一种根据电源办理芯片的新式欠压维护电路

A novel under-voltage protection circuit based on power management chip

李宏杰，李立
（安阳工学院 电子信息与电气工程学院，河南 安阳 455000）

        摘要：针对传统电源办理芯片中的欠压维护电路，提出了一种新式低温漂、低功耗、高精度的欠压维护电路。选用新式无电压比较器的欠压维护电路架构，经过基准自偏置发生的无温度系数电流与电源采样电流进行比较，进而对芯片体系各模块完成欠压维护。根据UMC0.25 μm BCD工艺库进行规划，选用HSPICE仿真软件进行剖析。仿真成果表明：在电源电压上升沿过程中，当电源电压低于阈值电压3.85 V时，欠压维护电路输出高电平，芯片体系被关断；在电源电压下降沿过程中，当电源电压低于阈值电压3.63 V时，欠压维护电路输出高电平，芯片体系被关断。上升沿和下降沿的回差电压为0.22 V。满意电源办理芯片低温漂、高精度、低功耗的要
求。
       关键词：欠压维护；电流比较；阈值电压；回差电压
       *基金项目：河南省科技攻关项目（172102310671）；教育厅科学技术研讨重点项目（15A510017）

　　0 导言

       欠压维护（under-over lockout，UVLO）电路是电源办理芯片中一种重要的维护电路，能够对供电电压进行检测，当供电电压低于体系预设临界值时，芯片体系部分模块会被关断，避免芯片体系输出逻辑过错和其他不良影响，因而欠压维护电路被广泛使用在电源办理芯片中的差错放大器、振荡器、电流检测等模块中 ^[1] 。
　　传统电压维护电路一般选用电压比较器架构，经过对带隙基准电压与电源采样电压进行比较，当电源采样电压低于基准电压值时，欠压维护电路输出高电平，芯片体系部分模块被关断；当电源采样电压高于基准电压值时，欠压维护电路输出低电平，芯片体系从头正常作业 ^[2] 。欠压维护电路的输出级选用施密特触发器和反应操控回路发生迟滞电压，避免芯片体系因为电源电压动摇被重复关断^[3] 。尽管传统欠压维护电路原理简略、架构老练，可是传统欠压维护电路需求带隙基准模块供给基准电压，而且需求电压比较器对带隙基准电压和电源电压进行比较，电路的功耗较大 ^[4] 。

　　本文根据UMC0.25 μm BCD工艺库规划了一种新式欠压维护电路，选用无电压比较器电路架构，经过基准自偏置发生的电流与电源采样电流进行比较，当电源电压低于体系预设值时，欠压维护电路输出高电平，芯片体系部分模块被关断；当电源电压从头高于预设值时，欠压维护电路输出低电平，芯片体系正常作业。输出级电路选用反应操控电路发生迟滞电压，能够避免芯片因为电源动摇重复关断。
　　1 传统欠压维护电路原理及架构传统欠压维护电路如图1所示。其间，R₀、R_1和R₂为采样电阻。由电阻串联分压原理可知，电源采样电压V₀巨细为：

　　电源采样电压V₀和带隙基准电压V_REF经过电压比较器进行比较，当电源采样电压V₀低于带隙基准电压V_REF时，欠压维护输出电压UVLO_OUT输出高电平，芯片体系部分模块被关断；当电源采样电压V₀高于带隙基准电压V_REF时，欠压维护输出电压UVLO_OUT输出低电平，芯片体系从头正常作业。欠压维护电路输出级选用施密特触发器和反应操控电路发生迟滞电压，能够避免芯片体系因为电源动摇重复关断。
　　尽管传统欠压维护电路架构老练、原理简略，可是因为传统欠压维护电路额定需求带隙基准模块，电路功耗较大。一起需求电压比较器对电源收集电压和带隙基准电压比较，电路较为杂乱^[5] 。

　　2 新式欠压维护电路原理及架构
　　本文所提的新式欠压维护电路如图2所示。电路共分为发动与偏置电路、基准自偏置电路、欠压维护中心电路和反应操控电路四部分。各部分电路作业原理如下：
　　2.1 发动与偏置电路
　　发动电路由晶体管M1~M3和偏置电流I_bias组成。当体系供电模块供给偏置电流I_bias为2μA时，欠压维护电路正常发动。M1~M3管构成的电流镜结构能够对偏置电流I_bias进行仿制，经过调理各管子的宽长比能够调理电流的巨细。发动电路为欠压维护电路，其他模块供给适宜的偏置电流。
　　2.2 基准自偏置电路
　　基准自偏置电路由Q1、Q2和R1组成。其间Q1和Q2是发射结面积之比为1:8的NPN晶体管。由半导体物理常识可得：

　　因而，流过电阻R1的电流I_R1巨细为：

　　其间，ISS为晶体管发射结的饱和电流，其巨细正比于发射结面积^[6] 。M4晶体管的漏极电压为：

　　由 双 极 型 晶 体 管 V_BE的 温 度 特 性 可 知 ，

　　因而挑选适宜的电阻R1，就能够使V₀点的电压为无温度系数。

　　2.3 欠压维护中心电路

       欠压维护电路由晶体管M4~M10、R2和R3组成。其间R2和R3构成电源电压收集电路。当电源电压VDD发生变化时，经过电源采样电阻R2和R3采样出与之成正比的电流I₀，其巨细为：

       M7和M9构成的电流镜把I₀仿制到UVLO_OUT端。I₀与无温度系数的电流I_R1在UVLO_OUT端进行比较。当I₀<I_R1时，欠压维护输出电压UVLO_OUT为高电平；当I₀>I_R1时，欠压维护输出电压UVLO_OUT为低电平。

       2.4 反应操控电路
       反应操控电路由R2、R3和M8组成。当欠压维护电压UVLO_OUT输出高电平时，M8管栅极为高电平导通，R3被短路。此刻的电源采样电流I₀巨细I₀=V_DD/R₂。为回差电流DI巨细为：

       3 仿真成果及剖析
       本文提出的根据电源办理芯片新式欠压维护电路选用UMC0.25 μm BCD工艺库规划，使用HSPICE仿真软件进行仿真，仿真成果如下：
       图3为本文提出的新式欠压维护电路的瞬态特性仿真曲线。从图中能够看出，当电源电压VDD由小变大或由大变小过程中，当VDD小于上升沿和下降沿的门限电压值时，UVLO_OUT输出高电平，此刻芯片体系部分模块被关断；当VDD大于上升沿和下降沿的门限电压值时，UVLO_OUT输出低电平，此刻芯片正常作业。而且上升沿和下降沿的门限电压不一致，存在回差电压。

      图4为本文提出的新式欠压维护电路的回差电压仿真曲线。从图中能够看出，电源电压上升沿的跳变门限电压为3.85 V，下降沿的跳变门限电压为3.63 V，回差电压△I为0.22 V。能够有用的避免芯片体系因为电源电压动摇而呈现的重复关断。

　　4 定论

       本文提出了一种根据电源办理芯片的新式欠压维护电路。选用无电压比较器电路架构，经过基准自偏置电路发生的无温度系数的电流与电源采样电流进行比较。当电源电压在上升沿或下降沿低于体系预设值时，欠压维护电路输出高电平，芯片体系部分模块被关断；当电源电压高于体系预设值时，欠压维护电路输出低电平，芯片体系从头正常作业。一起上升沿和下降沿的跳变门限电压之间设有回差电压，避免芯片体系因为电源动摇而重复关断。本文规划的新式欠压维护电路满意电源办理芯片低温漂、低功耗、高精度要求。

      参考文献：
      [1] 李美丽，冯全源. 一种低温漂的欠压维护电路规划[J]. 电子技术使用，2014（6）：30-32.
      [2] 王慧丽，冯全源. 一种结构简略的新式CMOS欠压维护电路[J]. 电子器件，2017,40(3):593-596.
      [3] 湛衍,姚远，黄武康.一种电机驱动芯片的欠压维护电路的规划[J].电子器件, 2013,36(5):709-711.
      [4] 王智鹏,杨虹一款无电压比较器的欠压维护电路[J].电子世界, 2012, 13:51-52.
      [5] 王锐,唐婷婷.一种BiCMOS欠压维护电路的规划[J].电子科技, 2006, 10:76-78.
      [6] 唐宇,冯全源.一种低温漂低功耗带隙基准的规划[J].电子元件与资料,2014,33(2):30-33.
      作者简介
      李宏杰（1989-），男，硕士，讲师，首要研讨方向：模拟集成电路规划。
      李 立（1984-），男，硕士，讲师，首要研讨方向：光电集成电路规划。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第46页，欢迎您写论文时引证，并注明出处