關閉非活動電路可以節(jié)省大量電力;然而，這種電源管理假設有一個主動管理的“大腦”(通常是一個微控制器)，它知道何時打開和關閉電源。在以亞微安級運行的極低功耗系統(tǒng)中，可能需要讓微控制器保持在深度睡眠模式，而讓一個簡單的超低功耗時鐘電路定期喚醒。
雖然許多微控制器都有這樣的定時器，但由極低功耗比較器構建的簡單模擬時鐘可以在較低功耗下運行，從而無需從中斷定時器上電，并且在某些情況下完全不需要微控制器。同樣，模擬時鐘可以在低電壓下運行——單節(jié)電池的電壓低至 1V——并提供周期性的升壓電壓，而無需單獨的穩(wěn)壓器。
此處顯示的電路基于一個簡單的張弛振蕩器，該振蕩器使用了一個非常低功耗的比較器。振蕩器以大約 500 納安的電流運行，被配置為一個占空比非常低的時鐘，用于以小脈沖的形式對電路的占空比供電。時鐘周期性地變?yōu)椤案唠娖健?，啟用電路并提供電?雖然大多數時候時鐘保持低電平，但電路沒有供電，只有振蕩器作為“始終開啟”的占空比時鐘運行。
為應用占空比控制提供了一個非常低功耗的時鐘。時序設置如下：首先，使用 R1、R2 和 R3 設置上限 (V UPTHR ) 和下限 (V LWTHR ) 遲滯跳閘閾值：然后，可以根據所需的關斷時間選擇 R4：并根據所需的導通時間選擇 R5：
請注意，由于 V UPTHR 和 V LWTHR 只是 V BATT的縮放比例，因此 T ON 和 T OFF 都不依賴于 V BATT。
TSM9119 的輸入偏置電流小于 2nA(整個溫度范圍內)，因此可以使用高阻值電阻器。使用 10MΩ 電阻器產生的凈偏移小于 30mV，參考比較器輸入。許多現成的雙極晶體管可以替代 Q1 和 Q2：但是，應避免使用摻金的分立晶體管(大多數 2N3904 和 2N3906 晶體管未摻金)，因為摻金會增加泄漏電流。
所有電容器都應該是陶瓷的，以實現最低泄漏，通常受外殼電阻的限制。即使在高溫下，該電路也能正常工作，而泄漏通常會增加。使用具有 NP0 (C0G) 電介質的電容器可提高頻率穩(wěn)定性，并進一步減少電介質吸收問題。(介電吸收可以使電容器在電路中充電和放電時“記住”其電荷;但是，這并不意味著是精密計時電路，因此應考慮使用 C0G。)
這個時鐘有什么用途?也許最明顯的是，振蕩器可以周期性地用作喚醒微控制器的時鐘。雖然大多數微控制器都有內置中斷定時器，但并非所有微控制器都具有如此低的電源電流。微控制器可以設置為深度睡眠模式，由占空比時鐘喚醒以定期檢查系統(tǒng)狀態(tài)。
這種“占空比”可能會通過周期性地為簡單的測量供電來進一步節(jié)省電流，其結果隨后會喚醒微控制器。因此，微控制器只在需要采取行動的結果時喚醒——而不僅僅是當定時器中斷它時。
顯示了這樣一個場景——在這種情況下，太陽能監(jiān)視器檢查陽光的可用性，可能是針對低功率太陽能系統(tǒng)，該系統(tǒng)在有足夠的光能可用之前不應轉動。占空比時鐘電路以大約 1 秒的間隔為太陽能探測器供電，包括 U2 和 U3 以及相關的無源器件。在太陽能探測器中，光電二極管 D1 感測可用光，TS1001 運算放大器通過其 VSS 電源引腳吸收產生的光電探測電流，提供正極性信號。
在運放回路中，運放必須根據光電檢測電流消耗電源電流(有效抵消);該電流可高于 30μA。然而，由于太陽能探測器不需要持續(xù)開啟，占空比時鐘電路會將該電流降低占空比系數(約 500)，從而使探測器的凈平均電流消耗低于 100nA。TSM9117 是一款電壓檢測器 IC，當輸入升至 1.25V 以上時，其輸出變?yōu)楦唠娖?，表示存在足夠的光并中斷處理器?？梢酝ㄟ^選擇 R9 設置所需的靈敏度觸發(fā)閾值電壓。
“占空比”可進一步配置為以升高的輸出電壓向負載提供突發(fā)功率。在這里，想法是使用集成到時鐘設計中的簡單倍壓升壓電容器來產生更高電壓的短脈沖。升壓電容僅在實際需要的短時間內提供更高的電壓，從而無需單獨的升壓轉換器及其相關的開銷靜態(tài)電流和延遲(事實上，某些轉換器的關斷電流超過了此任務使用的電流) - 循環(huán)時鐘)。
在一個真實示例中顯示了之前的想法。此處，該電路利用 433MHz SAW 諧振器發(fā)射器周期性地發(fā)射識別碼。占空比時鐘通過啟用邏輯碼型生成器(可以是反饋的、基于移位寄存器的代碼生成器)為發(fā)送器提供用于傳輸的 OOK(開關鍵控)信號，從而為突發(fā)提供時序。作為獎勵，時鐘在時鐘“準時”期間為發(fā)射器提供大約兩倍的電壓 (3.3V)，使 SAW 諧振器能夠以合理的發(fā)射功率水平發(fā)射。
電容 C3 用作電荷泵的飛跨電容，電容的下端由觸發(fā)器的輸出 A 驅動，作為占空比時鐘。當輸出 A 為低電平時，電容通過肖特基二極管 D1 充電;當輸出 A 為高電平時，V OUT 上升到大約 2 XV IN (減去 D1 二極管壓降)。當輸出 B 為高電平時， Q3 將 C3 的底部鉗位至 V IN ，從而完成 C2 和 C3 的低阻抗串聯(lián)路徑，作為雙堆疊電源電容器為輸出供電。
應選擇 C2 和 C3 的值以支持 V OUT所需的負載和導通持續(xù)時間。本設計選擇 C2=C3=100μF，在 25mA 負載的 500μs“導通時間”內提供最小 3V。Q4 提供可選的負載切斷;然而，SAW 諧振器發(fā)射器不需要以這種方式斷開，因為當邏輯碼型發(fā)生器提供“零”電平時，它幾乎不消耗電流。
邏輯門 U2 和 U3 為占空比時鐘添加了一些時序調整。在輸出 A 變?yōu)楦唠娖街?，不會啟用輸?B。輸出 B 在輸出 A 之前下降，從而確保 Q3 的先斷后合時序。此外，此時序確保碼型發(fā)生器在 SAW 諧振器發(fā)射器有一段時間穩(wěn)定其升壓電源電壓之前不會啟動，并確保在升壓電壓從發(fā)射器移除之前停止傳輸。“AUP”系列邏輯用于溫度范圍內的低電源電流。
在電路中測得的“空載”電流顯示，增加的升壓電路幾乎沒有增加開銷，負載電流反映了發(fā)射器在 500μs 突發(fā)周期內消耗的 3.5mA 平均負載電流。
在高溫下，電路的一個弱點是 Q3(BSH205 MOSFET)的寄生漏電流。如果這是一個問題，可以將 BSH205 改為 PNP 晶體管，代價是略微降低升壓電壓。
電路顯示了如何使用占空比升壓概念來解決使用單個紐扣型堿性電池為基于微控制器的系統(tǒng)供電的基本問題。該電路類似于圖 3 中所示的電路，但使用一個電壓非常低且電源電流非常低的 TS1001 運算放大器作為比較器，取代了 TSM9119。此外，電路得到了簡化，因為它提供了更低的電流。
該電路采用低至 1V 的電池電壓工作，并提供 1.8V 的突發(fā)功率，適用于在短時間內以指定的 VDD=1.8V 為微控制器“突發(fā)供電”。在“關閉時間”期間，該電路為微控制器提供至少 0.9V 的待機電壓，在微控制器規(guī)格表中指定為“RAM 保持電壓”?；蛘?，如果需要，可以使用可選的負載切斷電路完全斷開負載(微控制器)，以確保微控制器完全關閉且零泄漏。
該電路沒有固定的導通時間;而是添加了 DONE 控制輸入。微控制器在完成其操作后，將 DONE 線拉高，有效地“切斷電源線”并通過重置電容器 C1 來關閉脈沖串(請注意，由于裕量原因，Q2 的集電極和發(fā)射極被反轉以確保低 Vcesat)。該電路中的電荷泵由運放 U1 的輸出直接驅動，支持 350μA 突發(fā)電流。
總之，采用低功耗、模擬、占空比時鐘，作為“始終開啟”定時器運行，功耗約為 500nA，對于超低功耗系統(tǒng)來說是一種有用的方法，通過循環(huán)電路開啟來降低系統(tǒng)功率非常低的占空比，無需穩(wěn)壓器即可提供升壓能力，甚至可以為微控制器突發(fā)供電。
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