CN102231509A - 具有防止误翻转功能的欠压锁存电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有防止误翻转功能的欠压锁存电路，主要解决现有技术难以消除错误输出，可靠性不高，功耗高的缺点。本发明包括防止误翻转输出的低压保护电路、用于检测电源电压变化的电源采样电路、用于设置欠压锁存阈值的带隙比较器和对输出信号进行放大处理的共源极放大电路四部分。低压保护电路控制带隙比较器工作，带隙比较器对电源采样电路的采样电压处理，经共源极放大电路放大输出欠压锁存信号。本发明不仅可以防止输出发生误翻转，还可以降低功耗，电路结构简单，节省芯片面积，可应用于各种电源管理芯片中。

Description

具有防止误翻转功能的欠压锁存电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，更进一步涉及模拟集成电路中具有防止误翻转功能的欠压锁存电路，可以用于各种电源管理芯片如PFC控制器，恒压恒流控制器中的启动保护。
背景技术
电源系统的安全性至关重要，在电源管理芯片如DC-DC、功率因数校正控制器、电子镇流器中，当电源电压低于芯片的正常工作范围时，芯片内部某些电路会无法正常工作，并产生内部逻辑错误，从而使外部开关管处于不确定状态，有可能对外部电路和芯片造成损坏，因此，芯片内部必须加入欠压锁存电路。欠压锁存可以提高芯片可靠性、安全性，通过对芯片输入电压进行检测，在输入电源电压过小时，能将芯片输出关断，使芯片保持在安全状态，同时不会对外部器件造成损坏。目前欠压锁存技术集成了输入电压采样电路、电压基准源、迟滞比较器，以及外部电流偏置，使得电路较为复杂，版图面积和功耗也随之增加，难以满足电源管理芯片越来越需要低功耗和高稳定性的要求。
日银IMP微电子有限公司拥有的专利技术“一种欠压锁存电路”(授权公告号CN 201682412 U授权公告日2010.12.22)提出一种以施密特触发器、齐纳二极管和电流偏置为核心的欠压锁存电路，其基本思想是利用电源电压和齐纳二极管的阴极端的稳压电压之间的相对变化，将传统施密特触发器由输入电压信号变化引起施密特触发器翻转转换为由施密特触发器接入的电源电压变化引起施密特触发器翻转，从而实现欠压锁存功能。该专利技术存在的不足是：该欠压锁存电路采用MOSFET的导通阈值作为参考电压检测电源电压，导致欠压锁存阈值不精确，温度漂移较大，且稳定性不足，输出信号容易受电源影响而发生误翻转。
苏州大学申请的专利“带有带隙基准结构的欠压锁存电路”(申请号201010508409.6，申请公布号CN 101958640A)提出一种以分压器、带隙基准电路、比较器和逻辑电路为核心的欠压锁存电路，其基本思想是将分压器采样的电源电压输入带隙基准比较器比较电压输入端，带隙基准比较器输出经逻辑电路整形后构成欠压锁存电路的控制输出端；逻辑电路与分压器间设有反馈控制回路。该专利申请公开的欠压锁存电路存在的不足是：其输出欠压锁存信号摆幅较小，不利于驱动更多的负载，在电源电压较低时带隙基准比较器工作不稳定容易导致输出发生误翻转。
发明内容
本发明针对现有的欠压锁存技术的不足，提出一种具有防止误翻转功能的欠压锁存电路。本发明采用防误翻转电路提高输出稳定性，采用带隙比较器结构简化电路结构，从而减小电路功耗和面积，提高系统的安全性和可靠性，满足模拟集成电路低功耗高可靠性发展趋势的要求。
为实现上述目的，本发明包括防止误翻转输出的低压保护电路、用于检测电源电压变化的电源采样电路、用于设置欠压锁存阈值的带隙比较器和对输出信号进行放大处理的共源极放大电路四部分。低压保护电路输出端连接所述带隙比较器控制端，所述电源采样电路和共源极放大电路输入端分别与所述带隙比较器输出端相连。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明由于采用带隙比较器结构，克服了现有技术中需要外部电压基准和迟滞比较器结构的不足，使电路结构更加简单，减小了电路功耗和电路面积。
(2)本发明由于采用低压保护电路结构，避免了现有技术中带隙比较器在低压情况下工作不正常导致错误输出，提高了欠压锁存电路输出的可靠性，防止了输出发生误翻转。
(3)本发明由于采用共源极放大电路，克服了现有技术中传统运算放大电路结构复杂的不足，减小了电路功耗和面积，提高了输出摆幅。
(4)本发明由于采用具有高阶温度补偿的带隙比较器结构，克服了现有技术中基准电压温度特性差的不足，提高了欠压锁存阈值的精度和温度特性。
附图说明
图1为本发明的电路方框图；
图2为本发明低压保护电路电原理图；
图3为本发明电源采样电路电原理图；
图4为本发明带隙比较器电原理图；
图5为本发明共源极放大电路电原理图；
图6为本发明防止误翻转发生的仿真效果图；
图7为本发明产生的基准电压温度特性的仿真效果图；
图8为本发明所需功耗的仿真效果图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明包括低压保护电路、电源采样电路、带隙比较器和共源极放大电路四部分，其中，低压保护电路的输入端接电压VDD1，输出端与带隙比较器控制端相连，带隙比较器的输入端与电源采样电路的输出端相连，带隙比较器的输出端分别与电源采样电路的反馈端和共源极放大电路的输入端相连接，电源采样电路的输入端与电源电压VDD相连接。
低压保护电路检测电压VDD1，输出控制信号至带隙比较器控制端；电源采样电路采样电源电压VDD，输出采样电压到带隙比较器输入端；带隙比较器输入端接收采样电压信号，同时检测控制端信号，低电压状态下，带隙比较器关断，带隙比较器无输出，正常工作情况下，带隙比较器开启，输出低增益的欠压锁存信号到共源极放大电路输入端，并将该信号转化为反馈信号反馈回电源采样电路；共源极放大电路输入端接收带隙比较器输出的低增益欠压锁存信号，经放大整形处理后输出高增益大摆幅的欠压锁存信号。
参照图2，本发明低压保护电路的结构及原理描述如下：
所述的低压保护电路包括六个PMOS管，两个NMOS管，两个非门。PMOS管1、PMOS管2和PMOS管3分别以二极管连接方式串联形成分压结构，对带隙比较器工作电压VDD1进行检测，PMOS管2和PMOS管3连接处接NMOS管7的栅极；NMOS管7和PMOS管4的漏极相连，源极分别接地与电源，PMOS管4的栅极接地，非门9和非门10串联，非门9的输入端接PMOS管4和NMOS管7的漏极以及NMOS管8的栅极；PMOS管5、PMOS管6和NMOS管8以正反馈形式连接，非门10输出端接至带隙比较器输入端。PMOS管1、PMOS管2和PMOS管3采样VDD1得到采样电压VDD1/3，接NMOS管7的栅极；当VDD1较小时，NMOS管7关断，低压保护电路输出为高电平，关断带隙比较器；当VDD1足够大时，NMOS管7开启并将输出拉至低电平，使带隙比较器开启，并使欠压锁存信号正常输出。
参照图3，本发明电源采样电路的结构及原理描述如下：
所述电源采样电路包括一个齐纳二极管，三个电阻，一个NMOS管。电阻12、电阻13、电阻14与齐纳二极管11阳极串联，齐纳二极管11阴极接电源电压，电阻14接地，电阻13与电阻14的连接端输出接至带隙比较器输入端，NMOS管15与电阻13并联，栅极接带隙比较器输出端。VDD上升阶段，电阻12、电阻13、电阻14以分压形式采样电源VDD，得到采样电压输出到带隙比较器输入端。
参照图4，本发明带隙比较器的结构及原理描述如下：
所述带隙比较器包括一个NMOS管，两个PMOS管，八个电阻，四个NPN管。NMOS管26的漏极与电阻25和电阻24串联，源极接地，栅极接非门10的输出；PMOS管16和PMOS管17构成电流镜负载，电阻18和电阻19分别和PMOS管16、PMOS管17漏极相连构成限流限压负载，并分别与NPN管20和NPN管21集电极相连，共同保证了NPN管20和NPN管21集电极电压相等，电阻22作为NPN管20和NPN管21的基极限流负载，其两端分别与NPN管20和NPN管21的基极相连，NPN管20和NPN管21的发射极与电阻23相连构成带隙结构，产生基准电压；电阻28、电阻30、NPN管27和NPN管29串联，两端接电源和地，电阻28和NPN管29的集电极相连输出接NPN管20的基极，电阻25和电阻24与NMOS管26串联接地，电阻24和电阻25的连接端接NPN管29的基极，构成对基准电压的曲率补偿；PMOS管17和电阻19作为带隙比较器的输出端接至共源极放大电路的输入端。NPN管20和NPN管21作为带隙比较器的输入端检测电源采样电路输出的采样电压信号，当采样电压小于带隙比较器产生的基准电压时，带隙比较器输出为高电平，这时电路处于欠压状态，当采样电压大于带隙比较器产生的基准电压时，带隙比较器输出为低电平，这时电路将进入正常工作状态。
参照图5，本发明共源极放大电路的结构及原理描述如下：
所述共源极放大电路包括五个PMOS管，八个NMOS管。PMOS管31和PMOS管33栅极互相连接，镜像自带隙比较器的PTAT电流，其漏极分别与NMOS管37和NMOS管36的漏极相连，NMOS管37、NMOS管38和NMOS管39的栅极互相连接，并与NMOS管37的漏极相连，源极分别与NMOS管40、NMOS管41和NMOS管42的漏极相连，NMOS管40、NMOS管41和NMOS管42的源极均接地，栅极均相连，并与NMOS管40的漏极相连，共同构成共源共栅电流镜；PMOS管32与NMOS管38、NMOS管41串联构成第一级共源放大器，输出分别接NMOS管36的栅极、PMOS管35的栅极和电源采样电路中的NMOS管15的栅极；NMOS管36和PMOS管33串联构成第二级共源放大器，输出接PMOS管34的栅极；PMOS管34和NMOS管39、NMOS管42串联构成第三级共源放大器，输出接NMOS管43的栅极；PMOS管35和NMOS管43以推挽形式连接输出欠压锁存信号。PMOS管32作为共源极放大电路的第一级共源放大器输入端，栅极接带隙比较器的输出端信号，经过放大输出到第二级共源放大器输入端NMOS管43栅极，经第二级放大后输出到第三级共源放大器输入端PMOS管34的栅极，经第三级放大后最终通过推挽结构输出欠压锁存信号。
本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明。
实验一，验证本发明能较好的防止输出信号发生误翻转。本实验在Cadence软件下进行仿真。仿真温度为25℃，工作电压VDD1＝5V，器件工艺选取典型情况，对该电路进行瞬态情况下的仿真，仿真结果如图6所示，图6(a)为采用了低压保护电路后的情况，输出没有发生错误的翻转，图6(b)为未采用低压保护电路的情况，可以看出输出发生了错误的翻转。图6的仿真结果说明：该发明采用低压保护电路后使输出避免了发生误翻转，能有效保护欠压锁存信号的安全性。
实验二，验证本发明产生的基准电压具有很好的温度特性。本实验在Cadence软件下进行仿真。仿真温度为-40℃～125℃，工作电压VDD1＝5V，器件工艺选取典型情况，对该电路进行温度扫描，仿真结果如图7所示，在温度为35℃时基准电压最大为1.2085V，在温度为-40℃基准电压最小为1.2077V，在温度为100℃时出现了曲率补偿，可得温度系数为5ppm。图7的仿真结果说明：该发明产生的基准电压温度系数可以达到5ppm，使得基准电压温度特性得到提高。
实验三，验证本发明具有较低的功耗。本实验在Cadence软件下进行仿真。仿真温度为25℃，工作电压VDD1＝5V，器件工艺选取典型情况，对该电路进行瞬态扫描，仿真结果如图8(a)所示，在温度25℃时，电路正常工作下最大功耗仅为0.6mw，图8(b)为电源电压的瞬态曲线，图8(c)为欠压锁存输出的瞬态曲线。图8的仿真结果说明：该发明具有较低的功耗。

Claims (5)

1.一种具有防止误翻转功能的欠压锁存电路，包括防止误翻转输出的低压保护电路、用于检测电源电压变化的电源采样电路、用于设置欠压锁存阈值的带隙比较器和对输出信号进行放大处理的共源极放大电路四部分；低压保护电路输出端连接所述带隙比较器控制端，所述电源采样电路和共源极放大电路输入端分别与所述带隙比较器输出端相连。
2.根据权利要求1所述的具有防止误翻转功能的欠压锁存电路，其特征在于所述的低压保护电路包括六个PMOS管，两个NMOS管，两个非门；其中：
所述六个PMOS管中的PMOS管(1)、PMOS管(2)和PMOS管(3)分别以二极管连接方式串联形成分压结构，对带隙比较器工作电压VDD1进行检测，PMOS管(2)和PMOS管(3)分别接NMOS管(7)的栅极，PMOS管(5)、PMOS管(6)和NMOS管(8)以正反馈形式连接；
所述两个NMOS管中的NMOS管(7)和PMOS管(4)的漏极相连，源极分别接地与电源，PMOS管(4)的栅极接地；
所述两个非门中的非门(9)和非门(10)串联，非门(9)的输入端接PMOS管(4)和NMOS管(7)的漏极以及NMOS管(8)的栅极；非门(10)输出端接至带隙比较器输入端。
3.根据权利要求1所述的具有防止误翻转功能的欠压锁存电路，其特征在于：所述电源采样电路包括一个齐纳二极管，三个电阻，一个NMOS管；其中：
所述一个齐纳二极管(11)阴极接电源电压，阳极与电阻(14)相连；
所述三个电阻中的电阻(12)、电阻(13)、电阻(14)与齐纳二极管(11)阳极串联，电阻(14)接地，电阻(13)与电阻(14)的连接端输出接至带隙比较器输入端；
所述一个NMOS管(15)与电阻(13)并联，栅极接带隙比较器输出端。
4.根据权利要求1所述的具有防止误翻转功能的欠压锁存电路，其特征在于：所述带隙比较器包括一个NMOS管，两个PMOS管，八个电阻，四个NPN管；其中：
所述一个NMOS管(26)的漏极与电阻(25)和电阻(24)串联，源极接地，栅极接非门(10)的输出；
所述两个PMOS管中的PMOS管(16)和PMOS管(17)构成电流镜负载；
所述八个电阻中的电阻(18)和电阻(19)分别和PMOS管(16)、PMOS管(17)漏极相连构成限流限压负载，并分别与NPN管(20)和NPN管(21)集电极相连，共同保证了NPN管(20)和NPN管(21)集电极电压相等，电阻(22)作为NPN管(20)和NPN管(21)的基极限流负载，其两端分别与NPN管(20)和NPN管(21)的基极相连；
所述四个NPN管中的NPN管(20)和NPN管(21)的发射极与电阻(23)相连构成带隙结构，产生基准电压；电阻(28)、电阻(30)、NPN管(27)和NPN管(29)串联，两端接电源和地，电阻(28)和NPN管(29)的集电极相连输出接NPN管(20)的基极，电阻(25)和电阻(24)与NMOS管(26)串联接地，电阻(24)和电阻(25)的连接端接NPN管(29)的基极，构成对基准电压的曲率补偿；PMOS管(17)和电阻(19)作为带隙比较器的输出端接至共源极放大电路的输入端。
5.根据权利要求1所述的具有防止误翻转功能的欠压锁存电路，其特征在于：所述共源极放大电路包括五个PMOS管，八个NMOS管；其中：
所述五个PMOS管中的PMOS管(31)和PMOS管(33)栅极互相连接，镜像自带隙比较器的PTAT电流，其漏极分别与NMOS管(37)和NMOS管(36)的漏极相连；
所述八个NMOS管中的NMOS管(37)、NMOS管(38)和NMOS管(39)的栅极互相连接，并与NMOS管(37)的漏极相连，源极分别与NMOS管(40)、NMOS管(41)和NMOS管(42)的漏极相连，NMOS管(40)、NMOS管(41)和NMOS管(42)的源极均接地，栅极均相连，并与NMOS管(40)的漏极相连，共同构成共源共栅电流镜；PMOS管(32)与NMOS管(38)、NMOS管(41)串联构成第一级共源放大器，输出分别接NMOS管(36)的栅极、PMOS管(35)的栅极和电源采样电路中的NMOS管(15)的栅极；NMOS管(36)和PMOS管(33)串联构成第二级共源放大器，输出接PMOS管(34)的栅极；PMOS管(34)和NMOS管(39)、NMOS管(42)串联构成第三级共源放大器，输出接NMOS管(43)的栅极；PMOS管(35)和NMOS管(43)以推挽形式连接输出欠压锁存信号。
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