CN102624370A - 一种实现电压检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种实现电压检测的装置，所述装置包括：电压检测模块，用于对输入电压的检测，当输入电压由地电压上升到预设电压时，电压检测模块的输出状态发生翻转；输出模块，用于对电压检测模块的输出进行缓冲，将缓冲后的输出作为所述装置的输出；控制模块，用于当检测到所述装置的输出状态翻转的情况下，开启自锁开关对所述装置的输出进行锁定；启动模块，在上电的初始阶段，形成一个电压检测模块的输出端到输入电压的低阻抗通路，用于关闭控制模块中的自锁开关和开启电压检测模块，使电路进入正常的电压检测工作状态，避免了在检测电压的过程中可能会出现的进入高电平或低电平自锁的情况。本发明还提出了一种实现电压检测的方法。

Description

一种实现电压检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及集成电路的检测领域，尤其是涉及一种实现电压检测的装置和方法。

背景技术

在电子系统的上电过程中电源电压由地电压上升到正常工作时的电压值，而系统中的电路需要在电源电压上升到足够高时才开始工作，若电路过早的进入工作状态，由于此时的电源电压较低，可能造成电路处于错误的初始状态从而导致整个系统的错误操作。因此，在电子系统中往往需要一个电压检测电路，它的作用在于当电源电压上升到足够高的预设值时，产生相应的信号告知其他的电路此时电源电压已经在正常工作范围内，可以开始进入初始化或工作状态，确保了其他电路的正确操作。

最早用于实现该功能的电路，一般由RC延时电路组成，RC延时电路用于对电源电压进行一定时间的延时，并将延时后的信号作为电源电压的标志信号，所以当RC延时电路的输出达到最终值的时候，可以认为电源电压也已经达到其工作电压值，集成电路已经具有正常的供电。但是当电源电压上升很慢的时候，往往需要很大的RC延时才能保证系统的正常工作。因此若将RC延时集成于芯片内，必将占用较大的芯片面积，增加芯片生产的成本。若将RC延时做于PCB板上，将会增加芯片的管脚并且占用PCB板的面积，也会增加成本。

另一种方法是采用普通的MOS管构成的电压检测电路，该方法相比与RC延时电路的方法具有面积小、成本低和不需要额外管脚等优点。美国专利5,323,067以及中国专利96106138.3采用的就是这种方法。但是前者的方法不能够在电源循环周期短时进行初始化，也就是说，当电源快速开关时，该电路不能保证系统的初始化。中国专利96106138.3解决了前者的问题，但是该方法可能会出现进入低电平自锁状态或者高电平自锁状态的问题。请参阅图1，中国专利96106138.3中将输出端102从高电平状态到低电平状态的翻转作为指示信号，指示出电源电压已达到正常工作值。但是当负载电容C_load较大时，根据公式R＝1/Cjw，可以得出输出端102对地的阻抗较小，且远小于对电源的阻抗，所以初始上电时，电源电压的上升并不能拉高输出端102的电压，因此102的输出电压为低电平，NMOS管N2不能开启，而N3和N4为开启状态，所以节点112始终为电源电压，导致输出端102电压更低，这样形成的正反馈过程使得电路在电源电压上升初始阶段就进入低电平的自锁状态。

如果NMOS管N2的尺寸选择不当，或者节点112有较小的对地寄生阻抗，有可能使得节点112为低电平，而将输出模块的输出节点102锁定在高电平的输出状态，从而使得电路进入高电平自锁状态，不能通过电源电压的上升而最终退出高电平自锁状态。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种实现电压检测的装置和方法，以实现解决电源电压检测过程中可能会进入高电平或者低电平自锁状态的问题。

本发明提供了一种实现电压检测的装置，包括：

电压检测模块200，用于对输入电压的检测，当输入电压由地电压上升到预设电压时，电压检测模块的输出状态发生翻转。

输出模块201，用于对电压检测模块的输出进行缓冲，将缓冲后的输出作为所述装置的输出。

控制模块202，用于当检测到输出模块的输出状态翻转的情况下，开启自锁开关对输出模块的输出进行锁定。

启动模块203，在输入电压上升的初始阶段，形成一个电压检测模块的输出端到输入电压的低阻抗通路，用于关闭控制模块中的自锁开关和开启电压检测模块，使装置进入正常的电压检测工作状态。

优选地，电压检测模块包括第二NMOS管和第三NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管。

第一PMOS管的源极耦合到输入电压，第一PMOS管的栅极和漏极、第三NMOS管的栅极耦合到第一节点(301)；第二PMOS管的源极耦合到第二节点(303)；第二NMOS管的源极和第二PMOS管的栅极耦合到地电压，第二NMOS管的栅极和漏极以及第三NMOS管的源极耦合到第三节点(305)，第三NMOS的漏极与第二PMOS管的漏极耦合到电压检测模块的输出节点(304)。

优选地，电压检测装置还包括一电阻；所述电阻耦合在第一节点(301)和第四节点(302)之间。

优选地，输出模块包括第四PMOS管和第五NMOS管。

所述第四PMOS管和第五NMOS管组成一个反相器，反相器的输入端为电压检测模块的输出节点(304)，反相器的输出端为输出模块的输出节点(306)，第四PMOS管的源极与输入电压耦合，第五NMOS管的源极与地电压耦合。

优选地，控制模块包括第四NMOS管；第四NMOS管的源极和第四节点(302)耦合到地电压，第四NMOS管的漏极耦合到电压检测模块的输出节点(304)，第四NMOS管的栅极耦合到输出模块的输出节点(306)，第二节点(303)耦合到输入电压。

优选地，控制模块进一步用于当检测到所述装置输出模块的输出状态翻转的情况下，对所述装置断电。

优选地，控制模块包括第一、第四NMOS管和第三PMOS管。

第一和第四NMOS管的源极耦合到地电压，第一NMOS管的栅极和第四NMOS管的漏极耦合到电压检测模块的输出节点(304)，第一NMOS管的漏极耦合到第四节点(302)，与电压检测模块相连，第四NMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极耦合到输出模块的输出节点(306)，第三PMOS管的源极耦合到输入电压，其漏极耦合到第二节点(303)，与电压检测模块相连。

优选地，启动模块包括一电容；所述电容的一端耦合到输入电压，另一端耦合到电压检测模块的输出节点(304)。

优选地，该装置还包括：在电源检测模块的输出端和输出模块的输出端之间插入延时电路。

本发明还提供了一种实现电压检测的装置，包括：第一、第二、第三、第四和第五NMOS管、第一、第二、第三和第四PMOS管、一电容和一电阻。

第一、第三和第四PMOS管的源极、所述电容的一端均耦合到输入电压，第一PMOS管的栅极和漏极、第三NMOS管的栅极耦合到所述电阻的一端；第一NMOS管的漏极耦合到所述电阻的另一端；第二PMOS管的源极耦合到第三PMOS管的漏极；第二PMOS管的栅极、第一、第二、第四和第五NMOS管的源极耦合到地电压，第二NMOS管的栅极和漏极耦合到第三NMOS管的源极；第二PMOS管、第三和第四NMOS管的漏极、第四PMOS管、第一和第五NMOS管的栅极耦合到所述电容的另一端；第三PMOS管和第四NMOS管的栅极、第四PMOS管的漏极耦合到第五NMOS管的漏极，作为装置的输出端。

本发明还提供了一种实现电压检测的方法，该方法包括：

输入电压由地电压开始上升，还未到达预设电压的情况下，启动模块关闭自锁开关和开启电压检测模块使电路进入正常的电压检测工作状态。

输入电压上升到预设电压时，经过输出模块缓冲后的电压检测模块的输出状态发生翻转，控制模块开启自锁开关对输出模块的输出进行锁定。

优选地，控制模块开启自锁开关时进一步包括，对所述装置断电。

本发明中在输入电压上升的初始阶段，启动模块关闭控制模块中的自锁开关和开启电压检测模块，使电路进入正常的电压检测工作状态。电压检测模块的输出端经过输出模块的缓冲作为电压检测电路的输出，当所述电路的输出状态发生翻转时，控制模块开启自锁开关对所述电路的输出进行锁定。在本发明中，由于启动模块的加入，根据公式R＝1/Cjw，由于在输入电压上升的初始阶段w较大，所以形成了电压检测模块的输出节点到输入电压的低阻抗通路，使得电压检测模块的输出端电压拉到输入电压，经过缓冲后的装置的输出为低电平，在输入电压上升的初始阶段，电压检测模块的输出为高电平和输出模块的输出为低电平带来两个好处：第一，由于自锁开关不导通，没有形成正反馈回路，因此不会进入高电平自锁的状态；第二开启了电压检测模块，使得电路进入正常的电压检测状态，电压检测模块的输出根据实际输入电压而输出，不会出现始终保持高电平而使得电路输出处于低电平的自锁状态。

附图说明

图1为一种实现电源电压检测的现有装置；

图2为实现本发明的装置结构图；

图3为实现本发明的装置实施例结构图；

图4为本发明装置具体实施例的仿真波形；

图5为本发明装置具体实施例中如果没有启动模块的仿真波形。

具体实施方式

请参阅图2，实现本发明的装置包括电压检测模块200、输出模块201、控制模块202和启动模块203，输入电压由地电压开始上升。

电压检测模块200，用于对输入电压的检测，当输入电压由地电压上升到预设电压时，电压检测模块的输出状态发生翻转。

输出模块201：用于对电压检测模块的输出进行缓冲，将缓冲后的输出作为所述装置的输出。

控制模块202：用于当检测到输出模块201的输出状态翻转的情况下，开启自锁开关对输出模块201的输出进行锁定。

启动模块203：在输入电压还未上升到预设电压时，形成一个电压检测模块的输出端到输入电压的低阻抗通路，用于关闭控制模块的自锁开关和开启电压检测模块，使装置进入正常的电压检测工作状态。

电压检测模块200，包括第二NMOS管和第三NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管；

第一PMOS管的源极耦合到输入电压，第一PMOS管的栅极和漏极、第三NMOS管的栅极耦合到第一节点(301)；第二PMOS管的源极耦合到第二节点(303)；第二NMOS管的源极和第二PMOS管的栅极耦合到地电压，第二NMOS管的栅极和漏极以及第三NMOS管的源极耦合到第三节点(305)，第三NMOS的漏极与第二PMOS管的漏极耦合到电压检测模块的输出节点(304)。

电压检测装置还包括一电阻；所述电阻耦合在第一节点(301)和第四节点(302)之间。

输出模块包括第四PMOS管和第五NMOS管；

所述第四PMOS管和第五NMOS管组成一个反相器，反相器的输入端为电压检测模块的输出节点(304)，反相器的输出端为输出模块的输出节点(306)，第四PMOS管的源极与输入电压耦合，第五NMOS管的源极与地电压耦合。

控制模块包括第四NMOS管；第四NMOS管的源极和第四节点(302)耦合到地电压，第四NMOS管的漏极耦合到电压检测模块的输出节点(304)，第四NMOS管的栅极耦合到输出模块的输出节点(306)，第二节点(303)耦合到输入电压。

控制模块还可以进一步用于当检测到所述装置输出模块的输出状态翻转的情况下，对所述装置断电，使其不再消耗能量。这时，控制模块包括第一、第四NMOS管和第三PMOS管。

第一和第四NMOS管的源极耦合到地电压，第一NMOS管的栅极和第四NMOS管的漏极耦合到电压检测模块的输出节点(304)，第一NMOS管的漏极耦合到第四节点(302)，与电压检测模块相连，第四NMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极耦合到输出模块的输出节点(306)，第三PMOS管的源极耦合到输入电压，其漏极耦合到第二节点(303)，与电压检测模块相连。

启动模块包括一电容；所述电容的一端耦合到输入电压，另一端耦合到电压检测模块的输出节点(304)。

在电源检测模块200的输出端和输出模块201的输出端之间还可以插入延时电路，用于提高电路的稳定性。

本发明还提供了一种实现电压检测的装置，包括：第一、第二、第三、第四和第五NMOS管、第一、第二、第三和第四PMOS管、一电容和一电阻；

第一、第三和第四PMOS管的源极、所述电容的一端均耦合到输入电压，第一PMOS管的栅极和漏极、第三NMOS管的栅极耦合到所述电阻的一端；第一NMOS管的漏极耦合到所述电阻的另一端；第二PMOS管的源极耦合到第三PMOS管的漏极；第二PMOS管的栅极、第一、第二、第四和第五NMOS管的源极耦合到地电压，第二NMOS管的栅极和漏极耦合到第三NMOS管的源极；第二PMOS管、第三和第四NMOS管的漏极、第四PMOS管、第一和第五NMOS管的栅极耦合到所述电容的另一端；第三PMOS管和第四NMOS管的栅极、第四PMOS管的漏极耦合到第五NMOS管的漏极，作为装置的输出端。

本发明装置通过输出模块201的输出状态的翻转指示出从地电压开始上升的输入电压已达到预设值，可用于对初始上电的电源电压的检测或者其他类似的电压的检测。

图3为实现本发明装置的一个优选地具体实施例，用于对电源电压的检测，包括电压检测模块200、输入模块201、控制模块202和启动模块203。

电压检测模块200包括NMOS管Mn2、Mn3，PMOS管Mp1、Mp2和电阻R1。Mp1的源极耦合到电源端(VCC)，MP1的栅极和漏极，电阻R1的一端以及Mn3的栅极耦合到节点301，电阻R1的另一端耦合到节点302，与控制模块202相连。MP2的源极耦合到节点303，与控制模块202相连。Mn2的源极和Mp2的栅极耦合到地电压，Mn2的栅极和漏极以及Mn3的源极均耦合到节点305，Mn3的漏极与Mp2的漏极耦合到电压检测模块200的输出节点304。其中电阻R1用于减小电流而降低功耗，也可以用导线代替。

通过调整Mp1、Mn2、Mn3的数目和尺寸，可以很方便的调整电源的预设电压值，以满足不同系统的应用需求。

输出模块201包括PMOS管Mp4和NMOS管Mn5，Mp4和Mn5组成一个反相器，反相器的输入端为电压检测模块200的输出节点304，反相器的输出端为整个装置的输出306。其中MP4的源极与电源电压耦合，Mn5的源极耦合到地电压。输出模块的主要作用在于对电压检测模块200的输出状态反相处理，以及使启动模块连入装置中。这里输出模块也可以用多个反相器级联来实现装置的输出与电压检测模块的输出同相或者反相，若级联奇数个反相器可实现反相，偶数个实现同相。

控制模块202包括NMOS管Mn1、Mn4和PMOS管Mp3。其中Mn1和Mn4的源极均耦合到地电压，Mn1的栅极和Mn4的漏极耦合到电压检测模块200的输出节点304，Mn1的漏极耦合到电阻R1的一端节点302。Mn4的栅极和Mp3的栅极耦合到装置的输出306，Mp3的源极耦合到电源电压，其漏极耦合到节点303，与电压检测模块200相连。其中Mn3和Mp1分别串联在电压检测模块200的耗电通路上，用于电路的自关断控制，也可以由导线代替，当用导线代替时，控制模块202不具备对装置的断电功能。

启动模块203包括电容C1，其电容值较大。C1的一端耦合到电源电压，另一端耦合到电压检测模块200的输出节点，也是输出模块的输入节点304。

本发明提供的电源电压检测装置工作过程如下：

最开始系统处于关断状态，电源电压为零，此时电路中所有节点电压都为零，当系统开始上电时，电源电压由低电压上升，由于电容C1两端的电压不能突变，也就是说电容C1在上电时提供了一个到电源的低阻抗通路，节点304的电压随着电源电压上升，当304的电压上升到Mn1和Mn5阈值电压的时候，Mn1和Mn5分别导通。Mn5的导通使得输出节点306为低电平，所以当电源电压VCC上升到大于Mp3的阈值电压时，Mp3开始导通，此时电压检测模块开始正常工作。但是由于此时电源电压比较低，不足以使Mp1导通，节点301的输出电压为零，304节点输出电压为电源电压，所以整个电路的总输出节点306为低电平。

当电源电压慢慢上升到大于Mp1的阈值电压的时候，Mp1开始导通，从此时起节点301的电压为Vcc-Vds(Mp1)，所以301的电压也随着电源电压慢慢上升，当节点301的电压上升到大于Vth(Mn3)+Vds(Mn2)的时候，Mn3开始导通，由于Mp2的宽长比较小，所以导通阻抗比较大，所以此时，节点304的电压为地电压，输出节点306从地电压翻转为电源电压。

当输出节点306为高电平时，Mn4开始导通而将节点304进一步拉低，节点304的电压越低，输出节点306的电压就越高，输出节点306通过Mn4形成一个正反馈系统而快速自锁，使得输出的高电平状态不受其它干扰的影响。

节点304的被拉低和306的高电平，使得Mn1和Mp3分别关断，电压检测模块不再存在从电源到地的导电通路，电路不再消耗多余的功耗。

当系统断电的时候，电源电压下降到0V，整个检测电路中的各节点电压最终都等于0V，回到最初的状态，等待下一个上电过程的开始。

图4为本发明的实际仿真波形，曲线401、402、403和404分别为图3中的节点VCC、301、304和306的仿真曲线。开始阶段节点304的电压随电源电压的上升而上升，当电源上升到0.4V时，Mn1导通，节点301被拉到地电压。电源电压继续上升，节点301的电压由于Mp1的导通而上升，当电源电压达到大约1.8V(Vds_p1+Vth_n3+Vds_n2)时，节点304电压开始下降。当电源电压上升到2.3V时，Mp4比Mn5具有更强的导通性，使得输出节点306电压上升，开启了自锁开关Mn4，一旦Mn4被开启，它与输出节点306形成的正反馈使得输出节点306的电压被迅速拉高。

图5为没有启动模块的电路的仿真波形，曲线501、502、503和504分别为图3中的节点VCC、301、304和306的仿真曲线。可见没有启动模块之后，电路过早输出上升沿而使得系统过早初始化，可能造成误操作。

本发明还提供了一种实现电源电压检测的方法，该方法包括：

电源电压由地电压开始上升，还未到达预设电压的情况下，启动模块关闭自锁开关和开启电压检测模块使电路进入正常的电压检测工作状态。

电源电压上升到预设电压时，经过输出模块缓冲后的电压检测模块的输出状态发生翻转，控制模块开启自锁开关对输出模块的输出进行锁定。

控制模块开启自锁开关时进一步包括，对所述装置断电。

当采用图3的电路作为实现本发明装置的具体实施例时，实现本发明的方法包括以下步骤：

电源电压从地电压开始上升，还未到达预设电压的情况下，启动模块203形成了一个电压检测模块200输出端到电源电压的低阻抗通路，使得自锁开关Mn4关闭，并通过Mn1、Mn5和Mp3的导通，使得电压检测模块200进入检测工作状态。

电源电压上升到预设电压时，经过输出模块缓冲后的电压检测模块的输出节点306状态发生翻转，自锁开关Mn4导通使得输出模块的输出节点306被锁定。

同时节点304被拉低和306的高电平使得Mn1和Mp3分别关断，电压检测模块200不再存在从电压到地的导电通路，装置被断电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种实现电压检测的装置，其特征在于，输入电压由地电压开始上升，所述装置包括：

电压检测模块(200)，用于对输入电压的检测，当输入电压由地电压上升到预设电压时，电压检测模块的输出状态发生翻转；

输出模块(201)，用于对电压检测模块的输出进行缓冲，将缓冲后的输出作为所述装置的输出；

控制模块(202)，用于当检测到输出模块的输出状态翻转的情况下，开启自锁开关对输出模块的输出进行锁定；

启动模块(203)，在输入电压上升的初始阶段，形成一个电压检测模块的输出端到输入电压的低阻抗通路，用于关闭控制模块中的自锁开关和开启电压检测模块，使装置进入正常的电压检测工作状态。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，电压检测模块包括第二NMOS管和第三NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管；

第一PMOS管的源极耦合到输入电压，第一PMOS管的栅极和漏极、第三NMOS管的栅极耦合到第一节点(301)；第二PMOS管的源极耦合到第二节点(303)；第二NMOS管的源极和第二PMOS管的栅极耦合到地电压，第二NMOS管的栅极和漏极以及第三NMOS管的源极耦合到第三节点(305)，第三NMOS的漏极与第二PMOS管的漏极耦合到电压检测模块的输出节点(304)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，电压检测装置还包括一电阻；所述电阻耦合在第一节点(301)和第四节点(302)之间。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，输出模块包括第四PMOS管和第五NMOS管；

所述第四PMOS管和第五NMOS管组成一个反相器，反相器的输入端为电压检测模块的输出节点(304)，反相器的输出端为输出模块的输出节点(306)，第四PMOS管的源极与输入电压耦合，第五NMOS管的源极与地电压耦合。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，控制模块包括第四NMOS管；第四NMOS管的源极和第四节点(302)耦合到地电压，第四NMOS管的漏极耦合到电压检测模块的输出节点(304)，第四NMOS管的栅极耦合到输出模块的输出节点(306)，第二节点(303)耦合到输入电压。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，控制模块进一步用于当检测到所述装置输出模块的输出状态翻转的情况下，对所述装置断电。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，控制模块包括第一、第四NMOS管和第三PMOS管；

第一和第四NMOS管的源极耦合到地电压，第一NMOS管的栅极和第四NMOS管的漏极耦合到电压检测模块的输出节点(304)，第一NMOS管的漏极耦合到第四节点(302)，与电压检测模块相连，第四NMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极耦合到输出模块的输出节点(306)，第三PMOS管的源极耦合到输入电压，其漏极耦合到第二节点(303)，与电压检测模块相连。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，启动模块包括一电容；所述电容的一端耦合到输入电压，另一端耦合到电压检测模块的输出节点(304)。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：在电源检测模块的输出端和输出模块的输出端之间插入延时电路。

10.一种实现电压检测的装置，其特征在于，输入电压由地电压开始上升，所述装置包括：第一、第二、第三、第四和第五NMOS管、第一、第二、第三和第四PMOS管、一电容和一电阻；

第一、第三和第四PMOS管的源极、所述电容的一端均耦合到输入电压，第一PMOS管的栅极和漏极、第三NMOS管的栅极耦合到所述电阻的一端；第一NMOS管的漏极耦合到所述电阻的另一端；第二PMOS管的源极耦合到第三PMOS管的漏极；第二PMOS管的栅极、第一、第二、第四和第五NMOS管的源极耦合到地电压，第二NMOS管的栅极和漏极耦合到第三NMOS管的源极；第二PMOS管、第三和第四NMOS管的漏极、第四PMOS管、第一和第五NMOS管的栅极耦合到所述电容的另一端；第三PMOS管和第四NMOS管的栅极、第四PMOS管的漏极耦合到第五NMOS管的漏极，作为装置的输出端。

11.一种实现电压检测的方法，该方法包括：

输入电压由地电压开始上升，还未到达预设电压的情况下，启动模块关闭自锁开关和开启电压检测模块使电路进入正常的电压检测工作状态；

输入电压上升到预设电压时，经过输出模块缓冲后的电压检测模块的输出状态发生翻转，控制模块开启自锁开关对输出模块的输出进行锁定。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，控制模块开启自锁开关时进一步包括，对所述装置断电。

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