CN102495261A - 一种间歇式工作的低电压检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对便携式电子产品电池的、间歇式工作的低电压检测电路。包括相互连接的开关电容检测电路、转换电路和信号锁存电路构成的低电压检测电路，低电压检测电路分别与中央处理器和电子设备电池电压输出电路相连；所述开关电容检测电路的输出接转换电路的输入端，转换电路的输出端接信号锁存电路的输入端，信号锁存电路的输出端与中央处理器相连。该电路在两相不交叠时钟信号的控制下工作，根据开关电容原理，利用电荷转移守恒的关系，判断两个状态下的输出电压差，实现低压检测的目的。本发明电路可以通过调节控制时钟信号的周期与占空比，进行间歇式低压检测，从而使电路间断工作，简化了电路设计的同时大大降低了系统的静态功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种低电压检测电路，主要应用于便携式电子产品，确切地说是一种针对便携式电子产品电池的、间歇式工作的低电压检测电路。
背景技术
随着便携式电子产品的广泛应用，电池扮演的角色越来越重要。为保证数据的安全性，避免系统因电力不足而崩溃，对电池的低压检测成为诸多产品设计中必不可少的重要功能。
传统的低压检测电路都工作在连续工作模式，且消耗较大的功耗。一种已知的低压检测电路如附图2所示，该电路包括一个比较器，第一分压电阻R1，第二分压电阻R2以及一个带隙基准。该第一分压电阻R1的一端接Vdd，另一端接比较器的同相端；第二分压电阻的一端接比较器的同相端，另一端接地；带隙基准接比较器的反相端；输出控制信号由比较器的输出端输出。如图所示首先采用电阻对电源电压分压，然后再与带隙基准源电压进行比较，一旦电源电压低于设定值，比较器输出跳变，进而报警。显然，该低压检测电路工作在连续模式，增加了系统的静态功耗；带隙基准源与比较器的使用增加了设计的复杂度；且片上集成的电阻分压网络将占用较大的芯片面积，增加了的成本。
发明内容
本发明的目的是针对传统技术中存在的问题，基于电池电压下降过程非常缓慢这一特点，根据开关电容及电荷转移守恒的原理，提出一种新型的间歇式工作的低压检测电路，使得电池电压不足时，自动产生一控制信号进行报警。该电路能间断性地工作；且可以通过控制时钟周期与占空比的时间，实现最大有效地降低功耗的目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种间歇式工作的低电压检测电路，包括相互连接的开关电容检测电路、转换电路和信号锁存电路构成的低电压检测电路，低电压检测电路分别与中央处理器和电子设备电池电压输出电路相连；所述开关电容检测电路的输出接转换电路的输入端，转换电路的输出端接信号锁存电路的输入端，信号锁存电路的输出端与中央处理器相连。
本发明进一步的特征在于：
所述开关电容检测电路由一个电阻、两个电容、一个二极管、四个开关及电源电压构成；所述第一开关M1的一端接电源电压Vdd，另一端与所述第一电容C1相连；所述第一电容C1的另一端接所述第二电容C2，开关电容检测电路的输出端VOA为所述第一电容C1与第二电容C2的公共端；所述第二电容C2的一端接输出端，另一端通过所述第二开关M2接地；所述二极管D1的阳极接电源电压Vdd，阴极接所述第一开关M1与所述第一电容C1的公共端；所述第四开关M4的一端接所述二极管D1的阴极，另一端通过所述R1电阻接地；所述第三开关M3的一端接电源电压Vdd，另一端接所述第二电容C2与所述第二开关M2的公共端。
所述第一开关M1、第二开关M2及由中央处理器的第一控制信号高电平控制开启，所述第三开关M3及第四开关M4由第二控制信号高电平控制开启，且第一控制信号与第二控制信号为互不交叠的时钟信号。
所述开关电容检测电路的输出接转换电路的输入端，转换电路的输出端接信号锁存电路的输入端，信号锁存电路的输出端与中央处理器相连。
所述转换电路由两个P型管、两个N型开关管及一个传输门组成；所述第一P型管M5的源端接电源电压Vdd，漏端接所述第一N型开关管M8的漏端，栅极接所述传输门的一端；所述传输门的另一端接所述第一P型管M5的源端；所述第二P型管M6的源端接电源电压Vdd，漏端接所述第二N型开关管M9的漏端，栅极接所述第一P型管M5的漏端；所述第一N型开关管M8的源端接地，栅极接控制信号；所述第二N型开关管M9的源端接地，栅极接控制信号；该转换电路的输出端为所述第二P型管的漏端。
所述信号锁存电路由一个传输门及两个反相器组成；所述传输门的一端接所述转换电路的输出端，另一端接所述第一反相器的输入端；所述第一反相器的输出端为该间歇式工作的低电压检测电路的输出端；所述第二反相器的输入端接所述第一反相器的输出端，输出端接所述第一反相器的输入端。
所述开关电容检测电路的输出端与转换电路的输入端之间连接有滤波电路。
本发明针对电池电压的下降是一个非常缓慢得过程的特点，该低电压检测电路可以通过调节控制时钟信号的周期与占空比，进行间歇式低压检测，从而使电路间断工作，这有别于传统设计的连续工作方式，大大降低了功耗。
采用两级电流源为负载的反相器级联结构实现了后续的检测电路，两级级联是为了提高增益，让反相器的线性区域更陡，使得检测的精度更高。第一检测信号高电平期间，第一级电路P管栅漏相接使得电路变为一个电流源的形式，让P管工作在饱和区，正好处于反相器的线性工作区域，这个电压在第一检测信号高电平期间对两个电容充电，成为检测前的动态电压比较点。采用电流源为负载的反相器是为了在低电压报警处确保两级放大的增益，随着电压的下降，漏电流必然会减小，而电流源为负载的反相器增益与电流的平方成反比。
输出端只有在检测瞬间其值是有效的，因此必需加一级锁存器来存储报警信号。
本发明摒弃传统的设计思路，根据电池电压的下降是一个非常缓慢地过程这一特点，采用开关电容设计技术设计一低压检测电路，使其工作在两个状态；且可以通过控制时钟周期与占空比，进行间歇式低压检测，从而使电路间断工作，这有别于传统设计的连续工作方式，可以大大降低功耗。本发明旨在简化电池低电压检测电路设计进而减小芯片面积的同时重点降低系统的静态功耗。
下面结合附图对本发明的结构及其工作原理作详细说明。
附图说明
图1是用于检测便携式电子设备电池电压的结构示意图。
图2是传统的低电压检测电路。
图3是本发明的电路原理图。
图4是本发明实施方案一电路结构示意图。
图5是本发明实施方案二电路结构示意图。
图6是本发明电路的核心模块(开关电容电路)在双相不交叠控制时钟下的等效电路图。
图7是本发明电路的控制时钟示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及其工作原理作详细说明。
实施例1
参见图1所示，本发明包括相互连接的开关电容检测电路、转换电路和信号锁存电路构成的低电压检测电路2，其中，开关电容检测电路的输出接转换电路的输入端，转换电路的输出端接信号锁存电路的输入端，信号锁存电路的输出端与中央处理器3相连。低电压检测电路2可置于便携式电子设备电池电压输出电路2与中央处理器3之间，对电池电压进行检测。在电池电压过低时，输入控制信号至中央处理器3，实现系统的欠压保护。
参见图3所示，开关电容检测电路由一个电阻、两个电容、一个二极管、四个开关及电源电压构成；所述第一开关M1的一端接电源电压Vdd，另一端与所述第一电容C1相连；所述第一电容C1的另一端接所述第二电容C2，开关电容检测电路的输出端VOA为所述第一电容C1与第二电容C2的公共端；所述第二电容C2的一端接输出端，另一端通过所述第二开关M2接地；所述二极管D1的阳极接电源电压Vdd，阴极接所述第一开关M1与所述第一电容C1的公共端；所述第四开关M4的一端接所述二极管D1的阴极，另一端通过所述R1电阻接地；所述第三开关M3的一端接电源电压Vdd，另一端接所述第二电容C2与所述第二开关M2的公共端。
第一开关M1、第二开关M2及由中央处理器的第一控制信号高电平控制开启，所述第三开关M3及第四开关M4由第二控制信号高电平控制开启，且第一控制信号与第二控制信号为互不交叠的时钟信号。
转换电路由两个P型管、两个N型开关管及一个传输门组成；所述第一P型管M5的源端接电源电压Vdd，漏端接所述第一N型开关管M8的漏端，栅极接所述传输门的一端；所述传输门的另一端接所述第一P型管M5的源端；所述第二P型管M6的源端接电源电压Vdd，漏端接所述第二N型开关管M9的漏端，栅极接所述第一P型管M5的漏端；所述第一N型开关管M8的源端接地，栅极接控制信号；所述第二N型开关管M9的源端接地，栅极接控制信号；该转换电路的输出端为所述第二P型管的漏端。
信号锁存电路由一个传输门及两个反相器组成；所述传输门的一端接所述转换电路的输出端，另一端接所述第一反相器的输入端；所述第一反相器的输出端为该间歇式工作的低电压检测电路的输出端；所述第二反相器的输入端接所述第一反相器的输出端，输出端接所述第一反相器的输入端。
本发明一种间歇式工作的低电压检测电路的实施方案一的工作原理是：
参见图6所示，其输入控制信号Φ1、Φ2用于控制开关的导通与开路，控制信号Φ1、Φ2的关系如图7所示。本发明电路的开关电容检测模块在第一控制信号Φ1控制期间，如图6(A)所示，第一开关管M1及第二开关管M2导通，而第三开关管M3及第四开关管M4开路，此段时间内本发明电路的等效为：串联的第一电容C1与第二电容C2一端接电源Vdd，另一端接地。此时，由电源电压对两个电容进行充电，当电容上的电压达到稳定状态时，输出电压记为V01。且该状态下两个电容的存储电量为：
Q01＝C01*(Vdd-V01)+C02*V01
其中，C01表示所述第一电容的电容值，C02表示所述第一电容的电容值，V01表示所述状态下的输出电压，Vdd表示所述电源的电压值。
在第二控制信号Φ2控制期间，如图6(B)所示，第三开关管M3及第四开关管M4导通而第一开关管M1及第二开关管M2开路，此段时间内本发明电路的等效为：所述二极管D1的阳极接电源电压Vdd，阴极接所述电阻R1的一端；电阻R1的另一端接地；串联着的第一电容C01与第二电容C02的一端接所述二极管D1与电阻R1的公共端，另一端接电源Vdd；第一电容C1与第二电容C2的公共端为该开关电容检测电路的输出端Voa。在此期间，电容上电压稳定时的输出电压为V02，该状态下两个电容的存储电量为：
Q02＝C01*(V02-Vdd+VD)+C02*(V02-Vdd)
其中，V02表示所述状态下的输出电压，VD表示所述二极管D1两端的导通压降。
又在第二控制信号Φ2控制期间，第一电容C1与第二电容C2的公共端悬空，电荷无处泄放。因此，两控制信号切换前后电容上的电荷是守恒的，故有Q01＝Q02，即
C01*(Vdd-V01)+C02*V01＝C01*(V02-Vdd+VD)+C02*(V02-Vdd)
根据上式可以得到：
ΔV＝V01-V02＝[C1/(C1+C2)]*VD-[C2/(C1+C2)]*Vdd
其中，ΔV表示所述两个状态下的输出电压差，即本发明电路的判断报警信号。通过上述工作原理可以看出，当电源电压Vdd较高时，ΔV为负；随着Vdd的减小，ΔV逐渐趋于零或者变正。由此可见，可通过调整电容比例，确定报低电压阈值；通过利用切换前后电压的改变(ΔV)实现低压的检测功能。
从上式也可以看出ΔV只与电容的比值有关，与电容的绝对值无关，这样在芯片的版图实现上既可以保证占用较少的芯片面积，同时又可以保证获得较高的电压变化测量精度。
参见图4所示，采用两级电流源为负载的反相器级联结构后续的检测电路，实现了电位转换功能。两级级联是为了提高增益，让反相器的线性区域更陡，使得检测的精度更高。开关电容检测模块检测到的模拟信号，输入到该模块，到传输们T1与第一级电路M5的栅极。在第一检测信号高电平期间，传输们T1导通，使得第一级电路P管M5的栅、漏相接，此时第一级电路变为一个电流源的形式，M5工作在饱和区，正好处于反相器的线性工作区域，这个电压在第一检测信号高电平期间对两个电容充电，成为检测前的动态电压比较点。采用电流源为负载的反相器是为了在低电压报警处确保两级放大的增益，随着电压的下降，漏电流必然会减小，而电流源为负载的反相器的增益与电流的平方成反比。
输出端只有在检测瞬间其值是有效的，因此必需加一级锁存器来存储报警信号。如图所示，检测信号通过传输门T2后，进入由反相器Inv1与Inv2所构成的锁存器电路进行锁存，实现了对报警信号的存储功能。
实施例2
参见图5所示，为了进一步优化电路，对实施方案1进行了改进。
首先对实施例1中的传输门开关进行了优化，方案一中的传输门采用的CMOS传输门。在本方案中利用2个门控NMOS代替4个COMS传输门，在减少开关的情况下让电路同等切换会让电路简单可靠。
其次提高了发明电路的抗高频干扰能力。由于电路的检测在很短时间完成，检测前后的电压值不应受到干扰，但是开关的切换或外部的数字电路或其它高频信号必然会引入干扰，由于该电路是高精度检测，很小的干扰完全可以使得电路无法正常工作，产生误报。因此在开关电容检测电路后增加了一个RC滤波电路使得电路稳定性增强。
Claims (7)
1.一种间歇式工作的低电压检测电路，其特征在于：包括相互连接的开关电容检测电路、转换电路和信号锁存电路构成的低电压检测电路，低电压检测电路分别与中央处理器和电子设备电池电压输出电路相连；所述开关电容检测电路的输出接转换电路的输入端，转换电路的输出端接信号锁存电路的输入端，信号锁存电路的输出端与中央处理器相连。
2.根据权利要求1所述的一种间歇式工作的低电压检测电路，其特征在于：所述开关电容检测电路由一个电阻、两个电容、一个二极管、四个开关及电源电压构成；所述第一开关M1的一端接电源电压Vdd，另一端与所述第一电容C1相连；所述第一电容C1的另一端接所述第二电容C2，开关电容检测电路的输出端VOA为所述第一电容C1与第二电容C2的公共端；所述第二电容C2的一端接输出端，另一端通过所述第二开关M2接地；所述二极管D1的阳极接电源电压Vdd，阴极接所述第一开关M1与所述第一电容C1的公共端；所述第四开关M4的一端接所述二极管D1的阴极，另一端通过所述R1电阻接地；所述第三开关M3的一端接电源电压Vdd，另一端接所述第二电容C2与所述第二开关M2的公共端。
3.根据权利2所述的一种间歇式工作的低电压检测电路，其特征在于：所述第一开关M1、第二开关M2及由中央处理器的第一控制信号高电平控制开启，所述第三开关M3及第四开关M4由第二控制信号高电平控制开启，且第一控制信号与第二控制信号为互不交叠的时钟信号。
4.根据权利要求1所述的一种间歇式工作的低电压检测电路，其特征在于：所述转换电路由两个P型管、两个N型开关管及一个传输门组成；所述第一P型管M5的源端接电源电压Vdd，漏端接所述第一N型开关管M8的漏端，栅极接所述传输门的一端；所述传输门的另一端接所述第一P型管M5的源端；所述第二P型管M6的源端接电源电压Vdd，漏端接所述第二N型开关管M9的漏端，栅极接所述第一P型管M5的漏端；所述第一N型开关管M8的源端接地，栅极接控制信号；所述第二N型开关管M9的源端接地，栅极接控制信号；该转换电路的输出端为所述第二P型管的漏端。
5.根据权利要求1所述的一种间歇式工作的低电压检测电路，其特征在于：所述信号锁存电路由一个传输门及两个反相器组成；所述传输门的一端接所述转换电路的输出端，另一端接所述第一反相器的输入端；所述第一反相器的输出端为该间歇式工作的低电压检测电路的输出端；所述第二反相器的输入端接所述第一反相器的输出端，输出端接所述第一反相器的输入端。
6.根据权利要求4或5所述的一种间歇式工作的低电压检测电路，其特征在于：所述传输门采用CMOS传输门或NMOS门控。
7.根据权利要求1所述的一种间歇式工作的低电压检测电路，其特征在于：所述开关电容检测电路的输出端与转换电路的输入端之间连接有滤波电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Low-voltage detection circuit capable of working intermittently Effective date of registration: 20140520 Granted publication date: 20131120 Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee Pledgor: Shaanxi Yuanneng Microelectronics Co.,Ltd. Registration number: 2014990000378 |
|
| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20150806 Granted publication date: 20131120 Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee Pledgor: Shaanxi Yuanneng Microelectronics Co.,Ltd. Registration number: 2014990000378 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Low-voltage detection circuit capable of working intermittently Effective date of registration: 20150811 Granted publication date: 20131120 Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee Pledgor: Shaanxi Yuanneng Microelectronics Co.,Ltd. Registration number: 2015990000660 |
|
| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131120 Termination date: 20161111 |