CN219285634U

CN219285634U - 一种用于电源快速切换的低功耗基准源电路

Info

Publication number: CN219285634U
Application number: CN202320047044.4U
Authority: CN
Inventors: 陈昭祥; 吕美多
Original assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Current assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Priority date: 2023-01-07
Filing date: 2023-01-07
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2033-01-07

Abstract

本发明公开了一种用于电源快速切换的低功耗基准源电路，包括：外部电源监测模块，监测电源电压并与阈值进行比较；内部电源选择切换模块，用于选择外部电源，产生内部电源和切换隔离信号；基准电压产生电路，产生一个或多个内部基准电压；高驱动电路，增强输出电压的驱动能力；隔离控制电路，隔离或导通内部基准电压，使能和选通高驱动电路，产生启动标识信号。本发明适用于多电源供电系统，多个电源域共用一个基准，减小面积并降低功耗；在电源进行快速及反复切换时，隔离输出基准电压，避免基准不稳定造成系统功能异常；启动、调试、特殊应用时，使能高驱动电路快速响应，正常工作时，关闭高驱动电路降低功耗。

Description

一种用于电源快速切换的低功耗基准源电路

技术领域

本发明涉及一种用于电源快速切换的低功耗基准源电路，属于模拟集成电路设计领域。

背景技术

随着物联网、智能家居以及可穿戴设备的蓬勃发展，电子设备种类和数量不断增加，许多电子产品都用到了双电源或多电源协同供电，这样就存在双电源或者多电源切换的情况。

而这些产品的芯片中，都会广泛的应用到低功耗基准源，在现有双电源或多电源系统中，需要提供稳定的电源来产生基准电压，或者每个电源域下使用一个基准源，如果电源瞬间变化会引起输出基准电压有较大波动，造成系统功能异常。目前还没有在多电源瞬间切换时，输出还能保持稳定的低功耗基准源，因此针对此问题设计的低功耗基准源存在很大的意义。

实用新型内容

本发明提供一种用于电源快速切换的低功耗基准源电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明提供了一种用于电源快速切换的低功耗基准源电路，其特征在于：

该电源快速切换的低功耗基准源主要包括外部电源监测模块、内部电源选择切换模块、基准电压产生电路、高驱动电路及隔离控制电路；

所述外部电源监测模块，对外部的各个电源电压进行监测并与阈值进行比较，分别监测外部第1、2、…、n外部电源信号的电压，并通过分别与阈值进行比较，分别输出比较结果第1、2、…、n复位信号；

所述内部电源选择切换模块，与所述外部电源监测模块相接，用于接收所述外部电源监测模块的比较结果第1、2、…、n复位信号，通过预设的逻辑运算，对第1、2、…、n外部电源信号进行选择，产生内部电源VIN和用于隔离控制的第1控制信号；

所述基准电压产生电路，与所述内部电源选择切换模块相接，用于在内部电源域下产生内部基准电压，可输出第1、2、…、n内部基准信号；

所述高驱动电路，与所述内部电源选择切换模块、所述基准电压产生电路、所述隔离控制电路相接，用于增强第1内部基准信号的驱动能力，输出高驱动内部基准信号；

所述隔离控制电路，与所述内部电源选择切换模块、所述基准电压产生电路、所述高驱动电路相接，用于接收所述内部电源选择切换模块的第1控制信号，通过内部逻辑运算和隔离开关网络电路，控制第1、2、…、n输出基准信号隔离或导通第1、2、…、n内部基准信号；用于产生第2控制信号，使能和选通高驱动电路；用于产生作为启动标识信号的第3控制信号。

本发明所涉及的一种用于电源快速切换的低功耗基准源的优势主要有以下几点：

适用于多电源供电系统，多个电源域共用一个基准，减小电路面积并降低功耗；

在电源进行快速及反复切换时，可以隔离输出基准电压，保证基准电压的稳定，避免电源间的电压跳变引起系统功能异常；

有高驱动功能，可以在基准源启动时，较快的输出基准电压，另外也可以应用于需要高驱动功能的各种调试及特殊应用场景；同时在正常工作场景下，可以关闭高驱动电路，保证整个基准源满足低功耗的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的整体电路原理图

图2为本发明实施例提供的在启动模式下隔离开关网络的工作状态示意图

图3为本发明实施例提供的在启动模式下隔离开关网络的时序图

图4为本发明实施例提供的在正常工作模式下隔离开关网络的工作状态示意图

图5为本发明实施例提供的在正常工作模式下隔离开关网络的时序图

图6为本发明实施例提供的在特殊应用及调试模式下隔离开关网络的工作状态示意图

图7为本发明实施例提供的在特殊应用及调试模式下隔离开关网络的时序图

图8为常用基准电压产生电路的示意图

具体实施方式

下面将结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不局限于以下所述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种用于电源快速切换的低功耗基准源电路，参阅图1，该电源快速切换的低功耗基准源主要包括外部电源监测模块、内部电源选择切换模块、基准电压产生电路、高驱动电路及隔离控制电路；

具体地，所述外部电源监测模块，对外部的各个电源电压进行监测并与阈值进行比较，分别监测外部第1、2、…、n外部电源信号VDD1、VDD2、…、VDDn的电压，并通过分别与阈值进行比较，分别输出比较结果第1、2、…、n复位信号POR1、POR2、…、PORn；

所述内部电源选择切换模块，与所述外部电源监测模块相接，用于接收所述外部电源监测模块的比较结果第1、2、…、n复位信号POR1、POR2、…、PORn，通过预设的逻辑运算，对第1、2、…、n外部电源信号VDD1、VDD2、…、VDDn进行选择，产生内部电源VIN和用于隔离控制的第1控制信号ISO；

所述基准电压产生电路，与所述内部电源选择切换模块相接，用于在内部电源域下产生内部基准电压，可输出第1、2、…、n内部基准信号VBG1、VBG2、…、VBGn；

所述高驱动电路，与所述内部电源选择切换模块、所述基准电压产生电路、所述隔离控制电路相接，用于增强第1内部基准信号VBG1的驱动能力，输出高驱动内部基准信号VBG1_HDRV；

所述隔离控制电路，与所述内部电源选择切换模块、所述基准电压产生电路、所述高驱动电路相接，用于接收所述内部电源选择切换模块的第1控制信号ISO，通过内部逻辑运算和隔离开关网络电路，控制第1、2、…、n输出基准信号VREF1、VREF2、…、VREFn隔离或导通第1、2、…、n内部基准信号VBG1、VBG2、…、VBGn；用于产生第2控制信号DRV_EN，使能和选通高驱动电路；用于产生作为启动标识信号的第3控制信号BGOK。

在具体实施例中，上述外部电源监测模块可采用，但并不限于比较器结构、RC电路结构等上电复位电路。若采用常用比较器型上电复位电路，通过比较器基准端和电源端电压的比较结果来输出复位信号，还可通过第3控制信号BGOK控制比较器基准端电压切换。第3控制信号BGOK为低电平时，比较器基准端为上述外部电源监测模块的内部基准，可采用但并不限于基于二极管的基准源、基于MOS器件阈值电压的基准源、其他带隙基准源等；第3控制信号BGOK变为高电平时，比较器基准端切换为第1输出基准信号VREF1，同时可关闭上述外部电源监测模块的内部基准，降低功耗；

上述内部电源选择切换模块，可采用1、2、…、n个PMOS开关作为选择开关，控制第1、2、…、n外部电源信号VDD1、VDD2、…、VDDn选通内部电源VIN；可采用但并不限于RC充电、时钟计数、系统直接控制等，产生第1控制信号ISO。第1控制信号ISO用于隔离控制，可采用低电平脉冲信号，高电平为非隔离状态，低电平为隔离状态；每一次电源切换时会触发一个低电平脉冲，低电平的时间为T_ISO，T_ISO要大于电源切换的稳定时间，要小于C1*ΔVREF1/Ileak，其中C1为第1输出基准信号VREF1的输出电容，ΔVREF1为基准电压精度限制的最大偏差电压，Ileak为隔离状态时第1输出基准信号VREF1上的漏电流；

上述基准电压产生电路可采用，但并不限于常用低功耗带隙基准电路，可参阅图8；

上述高驱动电路可采用，但并不限于常用单位增益缓冲器电路；

上述隔离控制电路可采用，但并不限于RC充电、时钟计数、阈值比较等，产生第3控制信号BGOK。第3控制信号BGOK为基准启动标识信号，可采用，高电平为第1输出基准信号VREF1的电压达到预期值，低电平为基准未完成启动，启动时间为Tset。第2控制信号DRV_EN是上述高驱动电路的控制信号，可采用，高电平为使能和选通高驱动电路，低电平为关闭和非选通高驱动电路；可采用内部逻辑运算，在基准启动时用第3控制信号BGOK来控制第2控制信号DRV_EN，实现基准快速启动；还可在基准启动后，系统直接控制第2控制信号DRV_EN，实现调试和特殊应用的高驱动需求。

在本实施例中，参阅图1，所述外部电源监测模块输入端接第1、2、…、n外部电源信号VDD1、VDD2、…、VDDn，输出端接第1、2、…、n复位信号POR1、POR2、…、PORn。

在本实施例中，参阅图1，所述内部电源选择切换模块输入端接第1、2、…、n外部电源信号VDD1、VDD2、…、VDDn及第1、2、…、n复位信号POR1、POR2、…、PORn，输出端接第1控制信号ISO，及内部电源信号VIN。

在本实施例中，参阅图1，所述基准电压产生电路输入端接内部电源信号VIN，输出端接第1、2、…、n内部基准信号VBG1、VBG2、…、VBGn。

在具体实施例中，参阅图8，上述基准电压产生电路包括3个MOS管、2个三极管、n+5个电阻、1个运算放大器；

具体地，内部电源VIN接第1MOS管M1源极、第2MOS管M2源极、第3MOS管M3源极，运算放大器的输出端接第2MOS管M2栅极、第3MOS管M3栅极，第1电阻R1的一端接第1MOS管M1漏极、第1三极管Q1发射极，第2MOS管M2漏极接第5电阻R5的一端、第2电阻R2的一端，运算放大器的正输入端接第1电阻R1的另一端、第3电阻R3的一端，运算放大器的负输入端接第2电阻R2的另一端、第4电阻R4的一端，第5电阻R5的另一端接第2三极管Q2的发射极，第1三极管Q1的基极和集电极接地，第2晶体管Q2的基极和集电极接地，第3MOS管M3漏极接第6电阻R6的一端、第1内部基准信号VBG1，第6电阻R6的另一端接第7电阻R7的一端、第2内部基准信号VBG2，…，第n+4电阻Rn+4的另一端接第n+5电阻Rn+5的一端、第n内部基准信号VBGn，第3电阻R3的另一端、第4电阻R4的另一端、…、Rn+5的另一端接地。

在本实施例中，参阅图1，所述高驱动电路输入端接内部电源信号VIN、第1内部基准电压信号VBG1、第2控制信号DRV_EN，输出端接高驱动内部基准信号VBG1_HDRV。

在本实施例中，参阅图1，所述隔离控制电路输入端接内部电源信号VIN、高驱动内部基准信号VBG1_HDRV、第1控制信号ISO、第1、2、…、n内部基准信号VBG1、VBG2、…、VBGn，输出端接第2控制信号DRV_EN、第3控制信号BGOK、第1、2、…、n输出基准信号VREF1、VREF2、…、VREFn。

在本实施例中，参阅图2、4、6，所述隔离控制电路内部的隔离开关网络，包括13个开关第1、2、…、13开关S1、S2、…、S13，3个电容第1、2、3电容C1、C2、C3；

具体地，第3开关S3的一端接第1内部基准信号VBG1，第3开关S3的另一端接地，第13开关S13的一端接高驱动内部基准信号VBG1_HDRV，第13开关S13的另一端接第1开关S1、第2开关S2的一端，第1开关S1的另一端与第1内部基准信号VBG1相连，第2开关S2另一端接第1电容C1上级板连接、第1输出基准信号VREF1；

第4开关S4的一端接第2(或3、…、或n)内部基准信号VBG2(或VBG3、…、或VBGn)，第4开关S4的另一端接第5开关S5、第6开关S6的一端、第2(或3、…、或n)输出基准信号VREF2(或VREF3、…、或VREFn)，第5开关S5的另一端接地，第6开关S6的另一端接第7开关S7的一端、第8开关S8的一端、第2电容C2的上级板，第7开关S7的另一端接地，第2电容C2的下级板接地，第8开关S8的另一端接第9开关S9、第10开关S10的一端、第3电容C3的上级板，第3电容C3的下级板接地，第9开关S9的另一端接第2(或3、…、或n)输出基准信号VREF2(或VREF3、…、或VREFn)，第10开关S10的另一端接第11开关S11的一端、第12开关S12的一端，第12开关S12的另一端接地，第11开关S11的另一端接第1输出基准信号VREF1；

其中，第4、5、…、12开关S4、S5、…、S12和第2电容C2、第3电容C3作为一组开关网络，对应一组信号第2内部基准信号VBG2和第2输出基准信号VREF2。相应的n-2组信号第3、4、…、n内部基准信号VBG3、VBG4、…、VBGn和第3、4、…、n输出基准信号VREF3、VREF4、…、VREFn，对应n-2组同样连接方式的开关网络。

在具体实施例中，上述隔离开关网络会工作在两种模式下，包括启动或高驱动模式、正常工作模式。在两种模式下，当电源切换时，隔离开关网络会有不同的控制逻辑；

具体地，启动时工作模式变化如下，参阅图2、图3，在第3控制信号BGOK为低电平时，控制第2控制信号DRV_EN为高电平，使能和选通高驱动电路，控制开关第13开关S13、第2开关S2、第5开关S5、第7开关S7、第10开关S10、第11开关S11闭合，控制开关第1开关S1、第3开关S3、第4开关S4、第6开关S6、第8开关S8、第9开关S9、第12开关S12断开，此时隔离开关网络为启动或高驱动模式，此时第1输出基准信号VREF1和高驱动内部基准信号VBG1_HDRV通过第13开关S13、第2开关S2相连，第2(或3、…、或n)输出基准信号VREF2(或VREF3、…、或VREFn)通过第5开关S5(或相应n-2组开关网络里的对应开关)接地，电容C1、C3和相应n-2组开关网络里的对应电容快速充电，经过稳定时间Tset后，第1输出基准信号VREF1达到预期电压，第3控制信号BGOK会变为高电平；然后，控制第2控制信号DRV_EN变为低电平，关闭和非选通高驱动电路，控制开关第1开关S1、第2开关S2、第4开关S4、第6开关S6、第8开关S8、第12开关S12闭合，控制开关第13开关S13、第3开关S3、第5开关S5、第7开关S7、第9开关S9、第10开关S10、第11开关S11断开，其中第4开关S4会延时一段时间Td后闭合，此时隔离开关网络为正常工作模式，此时第1输出基准信号VREF1和第1内部基准信号VBG1通过第1开关S1、第2开关S2相连，第2(或3、…、或n)输出基准信号VREF2(或VREF3、…、或VREFn)和第2(或3、…、或n)内部基准信号VBG2(或VBG3、…、或VBGn)通过第4开关S4(或相应n-2组开关网络里的对应开关)相连；

上述启动过程中，在第8开关S8导通的瞬间，第3电容C3正极板电压为VREF1，第2电容C2正极板电压为0，而第2电容C2与第3电容C3存在比例关系，且VREF1>VREF2>…>VREFn，若输出基准信号VREF1/VREF2＝k，则电容取值C2/C3＝k-1，由于电荷量总数不变，第8开关S8导通后第2电容C2和第3电容C3正极板电压的稳定值即为想要的VREF2的电压值；其中，可采用RC延时来实现Td时间，Td要大于第2电容C2和第3电容C3正极板电压的稳定时间；第3、4、…、n输出基准信号VREF3、VREF4、…、VREFn对应的n-2组开关网络中，相应的电容取值系数k和延时时间Td可参照上述同样公式计算；

具体地，在正常工作模式下发生电源切换时，参阅图4、图5，内部电源选择切换模块会控制第1控制信号ISO产生一个低电平脉冲，当ISO信号由高变低时，控制开关第1开关S1、第3开关S3、第6开关S6、第8开关S8、第12开关S12闭合，控制开关第13开关S13、第4开关S4、第5开关S5、第7开关S7、第9开关S9、第10开关S10、第11开关S11断开，此时第1、2、…、n输出基准信号VREF1、VREF2、…、VREFn和第1、2、…、n内部基准信号VBG1、VBG2、…、VBGn隔离断开，第1、2、…、n输出基准信号VREF1、VREF2、…、VREFn通过第1电容C1、第2电容C2、第3电容C3和相应n-2组开关网络里的对应电容来维持电压稳定，第1、2、…、n内部基准信号VBG1、VBG2、…、VBGn通过开关接地；等待T_ISO时间后，电源切换已完成，ISO信号由低变高，控制开关第1开关S1、第2开关S2、第4开关S4、第6开关S6、第8开关S8、第12开关S12闭合，控制开关第13开关S13、第3开关S3、第5开关S5、第7开关S7、第9开关S9、第10开关S10、第11开关S11断开，此时第1、2、…、n内部基准信号VBG1、VBG2、…、VBGn和地断开，第1、2、…、n输出基准信号VREF1、VREF2、…、VREFn和第1、2、…、n内部基准信号VBG1、VBG2、…、VBGn重新导通，由于低功耗基准电压产生电路的输出支路电流很小，第1、2、…、n内部基准信号VBG1、VBG2、…、VBGn受电容影响会迅速恢复为稳定值，保证整个切换过程中输出基准电压在可接受的精度范围内；

具体地，在启动或高驱动模式下发生电源切换时，参阅图6、图7，内部电源选择切换模块会控制第1控制信号ISO产生一个低电平脉冲，当ISO信号由高变低时，控制开关第13开关S13、第3开关S3、第4开关S4、第7开关S7、第9开关S9、第11开关S11闭合，控制开关第1开关S1、第2开关S2、第5开关S5、第6开关S6、第8开关S8、第10开关S10、第12开关S12断开，此时第1输出基准信号VREF1和第1内部基准信号VBG1隔离断开，第2、3、…、n输出基准信号VREF2、VREF3、…、VREFn和第2、3、…、n内部基准信号VBG2、VBG3、…、VBGn仍然导通，第1输出基准信号VREF1通过第1电容C1来维持电压稳定，第1内部基准信号VBG1通过开关接地，第2、…、n输出基准信号VREF2、…、VREFn通过第3电容C3和相应n-2组开关网络里的对应电容来维持电压不为0，防止调试时基准电压为0引起系统性错误；等待T_ISO时间后，电源切换已完成，ISO信号由低变高，控制开关第13开关S13、第2开关S2、第4开关S4、第7开关S7、第10开关S10、第11开关S11闭合，控制开关第1开关S1、第3开关S3、第5开关S5、第6开关S6、第8开关S8、第9开关S9、第12开关S12断开，此时第1内部基准信号VBG1和地断开，第2、…、n内部基准信号VBG2、…、VBGn和第3电容C3和相应n-2组开关网络里的对应电容断开，第1输出基准信号VREF1和第1内部基准信号VBG1重新导通，第2、3、…、n输出基准信号VREF2、VREF3、…、VREFn和第2、3、…、n内部基准信号VBG2、VBG3、…、VBGn仍然导通，由于低功耗基准电压产生电路的输出支路电流很小，第1内部基准信号VBG1受电容影响会迅速恢复为稳定值，第2、…、n内部基准信号VBG2、…、VBGn也会迅速恢复为稳定值，保证整个切换过程中输出基准电压在可接受的精度范围内。

通过列举以上实施例，对本发明的技术原理、方案、优点等进行了详细的说明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种用于电源快速切换的低功耗基准源电路，其特征在于：

该电源快速切换的低功耗基准源包括外部电源监测模块、内部电源选择切换模块、基准电压产生电路、高驱动电路及隔离控制电路；

2.根据权利要求1所述的低功耗基准源电路，其特征在于：所述的外部电源监测模块输入端接第1、2、…、n外部电源信号，输出端接第1、2、…、n复位信号。

3.根据权利要求1所述的低功耗基准源电路，其特征在于：所述内部电源选择切换模块输入端接第1、2、…、n外部电源信号及第1、2、…、n复位信号，输出端接第1控制信号，及内部电源信号。

4.根据权利要求1所述的低功耗基准源电路，其特征在于：所述基准电压产生电路输入端接内部电源信号，输出端接第1、2、…、n内部基准信号。

5.根据权利要求1所述的低功耗基准源电路，其特征在于：所述高驱动电路输入端接内部电源信号、第1内部基准电压信号、第2控制信号，输出端接高驱动内部基准信号。

6.根据权利要求1所述的低功耗基准源电路，其特征在于：所述隔离控制电路输入端接内部电源信号、高驱动内部基准信号、第1控制信号、第1、2、…、n内部基准信号，输出端接第2控制信号、第3控制信号、第1、2、…、n输出基准信号。

7.根据权利要求6所述的低功耗基准源电路，其特征在于：所述隔离控制电路内部的隔离开关网络，包括13个开关第1、2、…、13开关，3个电容第1、2、3电容；

第3开关的一端接第1内部基准信号，第3开关的另一端接地，第13开关的一端接高驱动内部基准信号，第13开关的另一端接第1开关、第2开关的一端，第1开关的另一端与第1内部基准信号相连，第2开关另一端接第1电容上级板连接、第1输出基准信号；

第4开关的一端接第2(或3、…、或n)内部基准信号，第4开关的另一端接第5开关、第6开关的一端、第2(或3、…、或n)输出基准信号，第5开关的另一端接地，第6开关的另一端接第7开关的一端、第8开关的一端、第2电容的上级板，第7开关的另一端接地，第2电容的下级板接地，第8开关的另一端接第9开关、第10开关的一端、第3电容的上级板，第3电容的下级板接地，第9开关的另一端接第2(或3、…、或n)输出基准信号，第10开关的另一端接第11开关的一端、第12开关的一端，第12开关的另一端接地，第11开关的另一端接第1输出基准信号；

其中，第4、5、…、12开关和第2电容、第3电容作为一组开关网络，对应一组信号第2内部基准信号和第2输出基准信号；相应的n-2组信号第3、4、…、n内部基准信号和第3、4、…、n输出基准信号，对应n-2组同样连接方式的开关网络。