基于电量分级管控和宽电压范围电平转换的低功耗电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种低功耗电路，具体涉及一种基于电量分级管控和宽电压范围电平转换的低功耗电路。


背景技术：

2.随着物联网的发展，以电池作为能源的微型设备在各类物联网设备和微型低功耗设备中应用越来越广泛。但由于电池电量有限，为了尽可能降低功耗，延长设备工作时间，设备大多工作在低功耗模式下，设备被设计为按需唤醒，按需通信的模式。但在传统物联网设备中，为了保持工作和通信稳定以及与其他设备兼容的需要，大多利用ldo芯片将设备设作电压设置为固定模式，如5v，3.3v，1.8v等。
3.如图1所示，传统低功耗物联网设备按照功能划分大多包括电源、ldo稳压部件、mcu、时钟/存储器部件、执行部件等。为保持后级各电路电压稳定，ldo稳压部件一般都放置在除电源外其他电路的最前端。mcu负责通信和逻辑控制、时钟/存储器部件负责保持时间和存储数据、执行部件接收并执行来自mcu的指令。
4.大多数情况下，上述电路都能够进行很好的工作。但在需要超长待机或需要尽可能保持长时间工作的场景中，该电路依然存在功耗过大的问题：
5.ldo自身功耗问题不可忽略，ldo功耗包括两个方面：自身功耗、转换效率。由于ldo部件属于线性稳压部件，与dc
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dc开关型稳压电源相比，其转换效率一般都不太高，普通线性稳压部件一般不超过50% ，ldo部件相比普通线性稳压部件效率有所提升，但一般也不超过70%。同时，由于ldo被布置在最前端，无论后级电路是否工作，为了维持电压输出，其自身都需要消耗一定的电流。
6.后级部件的待机功耗。虽然后级部件在大多数时间内处于待机状态，但后级芯片（如驱动电路等）和外围元器件（如电阻、晶体管等有源器件）由于处于加电状态，依然存在一定量的待机消耗。
7.上述功耗由于与电路设计和电路自身要求相关，无法完全消除或保持很低的水平，且由于此类功耗持续性存在，因此对需长时间工作的设备而言是一个较大的能量损失。


技术实现要素：

8.本实用新型所要解决的技术问题是一种基于电量分级管控和宽电压范围电平转换的低功耗电路，通过低压检测和宽电压范围电平转换的方法，利用低压差模拟开关将不同等级功耗电路进行分级管控，逐级隔离，根据电池电量状态和工作场景关闭非必须电路的供电，最大化降低非必须电路功耗，提高电池电量利用效率，从而达到延长工作时间的目的。
9.本实用新型是通过以下技术方案来实现的：一种基于电量分级管控和宽电压范围电平转换的低功耗电路，包括微处理器mcu、电源、低压检测和控制电路、宽电压电平转换阵列、二级电源模拟开关以及负载，负载连接微处理器mcu，由微处理器mcu控制通断电；
10.其中，低压检测和控制电路连接微处理器mcu以及二级电源模拟开关；二级电源模拟开关连接微处理器mcu，并受控于微处理器mcu，宽电压电平转换阵列连接微处理器mcu，并受控于微处理器mcu，与后级电路在不同的工作电平下正常双向通信。
11.作为优选的技术方案，所述微处理器mcu采用低功耗mcu，其包括了低功耗蓝牙/wifi电路以及逻辑控制电路。
12.作为优选的技术方案，所述电源为电路工作提供能源，所述电源为干电池或者镍氢电池或者锂电池或者铁酸锂电池或者法拉电容。
13.作为优选的技术方案，所述低压检测和控制电路为基于时钟/存储电路的低压检测和控制电路；
14.低压检测和控制电路的电压阈值由mcu设置；当检测到电池电压低于设定阈值时，关闭模拟开关，当检测到电池电压高于阈值时，开启模拟开关bg1，微处理器mcu开始运行。
15.作为优选的技术方案，还包括低压差稳压电路，低压差稳压电路将前级非稳定电压转换为稳定电压供给给宽电压电平转换阵列以及负载。
16.作为优选的技术方案，二级电源模拟开关设置有一个以上。
17.作为优选的技术方案，所述电源还包括后备电池，后备电池用在电源断电后各电路的备用供电。
18.与传统低功耗电路相比，本实用新型具有如下优点：
19.1.对电路进行极低功耗、低功耗、高能耗三级能耗管控，按照能耗水平和重要程度逐级分配能源，实时检测电量供给情况，根据电量状态逐级切断相关电路供电，消除非必须静态功耗；
20.2. mcu内可以集成智能算法，当设备供电处于非稳定供电状态时（如便携式电池供电设备、设备处于野外，利用风力、太阳能能外部非稳定能源供电），设备可以根据不同情况智能选择最佳工作状态，最大限度保障设备处于可靠工作状态下，延长使用时间；
21.3. mcu内可以在很低电压水平下依然能够依据用户指令做出响应或将设备当前工作状态实时上报，对于远程维护或监控提供便利；
22.4.本实用新型实现了可以在宽电压范围内能够实现双向电平转换的单元阵列，确保当电压持续升高或降低时后电路依然能够正常双向通信。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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。
24.图1为现有技术的电路图；
25.图2为本实用新型的电路原理图；
26.图3为本实用新型宽电压电平转换阵列的示意图。
具体实施方式
27.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥
的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
28.本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
29.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
30.此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
31.本实用新型使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向（旋转90度或其他朝向），并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语
32.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.如图1所示，本实用新型的一种基于电量分级管控和宽电压范围电平转换的低功耗电路，包括微处理器mcu、电源、低压检测和控制电路、宽电压电平转换阵列、二级电源模拟开关以及负载，负载连接微处理器mcu，由微处理器mcu控制通断电；
34.其中，低压检测和控制电路连接微处理器mcu以及二级电源模拟开关；二级电源模拟开关连接微处理器mcu，并受控于微处理器mcu，宽电压电平转换阵列连接微处理器mcu，并受控于微处理器mcu，与后级电路在不同的工作电平下正常双向通信。
35.本实施例中，微处理器mcu采用低功耗mcu，其包括了低功耗蓝牙/wifi电路以及逻辑控制电路。
36.本实施例中，还包括低压差稳压电路，低压差稳压电路将前级非稳定电压转换为稳定电压供给给宽电压电平转换阵列以及负载。
37.其中，电源用于为电路工作提供能源，根据应用场景可以是干电池、镍氢电池、锂电池、铁酸锂电池或其他蓄电池甚至法拉电容。
38.基于时钟/存储电路的低压检测和控制电路用以检测电池电压的变化，其电压阈值可以由mcu设置;当其检测到电池电压低于设定阈值时，能够关闭模拟开关bg1（由mos管、晶体管或其他模拟开关构成），防止电池过放电，同时也防止后级电路在非正常电压范围下非运行异常或发出错误指令。当检测到电池电压高于阈值时，能够开启模拟开关bg1，mcu开
始运行。
39.微处理器用于mcu负责与其他设备进行蓝牙通信、向后级电路发出操作指令或接收来自后续电路的反馈。mcu支持低功耗工作模式，能够在很宽的电压范围内正常运行。当需要后级电路工作时，开启模拟开关bg2，启动ldo和电平转换电路，后级电路进入工作状态并接收来自mcu的指令。
40.二级电源模拟开关受mcu控制，由mos管、晶体管或其他模拟开关构成，当mcu需要执行特定操作时开启， ldo和电平转换阵列开始工作，为后级高能耗电路提供电源或通信通道。当该模拟开关被关闭后，包括ldo、电平转换阵列、后级高能耗电路在内都将被关闭，仅保留mcu与外界进行通信或进行数据配置与读取操作。
41.其中，低压差稳压电路ldo为线性稳压电源(或dc
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dc稳压电路)，用于将前级非稳定电压转换为特定的稳定电压，保障后级电路的稳定性。
42.本实施例中，宽电压电平转换阵列为本实用新型的核心部件，可以在mcu的控制下开启或关闭，当前级电路与后级电路工作电平不一致时（通常是电池电压发生变化），要求部件能够在一个很宽的电压范围内实现高低电平转换，保证与后级电路在不同的工作电平下正常双向通信。作为参考，如图3所示。图3为该部件内部电路单元的其中一种实现形式，要求va和vb大于mos管的饱和导通电压，低于mos管的极限工作电压，该电路即可能够在va和vb电平之间进行双向电平转换。
43.本实施例中，负载通常是执行部件，包括机电设备或其他功率元器件。其工作状态由mcu控制。当处于非工作状态时，包括芯片外围电路在内的所有元器件的电源供给被切断，实现电量消耗最小化。
44.与传统低功耗电路相比，本实用新型具有如下优点：
45.1.对电路进行极低功耗、低功耗、高能耗三级能耗管控，按照能耗水平和重要程度逐级分配能源，实时检测电量供给情况，根据电量状态逐级切断相关电路供电，消除非必须静态功耗；
46.2. mcu内可以集成智能算法，当设备供电处于非稳定供电状态时（如便携式电池供电设备、设备处于野外，利用风力、太阳能能外部非稳定能源供电），设备可以根据不同情况智能选择最佳工作状态，最大限度保障设备处于可靠工作状态下，延长使用时间；
47.3. mcu内可以在很低电压水平下依然能够依据用户指令做出响应或将设备当前工作状态实时上报，对于远程维护或监控提供便利；
48.4.本实用新型实现了可以在宽电压范围内能够实现双向电平转换的单元阵列，确保当电压持续升高或降低时后电路依然能够正常双向通信。
49.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。