關(guān)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(shè)有一個(gè)主動管理的“大腦”(通常是一個(gè)微控制器)，它知道何時(shí)打開和關(guān)閉電源。在以亞微安級運(yùn)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(gè)簡單的超低功耗時(shí)鐘電路定期喚醒。

雖然許多微控制器都有這樣的定時(shí)器，但由極低功耗比較器構(gòu)建的簡單模擬時(shí)鐘可以在較低功耗下運(yùn)行，從而無需從中斷定時(shí)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(shí)鐘可以在低電壓下運(yùn)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(dú)的穩(wěn)壓器。

此處顯示的電路基于一個(gè)簡單的張弛振蕩器，該振蕩器使用了一個(gè)非常低功耗的比較器。振蕩器以大約 500 納安的電流運(yùn)行，被配置為一個(gè)占空比非常低的時(shí)鐘，用于以小脈沖的形式對電路的占空比供電。時(shí)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(shù)時(shí)候時(shí)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(shí)鐘運(yùn)行。

為應(yīng)用占空比控制提供了一個(gè)非常低功耗的時(shí)鐘。時(shí)序設(shè)置如下：首先，使用 R1、R2 和 R3 設(shè)置上限 (V UPTHR ) 和下限 (V LWTHR ) 遲滯跳閘閾值：然后，可以根據(jù)所需的關(guān)斷時(shí)間選擇 R4：并根據(jù)所需的導(dǎo)通時(shí)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(gè)溫度范圍內(nèi))，因此可以使用高阻值電阻器。使用 10MΩ 電阻器產(chǎn)生的凈偏移小于 30mV，參考比較器輸入。許多現(xiàn)成的雙極晶體管可以替代 Q1 和 Q2：但是，應(yīng)避免使用摻金的分立晶體管(大多數(shù) 2N3904 和 2N3906 晶體管未摻金)，因?yàn)閾浇饡黾有孤╇娏鳌?

所有電容器都應(yīng)該是陶瓷的，以實(shí)現(xiàn)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(zhì)的電容器可提高頻率穩(wěn)定性，并進(jìn)一步減少電介質(zhì)吸收問題。(介電吸收可以使電容器在電路中充電和放電時(shí)“記住”其電荷;但是，這并不意味著是精密計(jì)時(shí)電路，因此應(yīng)考慮使用 C0G。)

這個(gè)時(shí)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(shí)鐘。雖然大多數(shù)微控制器都有內(nèi)置中斷定時(shí)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(shè)置為深度睡眠模式，由占空比時(shí)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(jìn)一步節(jié)省電流，其結(jié)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(jié)果時(shí)喚醒——而不僅僅是當(dāng)定時(shí)器中斷它時(shí)。

顯示了這樣一個(gè)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(yīng)轉(zhuǎn)動。占空比時(shí)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(guān)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(yùn)算放大器通過其 VSS 電源引腳吸收產(chǎn)生的光電探測電流，提供正極性信號。

在運(yùn)放回路中，運(yùn)放必須根據(jù)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(shí)鐘電路會將該電流降低占空比系數(shù)(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(dāng)輸入升至 1.25V 以上時(shí)，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(shè)置所需的靈敏度觸發(fā)閾值電壓。

“占空比”可進(jìn)一步配置為以升高的輸出電壓向負(fù)載提供突發(fā)功率。在這里，想法是使用集成到時(shí)鐘設(shè)計(jì)中的簡單倍壓升壓電容器來產(chǎn)生更高電壓的短脈沖。升壓電容僅在實(shí)際需要的短時(shí)間內(nèi)提供更高的電壓，從而無需單獨(dú)的升壓轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)的開銷靜態(tài)電流和延遲(事實(shí)上，某些轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷電流超過了此任務(wù)使用的電流) - 循環(huán)時(shí)鐘)。

在一個(gè)真實(shí)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(shí)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?shù)? OOK(開關(guān)鍵控)信號，從而為突發(fā)提供時(shí)序。作為獎(jiǎng)勵(lì)，時(shí)鐘在時(shí)鐘“準(zhǔn)時(shí)”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(qū)動，作為占空比時(shí)鐘。當(dāng)輸出 A 為低電平時(shí)，電容通過肖特基二極管 D1 充電;當(dāng)輸出 A 為高電平時(shí)，V OUT 上升到大約 2 XV IN (減去 D1 二極管壓降)。當(dāng)輸出 B 為高電平時(shí)， 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(yīng)選擇 C2 和 C3 的值以支持 V OUT所需的負(fù)載和導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。本設(shè)計(jì)選擇 C2=C3=100μF，在 25mA 負(fù)載的 500μs“導(dǎo)通時(shí)間”內(nèi)提供最小 3V。Q4 提供可選的負(fù)載切斷;然而，SAW 諧振器發(fā)射器不需要以這種方式斷開，因?yàn)楫?dāng)邏輯碼型發(fā)生器提供“零”電平時(shí)，它幾乎不消耗電流。

邏輯門 U2 和 U3 為占空比時(shí)鐘添加了一些時(shí)序調(diào)整。在輸出 A 變?yōu)楦唠娖街埃粫⒂幂敵?B。輸出 B 在輸出 A 之前下降，從而確保 Q3 的先斷后合時(shí)序。此外，此時(shí)序確保碼型發(fā)生器在 SAW 諧振器發(fā)射器有一段時(shí)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?！癆UP”系列邏輯用于溫度范圍內(nèi)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(fù)載電流反映了發(fā)射器在 500μs 突發(fā)周期內(nèi)消耗的 3.5mA 平均負(fù)載電流。

在高溫下，電路的一個(gè)弱點(diǎn)是 Q3(BSH205 MOSFET)的寄生漏電流。如果這是一個(gè)問題，可以將 BSH205 改為 PNP 晶體管，代價(jià)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(gè)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(gè)電壓非常低且電源電流非常低的 TS1001 運(yùn)算放大器作為比較器，取代了 TSM9119。此外，電路得到了簡化，因?yàn)樗峁┝烁偷碾娏鳌?

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(shí)間內(nèi)以指定的 VDD=1.8V 為微控制器“突發(fā)供電”。在“關(guān)閉時(shí)間”期間，該電路為微控制器提供至少 0.9V 的待機(jī)電壓，在微控制器規(guī)格表中指定為“RAM 保持電壓”。或者，如果需要，可以使用可選的負(fù)載切斷電路完全斷開負(fù)載(微控制器)，以確保微控制器完全關(guān)閉且零泄漏。

該電路沒有固定的導(dǎo)通時(shí)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(guān)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(zhuǎn)以確保低 Vcesat)。該電路中的電荷泵由運(yùn)放 U1 的輸出直接驅(qū)動，支持 350μA 突發(fā)電流。

總之，采用低功耗、模擬、占空比時(shí)鐘，作為“始終開啟”定時(shí)器運(yùn)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。