[发明专利]一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法

说明书

本发明涉及开关电源技术领域，公开了一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法。包括：开关电源从正常工作模式进入睡眠模式时，控制DC2DC开始以关闭、工作、关闭、工作的循环状态，每次的工作时间应大于使得DC2DC内部电路启动完成并恢复DC2DC电压(如有需要)的最小时间，在循环状态中对关闭时间进行增加或者减小，直到找到合适的占空比使满足DC2DC的输出电压不小于安全值的同时占空比最小。所述安全值为系统允许的DC2DC最小输出电压；更好的是在最小输出电压和正常工作电压之间设置阈值电压作为安全值。本发明采用关闭、工作、关闭、工作循环的过程中，调节关闭时间，找到最优的占空比，极大地降低系统睡眠模式下的电流，也能确保DC2DC能正常工作。

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，特别是一种降低系统睡眠功耗的开关电源自适应占空比调节方法。

背景技术

电源管理电路是现代模拟+射频+数字电路SOC芯片中非常重要的部分。电源管理电路一般包括一个开关电源转换器(Switch Power Regulator，直流-直流开关电源转换器一般简称为DC/DC转换器，或者简称DC2DC，本发明中简称为DC2DC)，和若干个LDO。在使用电池的供电的SOC系统中，这个开关电源一般是直流-直流降压型开关电源转换器(BUCK)。以使用锂电池供电的SOC电源管理电路为例，其大致结构如图1所示。其中，开关电源的主要作用将内部电路消耗的电流，以较高的效率转换到电池/电源电压下。例如，如果DC2DC输出电压是1.05V，输出电流是10mA，而这个时候，电池/电源电压是3V，转换效率是85％，那么这个时候在电池/电源端看到的电流就应该是：1.05*10/3/85％＝4.12mA。而LDO的作用是将DC2DC输出的电压进一步降压后分配给SOC内部不同的模块使用，以避免各个模块之间的相互干扰，例如，射频电路和数字电路之间需要通过LDO隔离，以避免相互干扰。LDO转换效率通常较低，尤其是在输入输出压差较大的时候。

开关电源一般包括一个基准源，一个时钟，控制电路，以及上拉开关和下拉开关。图2中以降压式开关电源转换器(BUCK)为例，描述开关电源的基本结构。除了芯片内部的电路，一般在芯片外部，开关电源还需要一个电感和电容。

开关电源的效率会随着输出负载(loading)电流的减小而减小。例如，在loading电流为10mA时，DC2DC的转换效率约为85％，但是在loading电流为10uA时，转换效率可能不到20％。这是因为，DC2DC自身会消耗一定的电流，例如20uA(这已经是一个比较小的假设)。所以，在loading电流很小时，通常的DC2DC电路转换效率极为低下。

而在使用电池供电的系统芯片(SOC)中，对睡眠模式电流要求极为严格。例如，低功耗蓝牙SOC芯片，要求系统睡眠电流低于3uA。这是一个极小的数值。

还是以低功耗蓝牙芯片为例，系统睡眠模式电流主要来自几部分：

1.数字电路漏电。芯片的数字电路即使在不工作时，也不可避免存在漏电，例如，微控制单元MCU，以及各种存储器等

2.模拟/射频部分电流。在系统睡眠时，通常还要求有一个定时器在工作，这个时候，就需要一个片内的低功耗时钟电路。

由于使用电池的系统对睡眠电流要求很高，所以通常的SOC芯片在睡眠模式下，不使用自身电流较大的DC2DC。而是直接使用一些低功耗的LDO。这些LDO也是系统睡眠电流的来源。

为了降低系统睡眠电流，通常的做法是：

1.使用髙阈值的MOS管来实现数字电路，以降低睡眠模式下，数字电路的漏电。但这样做会增加数字电路的面积，增加整个芯片的成本

2.在芯片内部每个子模块的电源上加入一个开关。在睡眠模式下，如果不需要工作的子电路，就断开此开关，使得这个子模块不再消耗电流。但是这样做也会使得芯片面积增大。尤其是数字电路，对于开关上的导通电阻有一定要求，所以，必然导致芯片面积增加。