一种用供电脉冲控制的物联网电源模块的制作方法

1.本发明涉及电源控制技术领域，具体涉及一种用供电脉冲控制的物联网电源模块。


背景技术：

2.物联网电源一般采用无线传感器作为采集装置，而针对无线传感器的供电方式，需要经常更换电池以保证正常工作状态，因此，现有技术中提供新一代的无线传感器在使用寿命期间不需要更换电池或无需电池，实现自供电。在此前提下，要求电源模块中的各个芯片的功耗降至最低，而在降低功耗的同时会损失原有性能，造成性能指标降低。因此，亟需一种方案可以在不降低性能指标的前提下，使电源模块中各个器件的功率降低至目标状态。


技术实现要素：

3.本发明提供一种用供电脉冲控制的物联网电源模块，以解决现有技术中存在的上述问题。
4.本发明提供一种用供电脉冲控制的物联网电源模块，包括：电源管理模块、物联网无线传感器模块和低功耗降压转换系统，通过电源管理模块基于脉冲控制分配无线传感器的各个节点的运行功率使得当前采集能量进行匹配；基于低功耗降压转换系统控制各个物联网无线传感器模块休眠状态和唤醒状态的转换效率，降低静态电流和动态损耗。
5.优选的，所述低功耗降压转换系统通过对输出电压进行检测，若输出电压值低于设定输出值，启动一个或多个开关周期，当输出电压值超过设定输出值时，停止开关。
6.优选的，所述低功耗降压转换系统包括：电流基准源、电压基准、反馈网络、迟滞比较器、驱动电路、电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器；休眠状态时，电源管理模块基于电压基准检测输出电压是否小于基准电压，电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器不工作，工作的电路模块包括电流基准源、电压基准、反馈网络、迟滞比较器；唤醒状态时，包括驱动电路、电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器均被快速开启。
7.优选的，电源管理模块通过迟滞比较器比较基准电压和反馈电压，当迟滞比较器输出为高时，电源管理模块控制各个物联网无线传感器模块进入唤醒状态，高边功率管开启，电感电流上升；电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器快速开启；当电流峰值比较器检测到告别功率管超过峰值阈值时，高边功率管关闭，低边功率管开启；当电流过零比较器检测到低边功率管电流为零时，低边功率管关闭，一个开关周期结束；
当一个开关周期结束时，迟滞比较器检测输出是否为低，若迟滞比较器的输出为低时，电源管理模块控制各个物联网无线传感器模块进入休眠状态，并且关闭电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器。
8.优选的，还包括低功耗控制系统，所述低功耗控制系统包括：低功耗pfm比较器、采样保持电压基准、低功耗振荡器和偏置电流比较器；所述低功耗pfm比较器用于监控输出电压并在唤醒状态和休眠状态中进行切换；所述采样保持电压基准用于产生低功耗pfm比较器的输出参考电压；所述偏置电流比较器的重载检测逻辑通过时钟进行负载的判断，所述低功耗振荡器用于为重载检测逻辑提供时钟，并通过时钟分频电路，给采样保持电压基准提供保持延迟。
9.优选的，所述低功耗pfm比较器包括：重载检测逻辑电路，基于重载检测逻辑电路检测休眠状态时间，当检测到休眠状态时间超过2个时钟时，低功耗pfm比较器进入第一负载模式，当检测到休眠状态时间超过1个时钟且小于2个时钟时，则低功耗pfm比较器进入第二负载模式；反馈电阻，包括前馈电容和上端电阻并联，在高边功率管和低边功率管源漏极之间的漏电流在高温时不一致，高边功率管漏电流大于低边功率管，通过反馈电阻降低空载时漏电流。
10.优选的，所述采样保持电压基准包括带隙基准电路和采样保持电路；所述带隙基准电路输出的带隙基准每经过预设时间进行唤醒一次，刷新采样保持电路上的保持电容上的基准电压，在带隙基准电路关闭时，保持电容维持基准电压；当计时器触发时，带隙基准电路启动。
11.优选的，所述低功耗振荡器基于张弛振荡器结构形成的，两个串联的二极管连接一个nmos管形成参考电压电路，第一偏置电流流过该参考电压电路形成参考电压，第二偏置电流给充电电容充电，充电电容上极板电压与参考电压比较，对比较的输出进行自偏置；设置低功耗振荡器的三个状态，计算三个状态下的平均静态电流值。
12.优选的，当从休眠状态转换到唤醒状态时，所述偏置电流比较器的高边功率管开启，电流峰值比较器开启产生高边功率管的关闭信号，当流过高边功率管的电流大于设定值时，比较器输出上升沿信号，以关闭高边功率管；高边功率管关闭后，低边功率管开启，在电感电流的作用下，低边功率管电流方向从源极到漏极，且电流逐渐减小直至减小到零，当电流减小到零时，关闭低边功率管；所述偏置电流比较器基于过零电流比较器放大极采用的源极输入结构，产生输入对管的栅极偏置电压；当低边功率管电流减小到一定值时，过零电流比较器输出反转，通过调控过零电流比较器和驱动延迟匹配，补偿延迟造成的误差，在低边功率管电流的实际值过零时关闭低边功率管。
13.优选的，还包括同步降压转换器，所述同步降压转换器包括功率开关、反馈和控制电路、电感和电容元器件，所述功率开关对电能进行转换，所述电感和电容元器件对输出信号进行滤波，所述反馈和控制电路输出由反馈电压控制的脉宽调制信号控制功率开关；所述功率开关集成在电源芯片上，采用高压nmos管作为低边功率管开关，采用高压pmos管或nmos管作为高边功率开关；低边功率管开关和高边功率管开关互补形成直流到开关的电压转换，经过电感和电容元器件组成的滤波器形成输出电压；
通过反馈和控制电路采用反馈控制，基于误差放大器检测并放大反馈的误差信号，误差放大器的输出与锯齿波比较产生pwm信号，pwm信号通过驱动电路控制功率开关。
14.与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供一种用供电脉冲控制的物联网电源模块，包括：电源管理模块、物联网无线传感器模块和低功耗降压转换系统，通过电源管理模块基于脉冲控制分配无线传感器的各个节点的运行功率使得当前采集能量进行匹配；基于低功耗降压转换系统控制各个物联网无线传感器模块休眠状态和唤醒状态的转换效率，降低静态电流和动态损耗。
15.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
16.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
17.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为本发明实施例中一种用供电脉冲控制的物联网电源模块的结构示意图；图2为本发明实施例中低功耗降压转换系统的结构示意图；图3为本发明实施例中同步降压转换器的结构示意图。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
19.本发明实施例提供了一种用供电脉冲控制的物联网电源模块，请参照图1，该电源模块包括以下几个部分：电源管理模块、物联网无线传感器模块和低功耗降压转换系统，通过电源管理模块基于脉冲控制分配无线传感器的各个节点的运行功率使得当前采集能量进行匹配；基于低功耗降压转换系统控制各个物联网无线传感器模块休眠状态和唤醒状态的转换效率，降低静态电流和动态损耗。
20.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是包括：电源管理模块、物联网无线传感器模块和低功耗降压转换系统，通过电源管理模块基于脉冲控制分配无线传感器的各个节点的运行功率使得当前采集能量进行匹配；基于低功耗降压转换系统控制各个物联网无线传感器模块休眠状态和唤醒状态的转换效率，降低静态电流和动态损耗。
21.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案包括：电源管理模块、物联网无线传感器模块和低功耗降压转换系统，通过电源管理模块基于脉冲控制分配无线传感器的各个节点的运行功率使得当前采集能量进行匹配；基于低功耗降压转换系统控制各个物联网无线传感器模块休眠状态和唤醒状态的转换效率，降低静态电流和动态损耗。
22.在另一实施例中，所述低功耗降压转换系统通过对输出电压进行检测，若输出电压值低于设定输出值，启动一个或多个开关周期，当输出电压值超过设定输出值时，停止开关。
23.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述低功耗降压转换系统通过对输出电压进行检测，若输出电压值低于设定输出值，启动一个或多个开关周期，当输出电压值超过设定输出值时，停止开关。
24.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述低功耗降压转换系统通过对输出电压进行检测，若输出电压值低于设定输出值，启动一个或多个开关周期，当输出电压值超过设定输出值时，停止开关。
25.在另一实施例中，如图2所示，所述低功耗降压转换系统包括：电流基准源、电压基准、反馈网络、迟滞比较器、驱动电路、电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器；休眠状态时，电源管理模块基于电压基准检测输出电压是否小于基准电压，电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器不工作，工作的电路模块包括电流基准源、电压基准、反馈网络、迟滞比较器；唤醒状态时，包括驱动电路、电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器均被快速开启。
26.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述低功耗降压转换系统包括：电流基准源、电压基准、反馈网络、迟滞比较器、驱动电路、电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器；休眠状态时，电源管理模块基于电压基准检测输出电压是否小于基准电压，电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器不工作，工作的电路模块包括电流基准源、电压基准、反馈网络、迟滞比较器；唤醒状态时，包括驱动电路、电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器均被快速开启。
27.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述低功耗降压转换系统包括：电流基准源、电压基准、反馈网络、迟滞比较器、驱动电路、电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器；休眠状态时，电源管理模块基于电压基准检测输出电压是否小于基准电压，电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器不工作，工作的电路模块包括电流基准源、电压基准、反馈网络、迟滞比较器；唤醒状态时，包括驱动电路、电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器均被快速开启。
28.在另一实施例中，电源管理模块通过迟滞比较器比较基准电压和反馈电压，当迟滞比较器输出为高时，电源管理模块控制各个物联网无线传感器模块进入唤醒状态，高边功率管开启，电感电流上升；电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器快速开启；当电流峰值比较器检测到告别功率管超过峰值阈值时，高边功率管关闭，低边功率管开启；当电流过零比较器检测到低边功率管电流为零时，低边功率管关闭，一个开关周期结束；当一个开关周期结束时，迟滞比较器检测输出是否为低，若迟滞比较器的输出为
低时，电源管理模块控制各个物联网无线传感器模块进入休眠状态，并且关闭电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器。
29.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是电源管理模块通过迟滞比较器比较基准电压和反馈电压，当迟滞比较器输出为高时，电源管理模块控制各个物联网无线传感器模块进入唤醒状态，高边功率管开启，电感电流上升；电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器快速开启；当电流峰值比较器检测到告别功率管超过峰值阈值时，高边功率管关闭，低边功率管开启；当电流过零比较器检测到低边功率管电流为零时，低边功率管关闭，一个开关周期结束；当一个开关周期结束时，迟滞比较器检测输出是否为低，若迟滞比较器的输出为低时，电源管理模块控制各个物联网无线传感器模块进入休眠状态，并且关闭电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器。
30.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案电源管理模块通过迟滞比较器比较基准电压和反馈电压，当迟滞比较器输出为高时，电源管理模块控制各个物联网无线传感器模块进入唤醒状态，高边功率管开启，电感电流上升；电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器快速开启；当电流峰值比较器检测到告别功率管超过峰值阈值时，高边功率管关闭，低边功率管开启；当电流过零比较器检测到低边功率管电流为零时，低边功率管关闭，一个开关周期结束；当一个开关周期结束时，迟滞比较器检测输出是否为低，若迟滞比较器的输出为低时，电源管理模块控制各个物联网无线传感器模块进入休眠状态，并且关闭电流采样电路、电流峰值比较器和电流过零比较器。
31.在另一实施例中，还包括低功耗控制系统，所述低功耗控制系统包括：低功耗pfm比较器、采样保持电压基准、低功耗振荡器和偏置电流比较器；所述低功耗pfm比较器用于监控输出电压并在唤醒状态和休眠状态中进行切换；所述采样保持电压基准用于产生低功耗pfm比较器的输出参考电压；所述偏置电流比较器的重载检测逻辑通过时钟进行负载的判断，所述低功耗振荡器用于为重载检测逻辑提供时钟，并通过时钟分频电路，给采样保持电压基准提供保持延迟。
32.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是还包括低功耗控制系统，所述低功耗控制系统包括：低功耗pfm比较器、采样保持电压基准、低功耗振荡器和偏置电流比较器；所述低功耗pfm比较器用于监控输出电压并在唤醒状态和休眠状态中进行切换；所述采样保持电压基准用于产生低功耗pfm比较器的输出参考电压；所述偏置电流比较器的重载检测逻辑通过时钟进行负载的判断，所述低功耗振荡器用于为重载检测逻辑提供时钟，并通过时钟分频电路，给采样保持电压基准提供保持延迟。
33.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案还包括低功耗控制系统，所述低功耗控制系统包括：低功耗pfm比较器、采样保持电压基准、低功耗振荡器和偏置电流比较器；所述低功耗pfm比较器用于监控输出电压并在唤醒状态和休眠状态中进行切换；
所述采样保持电压基准用于产生低功耗pfm比较器的输出参考电压；所述偏置电流比较器的重载检测逻辑通过时钟进行负载的判断，所述低功耗振荡器用于为重载检测逻辑提供时钟，并通过时钟分频电路，给采样保持电压基准提供保持延迟。
34.在另一实施例中，所述低功耗pfm比较器包括：重载检测逻辑电路，基于重载检测逻辑电路检测休眠状态时间，当检测到休眠状态时间超过2个时钟时，低功耗pfm比较器进入第一负载模式，当检测到休眠状态时间超过1个时钟且小于2个时钟时，则低功耗pfm比较器进入第二负载模式；反馈电阻，包括前馈电容和上端电阻并联，在高边功率管和低边功率管源漏极之间的漏电流在高温时不一致，高边功率管漏电流大于低边功率管，通过反馈电阻降低空载时漏电流。
35.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述低功耗pfm比较器包括：重载检测逻辑电路，基于重载检测逻辑电路检测休眠状态时间，当检测到休眠状态时间超过2个时钟时，低功耗pfm比较器进入第一负载模式，当检测到休眠状态时间超过1个时钟且小于2个时钟时，则低功耗pfm比较器进入第二负载模式；反馈电阻，包括前馈电容和上端电阻并联，在高边功率管和低边功率管源漏极之间的漏电流在高温时不一致，高边功率管漏电流大于低边功率管，通过反馈电阻降低空载时漏电流。
36.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述低功耗pfm比较器包括：重载检测逻辑电路，基于重载检测逻辑电路检测休眠状态时间，当检测到休眠状态时间超过2个时钟时，低功耗pfm比较器进入第一负载模式，当检测到休眠状态时间超过1个时钟且小于2个时钟时，则低功耗pfm比较器进入第二负载模式；反馈电阻，包括前馈电容和上端电阻并联，在高边功率管和低边功率管源漏极之间的漏电流在高温时不一致，高边功率管漏电流大于低边功率管，通过反馈电阻降低空载时漏电流。
37.在另一实施例中，所述采样保持电压基准包括带隙基准电路和采样保持电路；所述带隙基准电路输出的带隙基准每经过预设时间进行唤醒一次，刷新采样保持电路上的保持电容上的基准电压，在带隙基准电路关闭时，保持电容维持基准电压；当计时器触发时，带隙基准电路启动。
38.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述采样保持电压基准包括带隙基准电路和采样保持电路；所述带隙基准电路输出的带隙基准每经过预设时间进行唤醒一次，刷新采样保持电路上的保持电容上的基准电压，在带隙基准电路关闭时，保持电容维持基准电压；当计时器触发时，带隙基准电路启动。
39.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述采样保持电压基准包括带隙基准电路和采样保持电路；所述带隙基准电路输出的带隙基准每经过预设时间进行唤醒一次，刷新采样保持电路上的保持电容上的基准电压，在带隙基准电路关闭时，保持电容维持基准电压；当计时器触发时，带隙基准电路启动。
40.在另一实施例中，所述低功耗振荡器基于张弛振荡器结构形成的，两个串联的二极管连接一个nmos管形成参考电压电路，第一偏置电流流过该参考电压电路形成参考电压，第二偏置电流给充电电容充电，充电电容上极板电压与参考电压比较，对比较的输出进行自偏置；设置低功耗振荡器的三个状态，计算三个状态下的平均静态电流值。
41.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述低功耗振荡器基于张弛振荡器结构形成的，两个串联的二极管连接一个nmos管形成参考电压电路，第一偏置电流流过该参考电压电路形成参考电压，第二偏置电流给充电电容充电，充电电容上极板电压与参考电压比较，对比较的输出进行自偏置；设置低功耗振荡器的三个状态，计算三个状态下的平均静态电流值。
42.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述低功耗振荡器基于张弛振荡器结构形成的，两个串联的二极管连接一个nmos管形成参考电压电路，第一偏置电流流过该参考电压电路形成参考电压，第二偏置电流给充电电容充电，充电电容上极板电压与参考电压比较，对比较的输出进行自偏置；设置低功耗振荡器的三个状态，计算三个状态下的平均静态电流值。
43.在另一实施例中，当从休眠状态转换到唤醒状态时，所述偏置电流比较器的高边功率管开启，电流峰值比较器开启产生高边功率管的关闭信号，当流过高边功率管的电流大于设定值时，比较器输出上升沿信号，以关闭高边功率管；高边功率管关闭后，低边功率管开启，在电感电流的作用下，低边功率管电流方向从源极到漏极，且电流逐渐减小直至减小到零，当电流减小到零时，关闭低边功率管；所述偏置电流比较器基于过零电流比较器放大极采用的源极输入结构，产生输入对管的栅极偏置电压；当低边功率管电流减小到一定值时，过零电流比较器输出反转，通过调控过零电流比较器和驱动延迟匹配，补偿延迟造成的误差，在低边功率管电流的实际值过零时关闭低边功率管。
44.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是当从休眠状态转换到唤醒状态时，所述偏置电流比较器的高边功率管开启，电流峰值比较器开启产生高边功率管的关闭信号，当流过高边功率管的电流大于设定值时，比较器输出上升沿信号，以关闭高边功率管；高边功率管关闭后，低边功率管开启，在电感电流的作用下，低边功率管电流方向从源极到漏极，且电流逐渐减小直至减小到零，当电流减小到零时，关闭低边功率管；所述偏置电流比较器基于过零电流比较器放大极采用的源极输入结构，产生输入对管的栅极偏置电压；当低边功率管电流减小到一定值时，过零电流比较器输出反转，通过调控过零电流比较器和驱动延迟匹配，补偿延迟造成的误差，在低边功率管电流的实际值过零时关闭低边功率管。
45.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案当从休眠状态转换到唤醒状态时，所述偏置电流比较器的高边功率管开启，电流峰值比较器开启产生高边功率管的关闭信号，当流过高边功率管的电流大于设定值时，比较器输出上升沿信号，以关闭高边功率管；高边功率管关闭后，低边功率管开启，在电感电流的作用下，低边功率管电流方向从源极到漏极，且电流逐渐减小直至减小到零，当电流减小到零时，关闭低边功率管；所述偏置电流比较器基于过零电流比较器放大极采用的源极输入结构，产生输入
对管的栅极偏置电压；当低边功率管电流减小到一定值时，过零电流比较器输出反转，通过调控过零电流比较器和驱动延迟匹配，补偿延迟造成的误差，在低边功率管电流的实际值过零时关闭低边功率管。
46.在另一实施例中，如图3所示，还包括同步降压转换器，所述同步降压转换器包括功率开关、反馈和控制电路、电感和电容元器件，所述功率开关对电能进行转换，所述电感和电容元器件对输出信号进行滤波，所述反馈和控制电路输出由反馈电压控制的脉宽调制信号控制功率开关；所述功率开关集成在电源芯片上，采用高压nmos管作为低边功率管开关，采用高压pmos管或nmos管作为高边功率开关；低边功率管开关和高边功率管开关互补形成直流到开关的电压转换，经过电感和电容元器件组成的滤波器形成输出电压；通过反馈和控制电路采用反馈控制，基于误差放大器检测并放大反馈的误差信号，误差放大器的输出与锯齿波比较产生pwm信号，pwm信号通过驱动电路控制功率开关。
47.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是还包括同步降压转换器，所述同步降压转换器包括功率开关、反馈和控制电路、电感和电容元器件，所述功率开关对电能进行转换，所述电感和电容元器件对输出信号进行滤波，所述反馈和控制电路输出由反馈电压控制的脉宽调制信号控制功率开关；所述功率开关集成在电源芯片上，采用高压nmos管作为低边功率管开关，采用高压pmos管或nmos管作为高边功率开关；低边功率管开关和高边功率管开关互补形成直流到开关的电压转换，经过电感和电容元器件组成的滤波器形成输出电压；通过反馈和控制电路采用反馈控制，基于误差放大器检测并放大反馈的误差信号，误差放大器的输出与锯齿波比较产生pwm信号，pwm信号通过驱动电路控制功率开关。
48.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案还包括同步降压转换器，所述同步降压转换器包括功率开关、反馈和控制电路、电感和电容元器件，所述功率开关对电能进行转换，所述电感和电容元器件对输出信号进行滤波，所述反馈和控制电路输出由反馈电压控制的脉宽调制信号控制功率开关；所述功率开关集成在电源芯片上，采用高压nmos管作为低边功率管开关，采用高压pmos管或nmos管作为高边功率开关；低边功率管开关和高边功率管开关互补形成直流到开关的电压转换，经过电感和电容元器件组成的滤波器形成输出电压；通过反馈和控制电路采用反馈控制，基于误差放大器检测并放大反馈的误差信号，误差放大器的输出与锯齿波比较产生pwm信号，pwm信号通过驱动电路控制功率开关。
49.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。