CN101140301B - 零等待电流精确过电压比较器 - Google Patents

Abstract

一种精确过电压比较器，在正常工作情况下呈现零等待电流特性。NMOS晶体管和其它电路元件一起用于调整过电压比较器。对于正常电源电压，比较器保持在备用状态，且不消耗静态电流。

Description

零等待电流精确过电压比较器

技术领域

本发明涉及过电压比较器，更具体地说，涉及在正常电压工作情况下包括特殊节能特征的过电压比较器电路。

背景技术

以下符号约定用于说明现有技术以及本发明，列于如下表1。

表1：符号约定

VS	待检测的电源电压。
		5V	芯片上内部5V电源。
V<sub>drop</sub>	一系列齐纳二极管和双极晶体管的电压降。它具有低的温度系数。
		V<sub>BG</sub>	芯片上带隙基准电压，1.24V左右。
VS<sub>threshold</sub>	过电压比较器的阈值电压，它大大高于正常工作电压。
		I<sub>b</sub>	偏流。
I<sub>p</sub>	反偏电流。

一般来说，有两种传统的电路结构用于过电压比较器。第一种传统比较器结构100示于图1。比较器100包括：V_drop电路102，连接到VS电源电压源；电阻分压器106，包括电阻器R1和R2，连接在V_drop电路102和地之间。NMOS晶体管M1的栅极连接到电阻分压器106，漏极用于接收偏流I_b，且源极连接到地。偏流I_b连接在内部5V电源电压源和晶体管M1的漏极之间。施密特触发电路104的输入连接到晶体管M1的漏极，且其输出用于提供OUT过电压输出信号。

比较器电路100以NMOS晶体管M1的阈值电压作为基准电压。该阈值电压由下式给出：

${\mathrm{VS}}_{\mathrm{threshold}}=V_{\mathrm{GS}\left(M1\right)}*\frac{R_2+R_1}{R_2}+V_{\mathrm{drop}}---\left[1\right]$

偏流由下式给出：

$I_b=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}{(V_{\mathrm{GS}\left(M1\right)}-V_{\mathrm{th}\left(M1\right)})}^2---\left[2\right]$

电路100的过渡阈值可由公式[1]和[2]导出如下：

${\mathrm{VS}}_{\mathrm{threshold}}=[\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}}*I_b}+V_{\mathrm{th}\left(M1\right)}]*\frac{R_1+R_2}{R_2}+V_{\mathrm{drop}}---\left[3\right]$

可以看出，比较器电路100的阈值随NMOS晶体管M1的阈值电压V_th而变，而阈值电压V_th则随半导体工艺和温度而变。比较器电路100的阈值也可随偏流I_b的精确度而变。

第二种传统过电压比较器电路200示于图2。比较器电路200和上述类似，包括V_drop电路202和电阻分压器206。此外，比较器电路200包括电流反射镜电路208，该电路208其电源端连接到内部5V电源电压，输入用于接收I_b偏流，且输出用于向比较器210提供I_in电流。比较器210包括：第一输入，连接到电阻分压器206的输出；第二输入，用于接收芯片上带隙基准电压V_BG。比较器210的输出连接到施密特触发电路204的输入。施密特触发电路204的输出提供过电压情况的输出0UT信号指示。

电路200的阈值电压由下式给出：

${\mathrm{VS}}_{\mathrm{threshold}}=V_{\mathrm{BG}}*\frac{R_1+R_2}{R_2}+V_{\mathrm{drop}}---\left[4\right]$

比较器电路200的阈值比第一种解决方案具有更高的精确度，因为它仅涉及到V_BG、R1和R2的匹配以及V_drop。缺点是，其静态电流即使VS在正常工作时也不是零，如下式所示：

I_quiescent＝I_in+I_b    [5]

在低静态电流的芯片设计中，对此非零电流必须加以考虑。

所以，所需的是一种过电压比较器电路，它具有精确的阈值，但在正常工作情况下不提取任何明显的静态电流。

发明内容

过电压比较器电路包括：待监控的电源电压；电压降电路，连接到电源电压；电阻分压器，连接在电压降电路和地之间；晶体管，连接到电阻分压器的第一输出；比较器，连接到电阻分压器的第二输出，其输出用于提供过电压指示；以及电流反射镜，其输入连接到晶体管，且输出连接到比较器。使用这种设计，在正常电压工作情况下，晶体管和比较器都不消耗静态电流。

附图说明

从结合附图提供的以下本发明的详细说明中，将更容易理解本发明的上述和其它特征和优点，附图包括：

图1是按照现有技术的第一种过电压比较器电路的示意图；

图2是按照现有技术的第二种过电压比较器电路的示意图；

图3是按照本发明的过电压比较器电路的示意图；以及

图4是对第一种过电压比较器电路、第二种过电压比较器电路以及本发明的过电压比较器电路的静态电流进行比较的时序图。

具体实施方式

本发明的过电压比较器电路300示于图3。比较器电路300包括：V_drop电路302，连接到VS；以及两输出电阻分压器306，连接在V_drop电路302和地之间。电阻分压器306包括串联的电阻器R1、R2和R3。NMOS晶体管M1的栅极连接到电阻分压器306的第一输出，在电阻器R1和R2的接点处。晶体管M1的源极由偏流I_b偏置。晶体管M1的漏极连接到电流反射镜308的输入。电流反射镜308的电源端连接到内部5V电源电压，其输出用于提供图3中标有I_in的电流。电流反射镜电路308可如业界已知的用PMOS晶体管来设计，并可包括简单电流反射镜、威尔逊电流反射镜或其它已知的电流反射镜电路。比较器310的第一输入连接到电阻分压器306的第二输出。该第二输出在电阻器R2和R3的接点处形成。比较器310的第二输入接收内部产生的V_BG带隙电压。比较器310的第一电源端接收来自电流反射镜电路308的I_in电流，且比较器310的第二电源端连接到地。输出反偏电流I_p从比较器310的输出连接到地。I_p是一个小反偏电流源。当比较器310不有效时，它将比较器310的输出下拉到零。当比较器有效时，反偏电流不影响比较器310的功能。施密特触发电路304的输入连接到比较器310的输出，用于提供指示过电压情况的输出信号。

当VS在正常电压范围内时，晶体管M1不导通。所以，没有从内部5V电源提取电流。当

$\mathrm{VS}>{\mathrm{VS}}_{\mathrm{on}}=V_{\mathrm{th}\left(M1\right)}*\frac{R_1+R_2+R_3}{R_2+R_3}+V_{\mathrm{drop}}---\left[6\right]$

时，晶体管M1导通并起开关作用，它提供必需的电流，以使比较器310有效并准备进行开关。用于提供过电压指示的阈值由下式给出：

${\mathrm{VS}}_{\mathrm{threshold}}=V_{\mathrm{BG}}*\frac{R_1+R_2+R_3}{R_3}+V_{\mathrm{drop}}---\left[7\right]$

由于VS_threshold设计成大于VS_on，因此在VS＝VS_threshold之前，比较器310就有效，并准备好进行开关。

本发明的过电压比较器电路310包括了上述两种传统过电压比较器的优点。比较器电路310在正常工作范围上节省静态电流，并使用准确的过电压阈值来检测过电压情况。部分地，本发明比较器电路的设计包括一个NMOS晶体管，它与其它电路元件结合来调整比较器。在正常电源电压下，比较器保持在备用状态，不消耗任何静态电流。

模拟结果400示于图4。在模拟中使用了以下条件：

1)过电压比较器电路的阈值电压规定为30伏。电压VS的正常工作范围在9伏和16伏之间。

2)V_drop电路是一系列四个齐纳二极管和三个二极管连接的NPN双极晶体管。

3)将带隙电路加到模拟电路上，以产生基准V_BG和电流源。

4)所有模拟均使用相同的半导体工艺来进行。

使用额定典型半导体工艺对三种过电压比较器电路(第一和第二现有技术电路以及本发明的过电压比较器电路)的模拟结果示于表2。

表2模拟结果

温度(℃)	工艺偏置	提出的比较器(V)	传统比较器2(V)	传统比较器1(V)
					27	TYP	30.0	30.0	30.0
-40	TYP	30.0	30.0	31.0
					150	TYP	30.1	30.1	28.0

对三种过电压比较器电路的模拟结果如下：

1)对于第一种传统比较器电路，最大VS_threshold为33.9V，最小VS_threshold为24.4V。

2)对于第二种传统比较器电路，最大VS_threshold为31.4V，最小VS_threshold为28.7V。

3)对于本发明比较器电路，结果和第二种传统比较器电路相同。

图4示出第一种比较器电路静态电流402、第二种比较器电路静态电流404以及本发明比较器电路静态电流406。Y坐标表示从5V电源提取的电流，而X坐标表示VS值。注意，在晶体管M1开关之前和在提供过电压指示之前，电流402最初约为1微安，电流404约为3微安，而电流406实际上为零。从以上结果可知，本发明的过电压电路在正常工作范围上节省了静态电流，但仍提供了准确的过电压指示。

虽然已参阅本发明的优选实施例对本发明作了说明，但应理解，本发明并不局限于所述的细节。在上述说明中已建议了各种替换和更改，业界技术人员也会想到其它的替换和更改。因此，所有这些替换和更改均应被含盖在所附权利要求书所定义的本发明范围之内。

Claims (22)

1.一种过电压比较器电路，包括：

第一电源电压；

电压降电路，连接到第一电源电压；

电阻分压器，连接在所述电压降电路和地之间；

晶体管，连接到所述电阻分压器的第一输出；

电流反射镜，连接到第二电源电压并连接到所述晶体管；以及

比较器，连接到所述电流反射镜和所述电阻分压器的第二输出，其输出用于提供过电压指示。

2.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中第一电源电压包括待检测的电源电压。

3.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中所述电压降电路包括四个齐纳二极管和三个二极管连接的NPN双极晶体管。

4.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中所述电阻分压器包括串联的第一、第二和第三电阻器，且其中第一和第二电阻器的接点包括所述电阻分压器的第一输出，且其中第二和第三电阻器的接点包括所述电阻分压器的第二输出。

5.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中所述晶体管包括NMOS晶体管。

6.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中所述晶体管包括：栅极，连接到所述电阻分压器的第一输入；第一漏极，连接到所述电流反射镜；以及第二源极，用于接收偏流。

7.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中所述晶体管包括：栅极，连接到所述电阻分压器的第一输入；第一源极，连接到所述电流反射镜；以及第二漏极，用于接收偏流。

8.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中当第一电源电压在正常工作范围内时，所述晶体管不导通，并且不从第二电源电压提取任何电流。

9.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中第二电源电压包括芯片上内部5伏电源电压。

10.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中所述比较器包括：第一输入，连接到所述电阻分压器的第二输出；以及第二输入，用于接收带隙电压。

11.如权利要求1所述的过电压比较器电路，包括用于所述晶体管的第一开关阈值以及用于所述比较器的第二开关阈值。

12.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中在满足下式时，所述晶体管导通，其中VS是第一电源电压，V_th(M1)是所述晶体管的阈值电压，R1是所述电阻分压器中的第一电阻器，R2是所述电阻分压器中的第二电阻器，R3是所述电阻分压器中的第三电阻器，且V_drop是所述电压降电路的电压降：

$\mathrm{VS}>{\mathrm{VS}}_{\mathrm{on}}=V_{\mathrm{th}\left(M1\right)}*\frac{R_1+R_2+R_3}{R_2+R_3}+V_{\mathrm{drop}}.$

13.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中所述比较器的开关阈值由下式给出，其中V_BG是带隙电压，R1是所述电阻分压器中的第一电阻器，R2是所述电阻分压器中的第二电阻器，R3是所述电阻分压器中的第三电阻器，且V_drop是所述电压降电路的电压降：

${\mathrm{VS}}_{\mathrm{threshold}}=V_{\mathrm{BG}}*\frac{R_1+R_2+R_3}{R_3}+V_{\mathrm{drop}}.$

14.如权利要求1所述的过电压比较器电路，还包括连接到所述比较器的输出的反偏电流源。

15.如权利要求1所述的过电压比较器电路，还包括连接到所述比较器的输出的施密特触发电路。

16.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中在第一电源电压达到30伏时，设置所述比较器的额定阈值电压。

17.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中在第一电源电压达到31.4伏时，设置所述比较器的最大阈值电压。

18.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中在第一电源电压达到28.7伏时，设置所述比较器的最小阈值电压。

19.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中第一电源电压的正常工作范围在9伏和16伏之间。

20.如权利要求1所述的过电压比较器电路，其中所述晶体管和比较器在正常电压工作情况下不消耗静态电流。

21.一种过电压比较器电路，包括：

待监控的电源电压；

电压降电路，连接到所述电源电压；

电阻分压器，连接在所述电压降电路和地之间；

晶体管，连接到所述电阻分压器的第一输出；

比较器，连接到所述电阻分压器的第二输出，其输出用于提供过电压指示；以及

电流反射镜，其输入连接到所述晶体管，并且其输出连接到所述比较器。

22.一种过电压比较器电路，包括：

待监控的电源电压；

电压降电路，连接到所述电源电压；

电阻分压器，连接在所述电压降电路和地之间；

晶体管，连接到所述电阻分压器的第一输出并具有第一开关阈值；

比较器，连接到所述电阻分压器的第二输出并具有第二开关阈值；以及

电流反射镜，其输入连接到所述晶体管，并且其输出连接到所述比较器，其中所述晶体管和所述比较器在正常工作情况下不消耗静态电流，并且仅在过电压情况下消耗静态电流。

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