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一種低溫漂的欠壓保護電路的設計
電子技術應用2014年第6期
李艷麗，馮全源
西南交通大學 微電子研究所，四川 成都610031
摘要： 針對DC-DC電源管理系統(tǒng)中所必須的欠壓保護功能，提出一種隨溫度變化很小的欠壓保護電路。該電路結構簡單，不需要額外的帶隙基準電路，同時也省去了電壓比較器電路。電路特別考慮了溫度特性，減小了溫度對閾值電壓和遲滯量的影響。采用0.5 μm OKI工藝，運用Cadence和Hspice進行仿真。結果表明，當電源電壓降低到3.6 V時，輸出高電平；當電壓重新上升到3.79 V時，輸出低電平，遲滯量為0.19 V。溫度在-40 ℃~125 ℃變化時，翻轉閾值電壓和遲滯變化范圍僅為30 mV和70 mV。在不同模型下，翻轉閾值電壓和遲滯變化范圍均為30 mV，滿足電路的設計要求。
中圖分類號： TN495
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)06-0030-03
Design of under-voltage protection with low temperature drift
Li Yanli，F(xiàn)eng Quanyuan
Institute of Microelectronics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China
Abstract： Under-voltage protection is important in DC-DC power management system. A short-voltage safeguard circuit, which changes less with the temperature, is presented in this paper. Compared with traditional short-voltage safeguard circuit, this circuit does not use additional bandgap reference and comparator. To minimum the effect of temperature on circuit threshold voltage and hysteresis voltage, temperature character of devices has been considered in this design. The circuit is based on 0.5 μm OKI technology library, Cadence and Hspice software are used in circuit simulation. The simulation results show that the circuit has good performance. When the supply voltage is reduced to 3.6 V,the output becomes high. While，when it rises to 3.79 V,the output returns to a low level, the amount of hysteresis is 0.19 V.And with the temperature change in -40 ℃~125 ℃,the threshold and hysteresis are just 30 mV and 70 mV separately. In the different models, the range of threshold and hysteresis is just 30 mV. It satisfies the demand of the design.
Key words : under-voltage protection；hysteresis；threshold；temperature drift

       有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，模塊電源在預期有效時間內(nèi)失效的主要原因是外部故障條件所導致的損壞，正常使用發(fā)生失效的幾率很低[1]。因此，延長模塊電源壽命、提高系統(tǒng)可靠性的重要環(huán)節(jié)是選擇保護功能完善的產(chǎn)品。一個電路系統(tǒng)在正常工作時的電源電壓穩(wěn)定尤為重要[2]。雖然芯片工作在低電壓狀態(tài)時不會燒毀，但低電壓工作有可能會對芯片內(nèi)部邏輯電路產(chǎn)生影響，并且長時間低電壓工作不可避免地對芯片產(chǎn)生不良影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性也會變得很差，因此需要欠壓保護電路避免芯片工作在這種情況下[3]。其設計的關鍵在于，當電源電壓低于保護閾值門限時保持芯片關斷，并且?guī)в幸欢康倪t滯，以防止電源電壓在恢復過程中抖動而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

        本文提出了一種溫度漂移小的欠壓保護電路，電路結構簡單，不需要額外的帶隙基準電路，同時也省去了電壓比較器電路。當溫度在-40 ℃~125 ℃范圍內(nèi)變化以及在不同模型時，欠壓保護的閾值電壓和遲滯電壓變化很小，滿足電路的設計要求。

1 欠壓保護電路架構及工作原理

1.1 傳統(tǒng)欠壓保護電路

        圖1所示為傳統(tǒng)欠壓保護電路的架構圖，該電路通常采用電阻分壓與基準電壓進行比較來判斷系統(tǒng)是否工作正常[4]。其工作原理為：VDD在R0、R1和Rf上的分壓V1與基準電壓Vref進行比較，在VDD逐漸升高的過程中，V1<Vref時，UVLO_OUT為高電平，M0導通，將Rf短路；V1>Vref時，UVLO_OUT為低電平，M0關斷，將Rf斷路。VDD逐漸減小過程中，UVLO_OUT的變化與VDD升高時的變化相同，但由于存在Rf的短路與否，產(chǎn)生了遲滯電壓，從而避免了電壓抖動帶來的誤觸發(fā)。

                                                                   圖1  傳統(tǒng)欠壓保護電路架構圖

        電路中的比較器可以采用成熟的比較器模塊和系統(tǒng)中已有的基準電壓實現(xiàn)，這就要求在欠壓保護電路工作時，帶隙基準電路已經(jīng)可以正常工作，即要求帶隙基準電路在較低電壓情況下就開始正常工作，這樣就增加了電路的設計難度。

        鑒于上述傳統(tǒng)欠壓保護電路存在的缺點，在此提出了一種新型欠壓保護電路，在不使用額外的帶隙基準電壓和比較器的情況下，能夠達到欠壓保護電路的各項指標，其具有電路結構簡單、低溫度敏感以及門限電壓精準等特點。

1.2 新型欠壓保護電路

        圖2所示為本文所提出的欠壓保護電路結構圖。電路由三極管Q1~Q4、MOS管M0~M1、反相器I1和電阻R0~R2組成。其中，R0、R1、Q1和Q2構成電源電壓VDD的采樣電路；Q2、Q3和R2構成微電流源(widlar電流源)；M1和M2形成電流鏡；NMOS管M0和電阻R0構成電路的遲滯回路；MOS管M3~M8和反相器I1組成輸出級，具有一定的整形作用，同時提供滯回信號。

                                                                      圖2  新型欠壓保護電路結構圖

        VDD逐漸增加的過程中，最初由于VDD不能達到Q1和Q2的導通門限，電路不工作；當VDD上升到使Q1、Q2均導通后，其所在支路開始形成電流通路，并將電流鏡像到Q4，同時微電流源開始工作，此時設定Q3集電極電流大于Q4集電極電流，即I1>I2，M2漏極被拉為高電平，經(jīng)過輸出級得到UVLO_OUT為高電平，M0關斷，將R0斷路；當VDD繼續(xù)增大時，I0、I2增大，當I1=I2時，M2漏極被拉低，UVLO_OUT翻轉為低電平，M0導通，將R0短路，整個系統(tǒng)開始正常工作。VDD減小時與上述原理相同，只是翻轉門限不同。UVLO_OUT信號提供給后續(xù)電路開啟或關斷關鍵模塊，可以起到保護電路的作用。

        對于一個正向偏置的三極管，有[5]：

        

        假設Q1和Q2的導通電壓相等，均為VBE，則電源電壓采樣支路電流為：

        

        Q2、Q3和R2組成的微電流源產(chǎn)生的電流可以由式(3)得到[6]。三極管Q2、Q3和Q4的發(fā)射極面積之比為1:n:1。

        

        由分析可知，當電流I1=I2時，UVLO_OUT翻轉，即I0=I1所對應電壓即為該欠壓保護電路的閾值門限。將電流I1帶入式（2），可得如式（4）的翻轉門限：

        

        此時I0=I1，由式（3）可得電流I1為：

        

        將式（5）帶入式（4）中，可得：

        

其中，是與溫度無關的常數(shù)。VT具有正溫度系數(shù)，VBE具有負溫度系數(shù)，所以在整個溫度范圍內(nèi)，翻轉閾值會具有類似帶隙的溫度特性[7]。

        MOS管M0和電阻R0構成遲滯回路，當電源電壓VDD超過閾值電壓后，UVLO_OUT由高變低，M0管導通，電阻R0被短路，因此當電源電壓由高變低時，需要降到比VDDthresholdH更低的一個電壓VDDthresholdL才能使邏輯輸出電平發(fā)生翻轉。

        

其中，是與溫度無關的常數(shù)。式（9）同樣具有類似帶隙的溫度特性，從而保證了該保護電路具有低溫漂的特性。

        在本電路的設計過程中，調(diào)節(jié)電阻R0、R1、R2和三極管Q2、Q3和Q4的發(fā)射極面積之比可以得到所需要的翻轉門限，改變電阻R0可以調(diào)整欠壓保護的遲滯量。

2 仿真結果及分析

        采用0.5 &mu;m OKI工藝的器件模型參數(shù)，用Hspice軟件對所設計的電路進行仿真。

        圖3所示為溫度在-40 ℃~125 ℃范圍內(nèi)變化時電路的仿真結果。結果顯示，在典型情況下，電源電壓從3.3 V變化到4 V時，該欠壓保護電路的翻轉閾值為3.79 V，遲滯量為0.19 V。

                                                         圖3  溫度在-40 ℃~125 ℃下輸出曲線

        表1針對溫度在-40 ℃~125 ℃的仿真結果進行總結?？梢钥闯?，該電路的翻轉閾值和遲滯量最大變化分別為30 mV和70 mV，滿足電路的設計。

        如圖4所示，在不同模型情況下，該電路的翻轉閾值和遲滯量最大變化均為30 mV。

                                                                       圖4  不同模型下的輸出曲線

        本文分析了傳統(tǒng)欠壓保護電路的缺點，基于0.5 &mu;m OKI工藝，設計并實現(xiàn)了一種隨溫度漂移小的欠壓保護電路。本設計電路結構簡單，省去了帶隙基準和比較器電路，大大減小了電路的復雜性。在設計中特別考慮了電路的溫度特性，從而減小了溫度對翻轉閾值電壓和遲滯量的影響。使用Hspice軟件對電路進行仿真，仿真結果顯示，該電路在不同模型和溫度變化時，翻轉閾值電壓和遲滯量均變化很小，完全滿足電路的設計要求。

參考文獻

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