CN101839937B - 供电检测装置 - Google Patents

Abstract

一种供电检测装置。供电检测装置包括四个晶体管、两个电阻与比较器，用以检测输入电压并据以判断是否开机，其开机与否的判断受温度影响很低，且有良好的抗噪声功能，可以在不同温度之下具有稳定的表现。

Description

供电检测装置

技术领域

本发明涉及一种供电检测装置，且特别涉及一种具有温度豁免(temperature immunity)的供电检测装置。

背景技术

在许多电子装置和电路上，通常会加装供电检测装置，其目的为了要检测外接电源是否真正供电，例如当供电电源上升到门限值1伏特(V)时，供电检测装置应判断为开机。然而在消费性电子装置针对节能与制程的设计要求下，门限值伏特数越来越小，制程的尺寸也越来越小，此时供电检测装置的电路会受到温度的影响，在判断是否开机时会误判断。已知的供电检测装置有能隙型(bandgap type)与P/N元件加电阻(P/N device+resistance)两种。图1为已知的能隙型供电检测装置，当输入电压V_cck开始提供电压时，能隙型供电检测装置100为依据正端电压Vpos2与负端电压Vneg2的差值判断是否开机。虽然其差值受温度影响较小，惟其差值亦很小，例如13.99毫伏特(mV)，于是在65奈米制程下产生的元件变异(devicevariation)特性，会造成供电检测装置100的误判断。

图2为已知的P/N元件加电阻供电检测装置，当输入电压V_cck开始提供电压给P/N元件加电阻供电检测装置200时，供电检测装置200为依据正端电压Vpos3与负端电压Vneg3的差值判断是否开机。正端电压Vpos3与负端电压Vneg3的差值会随着温度而改变，例如在-40℃时其差值为142.8毫伏特(mV)，而在125℃时其差值为21.08毫伏特(mV)，于是会造成供电检测装置200在不同温度下有很大差异的判断。

发明内容

本发明提供一种供电检测装置，用以检测输入电压并据以判断是否开机，其开机与否的判断受温度影响很低，且有良好的抗噪声功能，可以在不同温度之下具有稳定的表现，具有温度豁免的效果。

承接上述，本发明提供一种供电检测装置，其包括电压检测单元。所述电压检测单元用以接收输入电压，并检测所述输入电压以输出第一输出电压。所述电压检测单元包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、以及比较器。其中所述第一晶体管的源极耦接于所述输入电压，而所述第一晶体管的栅极和漏极则耦接在一起。所述第二晶体管的源极耦接于所述输入电压，而所述第二晶体管的栅极和漏极则耦接在一起。所述第三晶体管的源极耦接于接地端，而所述第三晶体管的栅极和漏极则耦接在一起。第四晶体管的源极耦接于所述接地端，而所述第四晶体管的栅极和漏极则耦接在一起。所述第一电阻耦接于所述第一晶体管的漏极与所述第三晶体管的漏极之间。所述第二电阻耦接于所述第二晶体管的漏极与所述第四晶体管的漏极之间。第三电阻的一端耦接所述输入电压，而第三电阻的另一端耦接于所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的源极。此外，所述比较器的输出端输出所述第一输出电压，所述比较器的负输入端耦接于所述第三晶体管的漏极与所述第一电阻之间的共同接点，所述比较器的正输入端耦接于所述第二晶体管的漏极与第二电阻之间的共同接点。其中，所述第一晶体管与所述第二晶体管为PMOS晶体管(p-channel metal oxide semiconductor field effecttransistor)，而所述第三晶体管与所述第四晶体管为NMOS晶体管(n-channelmetal oxide semiconductor field effect transistor)。

本发明所提供的供电检测装置还包括：滤波器以及触发器。所述滤波器耦接于所述电压检测单元，用以接收所述第一输出电压并进行滤波处理以产生第二输出电压。所述触发器耦接于所述滤波器，用以接收所述第二输出电压并进行抗噪声处理以输出第三输出电压。

在本发明的一实施例中，当所述输入电压的电压值等于一指定电压时，根据所述电压检测单元内的所述第一晶体管的一第一过载电压、所述电压检测单元内的所述第二晶体管的一第二过载电压、所述第一晶体管的一第一热电压及所述第二晶体管的一第二热电压决定所述指定电压；以及当所述第一输出电压上升至逻辑高电位时，使所述第二输出电压上升至逻辑高电位。

在本发明的一实施例中，当通过所述第一晶体管的第一电流和通过所述第二晶体管的第二电流实质上相等时，所述指定电压根据所述第一过载电压、所述第二过载电压、所述第一热电压、所述第二热电压和正温度系数参数而得。所述正温度系数参数根据次临界斜率因数、临界电压及比值而得。所述比值根据所述电压检测单元内的所述第一电阻与所述第二电阻的比例而得。

在本发明的一实施例中，所述第一过载电压和所述第二过载电压具有正温度系数，所述第一热电压及所述第二热电压具有负温度系数，通过控制所述第一过载电压、所述第二过载电压、所述正温度系数参数、所述第一热电压及所述第二热电压以在温度变化时，降低所述指定电压的变化。

在本发明的一实施例中，当所述比较器的所述负输入端的接收电压与所述比较器的所述正输入端的接收电压相等时，所述输入电压的电压值等于所述指定电压。

综合上述，本发明所提出的供电检测装置，其开机与否的判断受温度影响很低，且有良好的抗噪声功能，可以在不同温度之下具有稳定的表现。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是已知的能隙型供电检测装置。

图2是已知的P/N元件加电阻供电检测装置。

图3是依照本发明的一实施例的供电检测装置。

图4A与图4B是依照本发明的一实施例的供电检测装置与已知技术的比较。

图5是依照本发明的一实施例的供电检测方法。

【主要元件符号说明】

300：供电检测装置    302：电压检测单元

304：滤波器          SCH：史密兹触发器

INV：反相器          COMP：比较器

R₁、R₂、R₃：电阻     C：电容

V_cck：输入电压       GND：接地端

I_D1、I_D2：电流

V_A：比较器正输入端电压

V_B：比较器负输入端电压

MP1、MP2、MP3：PMOS晶体管

MN1、MN2、MN3：NMOS晶体管

Vout1、Vout2、Vout3、Vout4：输出电压

100：能隙型供电检测装置

200：P/N元件加电阻供电检测装置

Vpos2、Vpos3：正端电压

Vneg2、Vneg3：负端电压

S500～S506：供电检测步骤

具体实施方式

请参照图3，图3绘示依照本发明的一实施例的供电检测装置300，供电检测装置300包括电压检测单元302、滤波器304、触发器SCH与反相器INV。其中电压检测单元302接收输入电压V_cck，并检测输入电压V_cck藉以传送输出电压Vout1。本实施例中，触发器SCH可采用史密兹触发器(Schmitt trigger)。更进一步而言，电压检测单元302包括两PMOS晶体管MP1与MP2、两NMOS晶体管MN1与MN2、三电阻R₁、R₂与R₃，以及比较器COMP，其中电流I_D1为流经电阻R₁的电流，而电流I_D2为流经电阻R₂的电流。

电阻R₃的一端耦接于输入电压V_cck，而另一端则耦接于PMOS晶体管MP1的源极与PMOS晶体管MP2的源极。此外PMOS晶体管MP1的漏极耦接于PMOS晶体管MP1的栅极与电阻R₁，PMOS晶体管MP2的漏极耦接于PMOS晶体管MP2的栅极、电阻R₂与比较器COMP的正输入端，且PMOS晶体管MP2的漏极的电压即为比较器正输入端电压V_A。

NMOS晶体管MN1的源极与NMOS晶体管MN2的源极耦接于接地端GND。此外NMOS晶体管MN2的漏极耦接于NMOS晶体管MN2的栅极与电阻R₂，NMOS晶体管MN1的漏极耦接于NMOS晶体管MN1的栅极、电阻R₁与比较器COMP的负输入端，且NMOS晶体管MN1的漏极的电压即为比较器负输入端电压V_B。

此外，电压检测单元302在晶体管的部分做更进一步设计，PMOS晶体管MP1的尺寸是PMOS晶体管MP2的尺寸的m倍，且NMOS晶体管MN2的尺寸同样是NMOS晶体管MN1的尺寸的m倍，其中m是预设常数，且MP1、MP2、MN1、以及MN2都操作于次临界区(sub-threshold region)。比较器COMP接收比较器正输入端电压V_A与比较器负输入端电压V_B，并传送输出电压Vout1至滤波器304。当输入电压V_cck开始提供电压给电压检测单元302时，如果比较器正输入端电压V_A大于或等于比较器负输入端电压V_B，则输出电压Vout1会从逻辑低电位上升至逻辑高电位。

在滤波器304的设计部分，滤波器304用以接收输出电压Vout1并进行滤波处理，藉以传送输出电压Vout2。滤波器304包括PMOS晶体管MP3、NMOS晶体管MN3与电容C。PMOS晶体管MP3的栅极耦接于接地端GND，PMOS晶体管MP3的源极耦接于输入电压V_cck，PMOS晶体管MP3的漏极耦接于电容C与NMOS晶体管MN3的漏极，而电容C的另一端耦接于接地端GND。输出电压Vout2由电容C提供。

滤波器304中的NMOS晶体管MN3的栅极接收输出电压Vout1，且NMOS晶体管MN3的源极耦接于接地端GND。据此，当输出电压Vout1上升至逻辑高电位时，则NMOS晶体管MN3关闭，输出电压Vout2会因为电容C充电而上升至逻辑高电位。为了使供电检测装置300具有抗噪声的功能，因此输出电压Vout2经由史密兹触发器SCH处理并传送输出电压Vout3至反相器INV。输出电压Vout3经由反相器INV反相藉以传送输出电压Vout4。

为了更清楚了解供电检测装置300受温度的影响，以下定义参数藉以解释电路特性：

V_GSN1：NMOS晶体管MN1的栅极与源极的电压差；

V_GSN2；NMOS晶体管MN2的栅极与源极的电压差；

V_DSN1：NMOS晶体管MN1的漏极与源极的电压差；

V_DSN2：NMOS晶体管MN2的漏极与源极的电压差；

V_DSP1：PMOS晶体管MP1的漏极与源极的电压差；

V_DSP2：PMOS晶体管MP2的漏极与源极的电压差；

V_THP：PMOS晶体管的热电压(thermal voltage)；

V_THN：NMOS晶体管的热电压；

V_T：临界电压(threshold voltage)；

A：晶体管尺寸比例(aspect ratio)，亦即晶体管的宽度除以其长度；

μ_n：NMOS晶体管的迁移率(mobility)；

ζ：次临界斜率因数(sub-threshold slope factor)；

V_OVN1：NMOS晶体管MN1的过载电压(overdrive voltage)；

V_OVN2：NMOS晶体管MN2的过载电压；

V_OVP1：PMOS晶体管MP1的过载电压；

ΔV_OVN：NMOS晶体管MN1和MN2的过载电压差额；

V_rr：指定电压，也就是输出电压Vout1从逻辑低电位转变为逻辑高电位时的输入电压V_cck。

跟据以上的定义，因此可以推导出以下公式：

$V_{\mathrm{OVN}1}=V_{\mathrm{GSN}1}-V_{\mathrm{THN}}={\mathrm{\ζV}}_T(\ln \left(I_{D1}\right)-\ln \left({\mathrm{A\μ}}_n{V}_T^2\right));$

$V_{\mathrm{OVN}2}=V_{\mathrm{GSN}2}-V_{\mathrm{THN}}={\mathrm{\ζV}}_T(\ln \left(I_{D2}\right)-\ln \left({\mathrm{mA\μ}}_n{V}_T^2\right));$

ΔV_OVN＝V_OVN1-V_OVN2＝ζV_Tln(mI_D1/I_D2)；

V_cck＝V_DSP1+I_D1R₁+V_DSN1+(I_D1+I_D2)R₃

＝V_DSP2+I_D2R₂+V_DSN2+(I_D1+I_D2)R₃。

当比较器正输入端电压V_A与比较器负输入端电压V_B实质上相等时，输入电压V_cck电压值等于指定电压V_rr，因此

I_D2R₂＝V_DSN1-V_DSN2＝ζV_Tln(mI_D1/I_D2)＝ΔV_OVN。

同理，I_D1R₁＝ΔV_OVP，于是当供电检测装置300设计在I_D1≈I_D2时，指定电压V_rr为相关参数的加总：

V_rr＝V_DSP1+I_D1R₁+V_DSN1+(I_D1+I_D2)R₃

＝V_OVP1+V_THP+I_D1R₁+V_OVN2+V_THN+ΔV_OVN+(I_D1+I_D2)R₃

＝V_OVP1+V_THP+V_OVN2+V_THN+2ζV_T[lnm]+2R₃(ζV_T[lnm])/R₂。

其中V_OVN2、V_OVP1、ζV_T[lnm]与R₃(ζV_T[lnm])/R₂具有正温度系数(positivetemperature coefficient)，而V_THP与V_THN具有负温度系数(negative temperaturecoefficient)。换句话说，V_OVN2、V_OVP1、ζV_T[lnm]与R₃(ζV_T[lnm])/R₂为正温度系数参数，而V_THP与V_THN具为负温度系数参数。更进一步而言，当温度上升时，V_OVN2、V_OVP1、ζV_T[lnm]与R₃(ζV_T[lnm])/R₂会随之增加，而V_THP与V_THN会随之递减。因此在设计供电检测装置300时，可设计V_OVN2、V_OVP1、ζV_T[lnm]、R₃(ζV_T[lnm])/R₂、V_THP与V_THN，藉以降低温度变化对指定电压V_rr的影响，也就是说，降低温度变化对于供电检测装置300判断开机与否的影响。

请参照图4A与图4B，图4A与图4B为依照本发明的一实施例的供电检测装置与已知技术的比较，其中本实施例代表供电检测装置300的表现，已知1代表已知的能隙型供电检测装置100的表现，而已知2代表已知的P/N元件加电阻供电检测装置200的表现。更进一步解释，图4A中的Vrr代表着各种供电检测装置在判断为开机时，其输入电压V_cck的电压值，显然供电检测装置300在各种温度变化之下，其判断为开机时的输入电压V_cck，相较于其他供电检测装置更不受温度影响。

在图4B中，ΔV代表着各种供电检测装置据以判断是否开机的电压差，在本实施例部分代表供电检测装置300中比较器正输入端电压V_A与比较器负输入端电压V_B的电压差，在已知1部分代表能隙型供电检测装置100中Vpos2与Vneg2的电压差，而在已知2部分代表P/N元件加电阻供电检测装置200中Vpos3与Vneg3的电压差。由图4B的比较可知，显然供电检测装置300在各种温度变化之下，其开机与否的判断比其他供电检测装置更不受温度影响。

根据上述供电检测装置的说明，本发明提出一种供电检测方法。请参照图5，图5绘示依照本发明的一实施例的供电检测方法。首先电压检测单元302检测输入电压V_cck，藉以传送输出电压Vout1(步骤S500)。决定指定电压Vrr(步骤S502)，其中

V_rr＝V_OVP1+V_THP+V_OVN2+V_THN+2ζV_T[lnm]+2R₃(ζV_T[lnm])/R₂。

接着，滤波器304接收输出电压Vout1以产生输出电压Vout2，且当输出电压Vout1上升至逻辑高电位时，使所述输出电压Vout2上升至逻辑高电位(步骤S504)。最后，史密兹触发器SCH接收输出电压Vout2并进行抗噪声处理，并输出输出电压Vout3(步骤S506)。

综合上述，本发明所提出的供电检测装置，用以检测输入电压并据以判断是否开机。其开机与否的判断受温度影响很低，且具有良好的抗噪声功能，可以在不同温度之下具有稳定的表现，具有温度豁免的效果。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种供电检测装置，包括：

一电压检测单元，用以接收一输入电压，并检测所述输入电压以输出一第一输出电压，所述电压检测单元包括：

一第一晶体管，所述第一晶体管的源极耦接于所述输入电压，而所述第一晶体管的栅极和漏极则耦接在一起；

一第二晶体管，所述第二晶体管的源极耦接于所述输入电压，而所述第二晶体管的栅极和漏极则耦接在一起；

一第三晶体管，所述第三晶体管的源极耦接于一接地端，而所述第三晶体管的栅极和漏极则耦接在一起；

一第四晶体管，所述第四晶体管的源极耦接于所述接地端，而所述第四晶体管的栅极和漏极则耦接在一起；

一第一电阻，所述第一电阻耦接于所述第一晶体管的漏极与所述第三晶体管的漏极之间；

一第二电阻，所述第二电阻耦接于所述第二晶体管的漏极与所述第四晶体管的漏极之间；

一第三电阻，所述第三电阻的一端耦接于所述输入电压，所述第三电阻的另一端耦接于所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的源极；以及

一比较器，所述比较器的输出端输出所述第一输出电压，所述比较器的负输入端耦接于所述第三晶体管的漏极与所述第一电阻之间的共同接点，所述比较器的正输入端耦接于所述第二晶体管的漏极与所述第二电阻之间的共同接点，

其中，所述第一晶体管与所述第二晶体管为PMOS晶体管，而所述第三晶体管与所述第四晶体管为NMOS晶体管。

2.如权利要求1所述的供电检测装置，还包括：

一滤波器，耦接于所述电压检测单元，用以接收所述第一输出电压并进行滤波处理以产生一第二输出电压；以及

一触发器，耦接于所述滤波器，用以接收所述第二输出电压并进行抗噪声处理以输出一第三输出电压。

3.如权利要求2所述的供电检测装置，其中，

当所述输入电压的电压值等于一指定电压时，根据所述电压检测单元内的所述第一晶体管的一第一过载电压、所述电压检测单元内的所述第二晶体管的一第二过载电压、所述第一晶体管的一第一热电压及所述第二晶体管的一第二热电压决定所述指定电压；以及

当所述第一输出电压上升至逻辑高电位时，使所述第二输出电压上升至逻辑高电位。

4.如权利要求3所述的供电检测装置，其中当通过所述第一晶体管的一第一电流和通过所述第二晶体管的一第二电流相等时，所述指定电压根据所述第一过载电压、所述第二过载电压、所述第一热电压、所述第二热电压和一正温度系数参数而得，而所述正温度系数参数根据一次临界斜率因数、一临界电压及一比值而得，而所述比值根据所述电压检测单元内的所述第一电阻与所述第二电阻的比例而得。

5.如权利要求4所述的供电检测装置，其中所述第一过载电压和所述第二过载电压具有正温度系数，所述第一热电压及所述第二热电压具有负温度系数，通过控制所述第一过载电压、所述第二过载电压、所述正温度系数参数、所述第一热电压及所述第二热电压以在温度变化时，降低所述指定电压的变化。

6.如权利要求3所述的供电检测装置，其中当所述比较器的所述负输入端的接收电压与所述比较器的所述正输入端的接收电压相等时，所述输入电压的电压值等于所述指定电压。

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