一种超低功耗定时开关系统及实现方法
阅读说明：本技术 一种超低功耗定时开关系统及实现方法 (Ultra-low power consumption timing switch system and implementation method ) 是由 张春红 高恬溪 单晓涛 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：一种超低功耗定时开关系统及实现方法,包括LX04低频振荡器、频率占空比调节模块和触发模块；LX04低频振荡器、频率占空比调节模块和触发模块依次连接,LX04低频振荡器用于产生信号,频率占空比调节模块按照期望调整LX04低频振荡器输出的脉冲,触发模块利用频率占空比调节模块输出的信号来控制负载的通断。该定时开关内含有一个超低功耗的频率占空比可调的定时器,它的功耗远低于现有的低频振荡器,达到了nW级别,触发模块通过该定时器的信号来控制负载的通断。通过这种方式,大大减少了系统本身的静态功耗和定时功耗。(An ultra-low power consumption timing switch system and an implementation method thereof comprise an LX04 low-frequency oscillator, a frequency duty cycle adjusting module and a triggering module; the LX04 low-frequency oscillator, the frequency duty cycle adjusting module and the triggering module are sequentially connected, the LX04 low-frequency oscillator is used for generating signals, the frequency duty cycle adjusting module adjusts pulses output by the LX04 low-frequency oscillator according to expectation, and the triggering module controls the on-off of a load by using the signals output by the frequency duty cycle adjusting module. The timing switch is internally provided with a timer with ultralow power consumption and adjustable frequency duty ratio, the power consumption of the timer is far lower than that of the existing low-frequency oscillator, the nW level is reached, and the trigger module controls the on-off of a load through a signal of the timer. In this way, the static power consumption and timing power consumption of the system itself are greatly reduced.)
技术领域
本发明属于定时开关
技术领域
，特别涉及一种超低功耗定时开关系统及实现方法。背景技术
现有的测量仪器往往通过传感器定时地采集环境参数来实现测量功能，在实时检测的过程中，大量的功耗被消耗在了传感器没有开始测量时的定时过程中。这给许多应用带来了不便，特别是在需要电池供电或电池更换不方便的应用中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低功耗定时开关系统及实现方法，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：
一种超低功耗定时开关系统，包括LX04低频振荡器、频率占空比调节模块和触发模块；LX04低频振荡器、频率占空比调节模块和触发模块依次连接，LX04低频振荡器用于产生信号，频率占空比调节模块按照期望调整LX04低频振荡器输出的脉冲，触发模块利用频率占空比调节模块输出的信号来控制负载的通断。
进一步的，LX04低频振荡器包括三个LX01电压检测芯片、电阻R1、电阻R2和PMOS管Q1；三个LX01电压检测芯片分别为LX01-A、LX01-B和LX01-C，LX01-A的输出通过上拉电阻R1与LX01-B的输入相连，LX01-B的输出通过上拉电阻R2与LX01-C的输入相连，同时电阻R1和电阻R2还与PMOS管Q1的栅极相连，LX01-C的输出通过上拉电阻与LX01的输入相连；PMOS管Q1的源极与第一电源VDD1相连，漏极与LX01-C的输出端VOD相连。
进一步的，三个LX01电压检测芯片均接地。
进一步的，频率占空比调节模块包括分频器、或非门电阻R3和电容C1；LX01-C的输出VOD1与分频器的输入相连；分频器有输出a和输出b，其中输出a和或非门输入a直接相连，输出b与R3和C1构成的RC延时电路相连，对输出b路的信号进行延时，C1的正极与或非门的另一个输入b连接。
进一步的，C1的负极接地。
进一步的，触发模块包括LX01电压检测电路、上拉电阻R4、NMOS-Q2、电源管理模块和负载；频率占空比调节模块的输出OUT与LX01电压检测电路的输入端相连，其输出VOD2通过上拉电阻R4与NMOS-Q2的栅极相连，NMOS-Q2的漏极与第二电源VDD2连接，源极与电源管理的输入端相连；负载设置在电源管理的输出端上。
进一步的，电源管理的一端接地。
进一步的，一种超低功耗定时开关的实现方法，其包括以下步骤：
当Vin的电压低于LX01电压检测电路的阈值VTH时，输出处于高阻状态，LX01的输出保持高电平，当Vin的电压高于LX01电压检测电路的阈值VTH时，输出被拉至GND，LX01电压检测电路的输出转换为低电平，并保持至Vin的电压低于LX01电压检测电路的下降阈值VTL；当LX01-B输出高电平时，PMOS-Q1处于高阻状态，输出低电平时，PMOS-Q1导通，PMOS-Q1与LX01-C的导通及高阻状态互补，在LX01-C的输出为高阻状态时，PMOS-Q1为导通状态，在LX01-C输出接地时，PMOS-Q1处于高阻状态；
通过调节RC延时电路中电阻R3和电容C1的数值来控制周期信号的占空比，即负载被激活与停机时间的比例；
当LX01-D输出VOD2为低时，PMOS-Q2导通，VDD2经电源管理转化为负载所需的电压VDD3，负载系统被激活，LX01-D输出为高时，PMOS-Q2断开，电源管理输出VDD3输出为0V，负载进入关机状态。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明涉及一款超低功耗定时开关装置及实现方法，该方案主要由三个部分组成，LX04低频振荡器，该振荡器是信号的来源，频率占空比调节模块按照期望调整LX04输出的脉冲，触发模块利用频率占空比调节模块输出的信号来控制负载的通断。LX04低频振荡器在一定直流电压下，会产生一个固定周期的交流信号，该模块在R1为1.4MΩ，R2为100MΩ时，PMOS阈值电压Vgs(th)＝-1V，电源VDD为1.2V时，平均功耗仅为64nA。该定时开关内含有一个超低功耗的频率占空比可调的定时器，它的功耗远低于现有的低频振荡器，达到了nW级别，触发模块通过该定时器的信号来控制负载的通断。通过这种方式，大大减少了系统本身的静态功耗和定时功耗。
或非门对两个信号完成或非运算进行输出，通过对RC延时电路参数的调整，可以对输出信号的占空比进行调节。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明中LX01电压检测电路的信号控制示意图。
图3是本发明的逻辑时序图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图3，本发明涉及一款超低功耗定时开关系统及实现方法，该方案主要由三个部分组成，LX04低频振荡器，该振荡器是信号的来源，频率占空比调节模块按照期望调整LX04输出的脉冲，触发模块利用频率占空比调节模块输出的信号来控制负载的通断。
其中LX04低频振荡器可以由三个及以上的LX01电压检测芯片构成，LX01-A的输出通过上拉电阻R1与LX01-B的输入相连，LX01-B的输出通过上拉电阻R2与LX01-C的输入相连，同时还与PMOS管Q1的栅极相连，LX01-C的输出通过上拉电阻与LX01的输入相连。PMOS管Q1的源极与电源VDD1相连，漏极与LX01-C的输出端VOD相连。该模块在一定直流电压下，会产生一个固定周期的交流信号，该模块在R1为1.4MΩ，R2为100MΩ时，PMOS阈值电压Vgs(th)＝-1V，电源VDD为1.2V时，平均功耗仅为64nA。
频率占空比调节模块中，LX01-C的输出VOD1与分频器的输入相连，分频模块可以增大LX04振荡器生成的波形周期。分频器有两个输出a，b，他们的逻辑恰好相反，其中a与延时相加模块的或非门输入a直接相连，b与R3和C1构成的RC延时电路相连，对b路的信号进行延时，C1的正极与或非门的另一个输入b连接，或非门对两个信号完成或非运算进行输出，通过对RC延时电路参数的调整，可以对输出信号的占空比进行调节。
触发模块中，频率占空比调节模块的输出OUT与LX01电压检测电路的输入端相连，其输出VOD2通过上拉电阻与NMOS-Q2的栅极相连，NMOS-Q2的漏极与VDD2连接，源极与电源管理的输入端相连，VDD2电压的选择取决于负载的需求。
如图1所示，本发明包括LX04低频振荡器，频率占空比调节模块和触发模块。
其中LX04超低功耗低频振荡器主要由三个以上的LX01无源电压检测芯片构成，图1以三个LX01电压检测芯片为例进行说明。当Vin的电压低于LX01电压检测电路的阈值VTH时，输出处于高阻状态，LX01的输出保持高电平，当Vin的电压高于LX01电压检测电路的阈值VTH时，输出被拉至GND，LX01电压检测电路的输出转换为低电平，并保持至Vin的电压低于LX01电压检测电路的下降阈值VTL，其信号示意图如图2所示。LX01-A的输出通过上拉电阻R1与LX01-B的输入相连，LX01-B的输出通过上拉电阻R2与LX01-C的输入相连，同时还与PMOS管Q1的栅极相连，当LX01-B输出高电平时，PMOS-Q1处于高阻状态，输出低电平时，PMOS-Q1导通。LX01-C的输出与LX01-A的输入相连，PMOS管Q1的源极与电源VDD1相连，漏极与LX01-C的输出端VOD相连。PMOS-Q1与LX01-C的导通及高阻状态互补，在LX01-C的输出为高阻状态时，PMOS-Q1为导通状态，在LX01-C输出接地时，PMOS-Q1处于高阻状态，通过这种方式不仅减小了系统的漏电流，也一定程度上保证了输出信号的波形。该模块在一定直流电压下，会产生一个固定周期的交流信号，该交流信号的频率受R1，R2电阻值的影响，阻值增大会减小信号的频率。为了减小LX01导通状态下的漏电流，通常选用大阻抗电阻。该模块在R1为2MΩ，R2为100MΩ时，PMOS阈值电压Vgs(th)＝-1V，电源VDD1为1.2V时，平均功耗仅为64nA。
频率占空比调节模块中，分频器的作用是为了控制周期的时长，它由分频器的位数决定。分频器的输出a，b有着相反的逻辑，其中分频器的输出a与或非门的输入接口a相连，分频器的输出b与RC延时电路相连，电容C1的正极与或非的输入接口b相连，通过调节RC延时电路中电阻R3和电容C1的数值来控制周期信号的占空比，即负载被激活与停机时间的比例。LX04超低功耗低频振荡器和频率占空比调节模块的电源均是由低压VDD1来供电。
触发模块中，或非门的输出OUT与LX01-D电压检测电路的输入端Vin连接，LX01-D的输出VOD2通过上拉电阻R2与PMOS管Q2的栅极相连接，源极与VDD2连接，漏极与电源管理的输入Vin相连，由于VDD2的电压未经过调整，不适合作为负载的电源，所以通过电源管理单元将VDD2进行直流变换，将其转换为适合负载的电源，电源管理模块的输出VDD3与负载的正极相连。当LX01-D输出VOD2为低时，PMOS-Q2导通，VDD2经电源管理转化为负载所需的电压VDD3，负载系统被激活，LX01-D输出为高时，PMOS-Q2断开，电源管理输出VDD3输出为0V，负载进入关机状态。
图3是本发明电路的逻辑时序图，展示了LX04输出信号VOD1，分频器输出a，b的信号div_a，div_b，或非门输出OUT的信号nor和LX01-D输出信号VOD2之间的时序关系。图中选取的分频器倍数是1/8，对LX04输出的信号进行分频。div_b，div_a逻辑相反，信号div_b因为经过R3，C1构成的延时电路，上升沿和下降沿会被延长变得平缓，导致或非门信号nor在div_b上升沿阶段出现一个高电平脉冲。LX01-D会将nor的逻辑反转，其输出VOD2如图3所示。