应用占空比来控制电源是否工作，以节省设备电力

关闭非活动电路可以节省大量电力;然而，这种电源管理假设有一个主动管理的“大脑”(通常是一个微控制器)，它知道何时打开和关闭电源。在以亚微安级运行的极低功耗系统中，可能需要让微控制器保持在深度睡眠模式，而让一个简单的超低功耗时钟电路定期唤醒。

虽然许多微控制器都有这样的定时器，但由极低功耗比较器构建的简单模拟时钟可以在较低功耗下运行，从而无需从中断定时器上电，并且在某些情况下完全不需要微控制器。同样，模拟时钟可以在低电压下运行——单节电池的电压低至 1V——并提供周期性的升压电压，而无需单独的稳压器。

此处显示的电路基于一个简单的张弛振荡器，该振荡器使用了一个非常低功耗的比较器。振荡器以大约 500 纳安的电流运行，被配置为一个占空比非常低的时钟，用于以小脉冲的形式对电路的占空比供电。时钟周期性地变为“高电平”，启用电路并提供电源;虽然大多数时候时钟保持低电平，但电路没有供电，只有振荡器作为“始终开启”的占空比时钟运行。

为应用占空比控制提供了一个非常低功耗的时钟。时序设置如下：首先，使用 R1、R2 和 R3 设置上限 (V UPTHR ) 和下限 (V LWTHR ) 迟滞跳闸阈值：然后，可以根据所需的关断时间选择 R4：并根据所需的导通时间选择 R5：

请注意，由于 V UPTHR 和 V LWTHR 只是 V BATT的缩放比例，因此 T ON 和 T OFF 都不依赖于 V BATT。

TSM9119 的输入偏置电流小于 2nA(整个温度范围内)，因此可以使用高阻值电阻器。使用 10MΩ 电阻器产生的净偏移小于 30mV，参考比较器输入。许多现成的双极晶体管可以替代 Q1 和 Q2：但是，应避免使用掺金的分立晶体管(大多数 2N3904 和 2N3906 晶体管未掺金)，因为掺金会增加泄漏电流。

所有电容器都应该是陶瓷的，以实现最低泄漏，通常受外壳电阻的限制。即使在高温下，该电路也能正常工作，而泄漏通常会增加。使用具有 NP0 (C0G) 电介质的电容器可提高频率稳定性，并进一步减少电介质吸收问题。(介电吸收可以使电容器在电路中充电和放电时“记住”其电荷;但是，这并不意味着是精密计时电路，因此应考虑使用 C0G。)

这个时钟有什么用途?也许最明显的是，振荡器可以周期性地用作唤醒微控制器的时钟。虽然大多数微控制器都有内置中断定时器，但并非所有微控制器都具有如此低的电源电流。微控制器可以设置为深度睡眠模式，由占空比时钟唤醒以定期检查系统状态。

这种“占空比”可能会通过周期性地为简单的测量供电来进一步节省电流，其结果随后会唤醒微控制器。因此，微控制器只在需要采取行动的结果时唤醒——而不仅仅是当定时器中断它时。

显示了这样一个场景——在这种情况下，太阳能监视器检查阳光的可用性，可能是针对低功率太阳能系统，该系统在有足够的光能可用之前不应转动。占空比时钟电路以大约 1 秒的间隔为太阳能探测器供电，包括 U2 和 U3 以及相关的无源器件。在太阳能探测器中，光电二极管 D1 感测可用光，TS1001 运算放大器通过其 VSS 电源引脚吸收产生的光电探测电流，提供正极性信号。

在运放回路中，运放必须根据光电检测电流消耗电源电流(有效抵消);该电流可高于 30µA。然而，由于太阳能探测器不需要持续开启，占空比时钟电路会将该电流降低占空比系数(约 500)，从而使探测器的净平均电流消耗低于 100nA。TSM9117 是一款电压检测器 IC，当输入升至 1.25V 以上时，其输出变为高电平，表示存在足够的光并中断处理器。可以通过选择 R9 设置所需的灵敏度触发阈值电压。

“占空比”可进一步配置为以升高的输出电压向负载提供突发功率。在这里，想法是使用集成到时钟设计中的简单倍压升压电容器来产生更高电压的短脉冲。升压电容仅在实际需要的短时间内提供更高的电压，从而无需单独的升压转换器及其相关的开销静态电流和延迟(事实上，某些转换器的关断电流超过了此任务使用的电流) - 循环时钟)。

在一个真实示例中显示了之前的想法。此处，该电路利用 433MHz SAW 谐振器发射器周期性地发射识别码。占空比时钟通过启用逻辑码型生成器(可以是反馈的、基于移位寄存器的代码生成器)为发送器提供用于传输的 OOK(开关键控)信号，从而为突发提供时序。作为奖励，时钟在时钟“准时”期间为发射器提供大约两倍的电压 (3.3V)，使 SAW 谐振器能够以合理的发射功率水平发射。

电容 C3 用作电荷泵的飞跨电容，电容的下端由触发器的输出 A 驱动，作为占空比时钟。当输出 A 为低电平时，电容通过肖特基二极管 D1 充电;当输出 A 为高电平时，V OUT 上升到大约 2 XV IN (减去 D1 二极管压降)。当输出 B 为高电平时， Q3 将 C3 的底部钳位至 V IN ，从而完成 C2 和 C3 的低阻抗串联路径，作为双堆叠电源电容器为输出供电。

应选择 C2 和 C3 的值以支持 V OUT所需的负载和导通持续时间。本设计选择 C2=C3=100μF，在 25mA 负载的 500μs“导通时间”内提供最小 3V。Q4 提供可选的负载切断;然而，SAW 谐振器发射器不需要以这种方式断开，因为当逻辑码型发生器提供“零”电平时，它几乎不消耗电流。

逻辑门 U2 和 U3 为占空比时钟添加了一些时序调整。在输出 A 变为高电平之前，不会启用输出 B。输出 B 在输出 A 之前下降，从而确保 Q3 的先断后合时序。此外，此时序确保码型发生器在 SAW 谐振器发射器有一段时间稳定其升压电源电压之前不会启动，并确保在升压电压从发射器移除之前停止传输。“AUP”系列逻辑用于温度范围内的低电源电流。

在电路中测得的“空载”电流显示，增加的升压电路几乎没有增加开销，负载电流反映了发射器在 500μs 突发周期内消耗的 3.5mA 平均负载电流。

在高温下，电路的一个弱点是 Q3(BSH205 MOSFET)的寄生漏电流。如果这是一个问题，可以将 BSH205 改为 PNP 晶体管，代价是略微降低升压电压。

电路显示了如何使用占空比升压概念来解决使用单个纽扣型碱性电池为基于微控制器的系统供电的基本问题。该电路类似于图 3 中所示的电路，但使用一个电压非常低且电源电流非常低的 TS1001 运算放大器作为比较器，取代了 TSM9119。此外，电路得到了简化，因为它提供了更低的电流。

该电路采用低至 1V 的电池电压工作，并提供 1.8V 的突发功率，适用于在短时间内以指定的 VDD=1.8V 为微控制器“突发供电”。在“关闭时间”期间，该电路为微控制器提供至少 0.9V 的待机电压，在微控制器规格表中指定为“RAM 保持电压”。或者，如果需要，可以使用可选的负载切断电路完全断开负载(微控制器)，以确保微控制器完全关闭且零泄漏。

该电路没有固定的导通时间;而是添加了 DONE 控制输入。微控制器在完成其操作后，将 DONE 线拉高，有效地“切断电源线”并通过重置电容器 C1 来关闭脉冲串(请注意，由于裕量原因，Q2 的集电极和发射极被反转以确保低 Vcesat)。该电路中的电荷泵由运放 U1 的输出直接驱动，支持 350μA 突发电流。

总之，采用低功耗、模拟、占空比时钟，作为“始终开启”定时器运行，功耗约为 500nA，对于超低功耗系统来说是一种有用的方法，通过循环电路开启来降低系统功率非常低的占空比，无需稳压器即可提供升压能力，甚至可以为微控制器突发供电。