管关闭，电源VOUT端由于没有供电通路，会保持为低电位；当使能信号EN从关断状态转换为使能状态（即EN为高电平）时，基准产生电路开始工作，并输出偏置信号供转换速率控制电路使用，同时时钟振荡器也开始工作，并输出时钟信号 Clk供转换速率控制电路和计时器使用；当VOUT端电压小于阈值时，转换速率控制电路在时钟信号的控制下开始对功率管的栅端进行间歇式放电，这种方式可以防止功率管过快开启，造成较大的浪涌电流，随着功率管栅端电压的下降，功率管开始逐渐开启，当VOUT端电压大于等于阈值时，计时器开始工作，在完成设定时间的计数后，输出高电平，控制下拉开关组件导通，从而将功率管的栅端固定拉低到低电位，同时关断时钟振荡器、基准产生电路、转换速率控制电路以及计时器，即将负载开关的整个控制电路关断，不再消耗功耗，因此本实施例提出的负载开关的控制电路仅在需要进行功率管导通转换时工作，而在其他时间不工作，可以极大的降低该部分电路的功耗，实现超低功耗（纳安（nA）级别），几乎零功耗（因负载开关导通过程时间占据整个系统供电过程时间的很小一部分，因此该过程的功耗可以忽略不计，即可实现几乎零功耗）。另外，转换速率控制电路通过芯片内部的阻性器件和/或外部的阻性器件来调节功率管栅端放电电流的大小，从而控制功率管栅端放电的速率，以实现功率管转速速率可调的目的。

需要说明的是，上述阈值可根据实际需求进行调节，其由负载对电源的性能要求来决定，例如，若负载要求电源误差在正负10%范围内，则只要VOUT端电压从0上升至0.9倍VIN电压时即可导通功率管为后端负载进行正常供电，此时，需要调节的阶段即为VOUT端电压从0上升至0.9倍VIN电压阶段时的P型功率管导通转换速率，因此阈值可以设置为0.9倍VIN电压；当然，若负载要求电源误差更小，即精度更高的情况下，可以设置更接近VIN电压的电压阈值，若负载要求电源误差更大，即精度要求较低的情况下，可以设置更小的电压阈值。

此外，本实施例采用的下拉开关组件由电阻Rc和MOS管Mc，其中，电阻Rc一端连接P型功率管的栅端，另一端连接MOS管Mc的漏端，MOS管Mc的栅端连接计数器的输出端，MOS管Mc的源端接地。需要说明的是，图1中所示的MOS管Mc仅用于示例性说明，并不对此进行限定，即在另外的可选实施方式中，也可以采用其他可控的开关器件来实现。

实施例2：

本实施例对上述实施例1提出的计时器进行了进一步优化，具体如图2所示，本实施例的计时器包括检测电路、计时电路以及输出电路；

其中，检测电路用于控制计时时间起始点，主要由比较器12、电阻R4、电阻R5以及MOS管mn8构成；其中，电阻R4的一端连接VIN端，另一端连接电阻R5的一端以及比较器I2的反相输入端，电阻R5的另一端连接MOS管mn8的漏极，MOS管mn8的栅极和比较器I2的使能端均连接Ctrl信号，MOS管mn8的源极接地，比较器的正相输入端接VOUT端，比较器的输出端输出的信号作为计时电路以及输出电路的输入。本实施例通过比较VOUT端电压与阈值，来控制计时器是否开始计时，其中，通过电阻R4和电阻R5构成的分压电路对VIN进行分压可以得到阈值VR，具体的分压比可根据转换速率调整时间长度来调整。Ctrl信号是由计时器输出信号反相后和使能信号EN与逻辑得到，即如图1所示的计数器输出信号经过非门I0后输入到与门I10中，与使能信号EN与逻辑得到Ctrl信号。需要说明的是，图2中MOS管mn8仅用于示例性说明，并不对此进行限定，在另外的优选实施方式中，也可以采用其他可控开关器件，例如三极管、电控开关等等。

计时电路在检测电路的触发下实现计时功能，包括若干个D型触发器（即I3、I4、…In），其中，若干个D型触发器依次串联连接，第一D型触发器（即I3）的CLK端接时钟振荡器的输出端，即接Clk信号，最后一个D型触发器（即In）的Q端作为输出端输出的信号作为输出电路的输入，且所有D型触发器的复位端均连接比较器的输出端，即若干个D触发器的复位端R由比较器的输出电平进行控制；D型触发器的数量由计时时长决定，该计时时长应等于总的转换时间减去转换速率控制阶段时间后的剩余时间+缓冲时间（即该计时时长应当大于总的转换时间减去转换速率控制阶段时间后的剩余时间）。需要说明的是，缓冲时间的设置是保证VOUT端输出电压的稳定性。

输出电路用于保证输出电压稳定后进行输出控制，主要包括延时器（即I5）、两个D型触发器（即I6和I7）、与门（即I8）和非门（即I9）；其中，延时器I5的输入端连接检测电路的输出端，即比较器的输出端，延时器的输出端连接触发器I6的CLK端，触发器I6的Q端连接与门I8的一个输入端，触发器I7的CLK端连接计时电路的输出端，即串联的若干个触发器中最后一个触发器的Q端（即In），触发器I7的Q端连接与门I8的另一个输入端，两个D型触发器的复位端R均接非门I9的输出端，非门I9的输入端接使能信号EN。本实施例通过设置延时器来过滤掉突变脉冲信号，即在存在突变脉冲信号时，不进行计时输出，只有在VOUT信号稳定的情况下，才进行计时输出，从而关闭控制电路。

本实施例提出的计数器电路工作原理为：当Ctrl为高电位，MOS管mn8导通，电阻R4和电阻R5对VIN端电压进行分压得到阈值VR，当VOUT端电压小于阈值VR电压时，比较器I2输出低电平，则触发器I3、I4至In均为复位状态，In输出为低电平，I7的Q端输出也为低电平，从而使得I8的输出SR_COMP为低电平，则MOS管Mc关闭，P型功率管由转换速率控制电路控制；Ctrl当EN信号为高的时候其逻辑状态与SR_COMP为反相状态，所以Ctrl为高电位是电路初始的一个稳定状态；当VOUT端电压大于等于阈值VR电压时，比较器I2输出高电平，则触发器I3、I4至In之间的若干D型触发器开始工作，将I3的时钟输入信号进行分频处理，也即为计时功能，当计时结束，In输出由低转高，使I7的Q端输出高电平至I8，同时由于I2输出的高电平经延时器延迟10ns左右的时间后传输至I6，使I6的Q端输出也为高电平，所以I8的两个输入端均为高电平，输出SR_COMP也转为高电平，则MOS管Mc导通，将P型功率管下拉至低电压，使得P型功率管保持导通，同时反相后的信号Ctrl则转为低电平，从而关闭基准产生电路、时钟振荡器、计时器和转换速率控制电路，以实现超低功耗的目的。计时开始检测电路部分可以有效的控制计时时间起始点，这样可以保证在任一转换速率下都能实现转换速率有效控制，当计时电路部分计时结束，则关闭所有耗电电路，并通过打开MOS管Mc实现功率管完全导通。:

实施例3：

本实施例对上述实施例提出的转换速率控制电路作了进一步优化，具体如图3所示，本实施例的转换速率控制电路包括线性控制部分和启动加速部分。

其中，线性控制部分主要包括电阻R1、MOS管mp1、MOS管mn1、MOS管mn2、非门I1、MOS管mn3和电阻R2；其中，电阻R1一端连接VIN，电阻R1另一端连接mn1的漏端，mn1的栅端接时钟信号Clk信号，mn1的源端连接mn3的漏端和mn2的源端，mn2的栅端接非门I1的输出端，非门I1的输入端接时钟信号Clk信号，mn2的漏端连接P型功率管的栅端（即vgate端）和mp1的漏端，mp1的源端接VIN，mp1的栅端接使能信号EN，mn3的栅端接Ctrl，mn3的源端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地。本实施例通过时钟信号Clk来控制mn1和mn2交替工作，从而实现P型功率管栅端（即vgate）间歇式放电。本实施例中通过设置R2来控制vgate端放电电流大小，该电阻R2的阻值可根据实际需要选取。进一步的，因为电阻R2集成于芯片内部，不便于实时调节，本实施例还可以通过外设电阻R3来实时调节放电电流，该外设电阻R3通过管脚Pg和VSS并联至芯片内部电阻R2的两端，因此通过调节电阻R3的阻值，即可实现放电电流的实时调节。

需要说明的是：图3所示通过设置电阻R2或者电阻R2+外设电阻R3来控制放电电流仅用于示例性说明，在另外的优选实施方式中，也可以不设置电阻R2，直接通过外设电阻R3来调节放电电流即可。

启动加速部分主要包括MOS管mn4、MOS管mn5、MOS管mn6、MOS管mp4、MOS管mn7、MOS管mp2和MOS管mp3。Mn4的栅端、mn6的栅端和mn7的栅端均接基准产生电路的输出端，即vbias端，mn4的漏端连接vgate端，mn4的源端连接mn5的源端和mn6的漏端，mn6的源端接地，mn5的漏端接VIN，mn5的栅端接mp4的源端和mp2的漏端，mp2的源端接VIN，mp2的栅端接mp3的栅端和mp3的漏端，mp3的源端接VIN，mp3的漏端接mn7的漏端，mp4的栅端接VOUT端，mp4的漏端接地，mn7的源端接地。本实施例通过设置启动加速部分在VOUT端刚开启阶段，VOUT端电压较小时，通过增大放电电流，对vgate端辅助放电，从而加速该阶段，当VOUT端电压升高到一定值时，关闭辅助放电电路，使vgate端以较小的电流进行放电，从而保证转换速率调整的线性度。

需要说明的是：图3所示启动加速部分中mp2、mp3和mn7用于将mn5拉高，其仅仅是一种示例性说明，并不对此进行限制，即在另外的可选实施方式中，也可以采用具有一定阻值的阻性器件来实现。

本实施例提出的转换速率控制电路工作原理为：电源VIN上电后，使能信号EN为低电平时，MOS管mp1开启，Ctrl信号为低电平，MOS管mn3关断，没有电流流经MOS管mn1和mn2，P型功率管的栅端vgate为高电平，同时vbias信号是由基准产生模块产生的偏置信号，该信号为低电平，所以MOS管mn4、mn6和mn7均为关断状态，VOUT端此时由于P型功率管没有开启，所以也为低电平，使MOS管mp4到导通，并将MOS管mn5的栅端拉低以关断MOS管mn5；当使能信号EN由低电位转为高电位时，MOS管mp1关断，Ctrl信号变为高电平，MOS管mn3导通，并且时钟振荡器开始输出时钟信号Clk，在时钟信号Clk控制下MOS管mn1和mn2交底开启，开始间歇性地对P型功率管的栅端vgate放电，使其电压线性降低，电阻R2和外部电阻R3并联连接，可以控制放电电流的大小，进而调节vgate端电压降低的速度，从而可以控制功率管的转换速率可调。同时基准产生模块产生的偏置信号vbias为高电平，使MOS管mn4、mn6、mn7导通，当VOUT电压较低时MOS管mp4开启，MOS管mn5的栅端被拉低，从而关断MOS管mn5，这样由MOS管mn4和mn6导通产生的电流会在开启阶段辅助对P型功率管的栅端vgate放电，当VOUT电压开始上升后，MOS管mp4的源端也会随之上升，从而开启MOS管mn5，这样由MOS管mn6产生的电流会流经mn5，进而拉高MOS管mn5的源端电位，从而关闭MOS管mn4，保证vgate电压在功率管的导通阈值附近可以以较小的电流进行放电，从而保证转换速率调整的线性度。由于放电电流的大小不依赖于电源电压的大小，所以可以得到与电源无关的转换速率的负载开关。转换速率线性控制部分可以使功率管的转换速率呈现高线性度，这样有利于芯片负载端的启动及控制；启动加速部分可以在VOUT电压较低时加速转换速率，因为在vgate达到导通阈值之前的时候功率管仍然是关断的，所以启动加速部分可以加快功率管的启动，减小延迟时间的目的；若是通过外设电阻R3来进行调节转换速率，则转换速率可根据用户需要更换不同的阻值，以实现转换速率可调，操作简单，成本低。

上述实施例中的基准产生电路、时钟振荡器均可采用现有器件，此处不再过多赘述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，其特征在于，所述负载开关包括时钟振荡器、基准产生电路、计时器、P型功率管和转换速率控制电路；

其中，所述时钟振荡器在外部使能信号的控制下产生时钟信号；

所述计时器在外部使能信号、输出电压以及时钟信号的控制下开始计时，并能够在所述P型功率管导通且输出电压稳定后输出信号控制关断所述时钟振荡器、基准产生电路、计时器和转换速率控制电路；

所述基准产生电路在外部使能信号的控制下产生偏置信号；

所述转换速率控制电路在外部使能信号、时钟信号和偏置信号的控制下对所述P型功率管的栅端开始间歇性放电，并通过调节放电电流大小来实现所述P型功率管的导通转换速率可控；

所述P型功率管的源端连接电源输入端，所述P型功率管的漏端连接电源输出端，所述P型功率管的栅端连接所述转换速率控制电路的输出端，所述P型功率管的栅端还通过下拉开关组件接地，所述下拉开关组件在所述计时器的控制下导通或关断。

2.根据权利要求1所述的一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，其特征在于，所述计时器包括检测电路、计时电路和输出电路；

所述检测电路在外部使能信号以及输出电压的控制下输出信号至计时电路和输出电路；

所述计时电路在所述检测电路输出信号的控制下开始计时；

所述输出电路用于保证输出电压稳定后进行计时输出控制所述时钟振荡器、基准产生电路、计时器和转换速率控制电路关断并通过导通下拉开关组件保持所述P型功率管完全导通。

3.根据权利要求2所述的一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，其特征在于，所述检测电路包括比较器、电阻R4、电阻R5；

其中，所述电阻R4和电阻R5串联连接在电源输入端和地之间，作为分压电路，所述比较器的反相输入端连接所述电阻R4和电阻R5的公共连接端，所述比较器的正相输入端连接电源输出端，所述比较器的输出端输出信号至所述计时电路和所述输出电路，所述比较器的使能端连接Ctrl信号；在所述分压电路上还设置一个可控开关，所述可控开关由所述Ctrl信号控制导通或关闭；

所述Ctrl信号通过使能信号与所述计时器输出的反相信号逻辑与得到。

4.根据权利要求3所述的一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，其特征在于，所述电阻R4和电阻R5构成的分压电路对输入电源电压进行分压得到阈值电压；具体的分压比根据导通转换速率调整时间长度来确定。

5.根据权利要求3所述的一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，其特征在于，所述计时电路包括若干个D型触发器I3、I4、…In，若干个D型触发器I3、I4、…In依次串联连接，其中，D型触发器I3的CLK端接时钟信号，D型触发器In的Q端作为所述计时电路的输出端输出信号至所述输出电路，若干个D型触发器I3、I4、…In的复位端均连接所述比较器的输出端。

6.根据权利要求5所述的一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，其特征在于，所述计时电路中的D型触发器的数量由计时时长决定，所述计时时长应当大于总的转换时间减去转换速率控制阶段时间后的剩余时间。

7.根据权利要求5所述的一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，其特征在于，所述输出电路包括延时器、D型触发器I6、D型触发器I7、与门和非门；

所述延时器的输入端连接所述比较器的输出端，所述延时器的输出端连接D触发器I6的CLK端，所述D型触发器I6的Q端连接与门的一个输入端，所述D型触发器I7的CLK端连接所述计时电路的输出端，所述D型触发器I7的Q端连接与门的另一个输入端，D型触发器I6和D型触发器I7的复位端均连接非门的输出端，非门的输入端连接使能信号。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，其特征在于，所述转换速率控制电路包括线性控制部分和启动加速部分；

所述线性控制部分在使能信号和时钟信号的控制下间歇性地对所述P型功率管栅端放电，并通过调整放电电流来控制所述P型功率管栅端放电速度，从而使得所述P型功率管导通转换速率可控；

所述启动加速部分在输出电压低于导通阈值之前辅助所述线性控制部分对所述P型功率管栅端放电，加快所述P型功率管的启动。

9.根据权利要求8所述的一种基于计时器控制的超低功耗负载开关，其特征在于，所述转换速率控制电路通过设置内部电阻来控制所述P型功率管栅端放电电流的大小；

或者，所述转换速率控制电路通过设置内部电阻以及与内部电阻并联的外部电阻来控制所述P型功率管栅端放电电流的大小，通过调节所述外部电阻的阻值即可实现放电电流的调节；

或者，所述转换速率控制电路通过设置外部电阻来控制所述P型功率管栅端放电电流的大小，通过调节所述外部电阻的阻值即可实现放电电流的调节。

10.基于权利要求1-9任一项所述的超低功耗负载开关的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

系统上电后，使能信号为关断状态，控制所述P型功率管关闭，此时所述电源输出端由于没有供电通路，保持为低电位；

当使能信号从关断状态转换为使能状态时，控制所述基准产生电路、所述时钟振荡器、所述转换速率控制电路和所述计时器开始工作，此时所述基准产生电路输出偏置信号供所述转换速率控制电路使用，所述时钟振荡器输出时钟信号供所述转换速率控制电路和所述计时器使用；

检测到输出电压小于阈值时，通过时钟信号控制所述转换速率控制电路开始对所述P型功率管的栅端进行间歇式放电；

检测到输出电压大于等于阈值时，控制所述计时器开始计时，所述计时器在完成计时后输出信号控制所述下拉开关组件导通，从而将所述P型功率管栅端固定拉低到低电位，同时关断所述时钟振荡器、基准产生电路、转换速率控制电路和计时器。