CN102832915A

CN102832915A - 可编程上电复位系统

Info

Publication number: CN102832915A
Application number: CN2012103030921A
Authority: CN
Inventors: 范军; 陈黎明; 黑勇
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Beijing Zhongke Xinrui Technology Co., Ltd
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: CN102832915B

Abstract

本发明公开了一种可编程上电复位电路系统，该系统包括低压差线性稳压器、RC振荡器、分压稳压器、模数转换器以及计数器控制和判决逻辑模块；所述低压差线性稳压器将电池电压转换成受控电路所需要的电源电压，并将所述电源电压输出至所述分压稳压器作为待测电压；所述RC振荡器用于产生时钟信号；所述分压稳压器用于将由所述待测电压分压、稳压、滤波输出至模数转换器；所述模数转换器，用于将待测电压信号转换成数字信号，输出至计数器控制和判决逻辑模块；所述计数器控制和判决逻辑模块用于将所述模数转换器的输出与可编程数字码进行比较，并对待测电压高于可编程上电阈值电压的时间进行计时，根据计时和比较结果输出正确的控制信号。

Description

可编程上电复位系统

技术领域

本发明涉及CMOS数模混合集成电路领域，特别涉及数字电路系统中的可编程上电复位技术。

背景技术

上电复位(Power on Reset，POR)系统广泛应用于各种数字电路和系统中，其主要功能是保证整个电路在上电过程中正确的启动，其基本思想是对电源电压进行监控，通过对比较阈值进行设置，对低于比较阈值的电源电压，上电复位系统对整个功能电路的触发器和锁存器等存储元件进行复位；而在电源电压高于比较阈值时，即电源电压高于电路工作安全区时，上电复位系统输出复位失效信号，全芯片电路正常工作。

在系统上电过程中，当电源电压高于逻辑低电平而低于正常工作电压时，电路的逻辑门会发生非正常的参差不齐的翻转，尤其是电源电压较低时，这种情况尤为严重，造成整个电路逻辑的混乱。上电复位系统就是在整个系统在上电过程中一直保持复位有效，直到电源电压达到系统规定的正常工作电压后，输出上电复位失效信号，从而保证了全芯片电路的稳定、正确的工作。

目前存在的上电复位系统基本上采用全定制的模拟电路实现，其主要包括带隙基准电压源、模拟比较器以及延迟电路等，这种实现方式的主要缺点是如果电源电压在上电复位阈值附近频繁的跳跃，那么上电复位输出信号也会随着频繁的在高、低电平之间切换，造成受控电路频繁的复位。这种情况在低电源电压下更为严重，尤其在电池供电的手持消费类、医疗类等电子产品是极其不希望出现的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所提供的可编程上电复位系统，解决了现有电池供电消费类、医疗类电子产品上电复位电路系统可靠性差、可编程不足等问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种可编程上电复位系统，该系统包括低压差线性稳压器、RC振荡器、分压稳压器、模数转换器(ADC)、计数器控制和判决逻辑模块；所述低压差线性稳压器，用于将输入的电池电压转换成稳定、低噪声、可供芯片内部使用的电源电压并输出至所述分压稳压器；所述RC振荡器，用于产生芯片受控电路正常工作所需的时钟信号；所述分压稳压器，用于将低压差线性稳压器的输出电压分压至合适的电压范围内，并稳压、滤波输出至所述模数转换器；所述模数转换器，用于将待测电压信号转换成数字信号，输出至计数器控制和判决逻辑模块；所述计数器控制和判决逻辑模块，用于对高于上电阈值的待测电压进行计时，并将所述模数转换器的输出与可编程数字码进行比较，根据计时和比较结果输出正确的控制信号。

所述低压差线性稳压器包括误差放大器、缓冲器、调整晶体管以及反馈补偿电路。所述误差放大器将对反馈电压和参考电压的差值进行放大，输出至所述缓冲器的输入端；在所述误差放大器和调整晶体管中间插入所述缓冲器以改善低压差稳压器环路的相位特性。所述调整晶体管用于受控电路产生所需的电源电压和电流值。所述反馈补偿电路将对所述低压差线性稳压器产生的输出电压进行分压，分压输出反馈至误差放大器的正向输入端形成负反馈。所述RC振荡器包括电容充放电电路、比较器、反相器以及电压阈值选择电路。所述电容充放电电路根据反相器的输出反馈信号决定对电容充电还是放电，从而决定了节点电压是升高还是降低，所述比较器的正输入端接收充放电电路的输出，而负输入端与电压阈值选择电路相连，节点电压在电压V1和V2之间(V1＞V2)进行线性充电或者放电，在比较器的输出形成交替出现的高、低电平，实现振荡器的功能。所述反相器为实现反馈功能提供相反相位的信号。所述电压阈值选择电路根据反相器的输出信号，输出电压V1还是电压V2。所述分压稳压器包括分压电阻R1、R2和稳压电容C1。所述模数转换器电路采用逐次逼近寄存器结构，包括时序控制逻辑电路、数模转换器(DAC)、高精度比较器以及逐次逼近寄存器。所述计数器控制和判决逻辑模块用于将所述模数转换器的输出与可编程数字码进行比较，并对待测电压高于可编程上电阈值电压的时间进行计时，根据计时和比较结果输出正确的控制信号。本发明还提供了可编程的上电复位阈值电压，可由用户根据使用情况自行设定，提高了系统的灵活性。

(三)有益效果

本发明通过采用低压差线性稳压器、极低功耗的逐次逼近模数转换器、RC振荡器、计数器控制和判决逻辑模块实现了全集成的上电复位电路系统。该系统包括低压差线性稳压器为受控电路提供稳定、低噪声的电源电压；采用分压稳压器，实现了电源电压的满幅实时监测以及滤波功能；采用逐次逼近模数转换器即提高了系统的可编程性，同时也极大的降低了系统的功耗；计数器控制和判决逻辑模块实现了系统上电阈值电压和上电阈值电压时限的设定，提高了系统的灵活性和可靠性。整体电路具有低功耗、可配置性强、可靠性高的特点，适用于电池供电的移动电子产品。

附图说明

图1是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的结构示意图；

图2是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统工作示意图；

图3是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的低压差线性稳压器电路示意图；

图4是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的RC振荡器电路示意图；

图5是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的分压稳压器电路示意图；

图6是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的模数转换器电路示意图；

图7是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统中模数转换器中的数模转换器示意图；

图8是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统中模数转换器中的高精度模拟比较器的电路示意图；

图9是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的上电过程和掉电过程输出结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的结构示意图。如图1所示，所述可编程上电复位系统包括：低压差线性稳压器10、RC振荡器11、分压稳压器12、模数转换器13以及计数器控制和判决逻辑模块14。低压差线性稳压器10将电池电压(例如1.4V)转换成受控电路需要的、稳定的、低噪声的电源电压(例如1V)，并将所述电源电压输出至所述分压稳压器作为待测电压；RC振荡器11的电压由低压差线性稳压器10提供，其功能是为模数转换器和其他数字电路提供需要的时钟信号；分压稳压器12用于将所述待测电压进行分压，经过稳压电容后输出至模数转换器13；模数转换器(ADC)13将待测电压进行模拟-数字转换；计数器控制和判决逻辑模块14用于将模数转换器13的输出与外部可编程上电阈值电压进行比较，对高于上电阈值的电压进行计时，如果超过设定时限，则表明电源稳定，该计数器控制和判决逻辑模块14输出上电复位无效信号，即受控电路正常工作。如果待测电压低于可编程上电阈值，或者高于上电阈值电压但持续时间低于设定值，那么表明电源不稳定，计数器控制和判决逻辑模块14输出上电复位有效信号，受控电路被复位，停止工作。计数器控制和判决逻辑模块14的输入端口por_sel[3:0]为上电阈值电压的可编程输入端，不同的上电阈值代码代表不同的上电阈值电压，由用户根据需要进行设定，上电阈值代码与上电阈值电压的对应关系如下表：

表1上电阈值代码与电压对应关系

图2是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统工作示意图。如图2所示，整个过程分为上电和掉电两步，低压差稳压器的输出(待测电压)在上电过程中，上电复位输出信号(POR_out)始终有效；当待测电压低于设定的上电阈值电压或者高于设定的上电阈值电压小于1ms，上电复位输出信号仍然为有效信号；当待测电压高于设定的上电阈值电压，并在保持1ms后，上电复位输出无效信号，受控电路开始正常工作；而后待测电压开始掉电，当待测电压从1V开始下降，低于设定的上电复位阈值电压时，电池电量低提示信号(Warning_lp)输出有效信号，提示用户电池电量即将用尽，请尽快更换电池，此时上电复位输出信号仍然为无效信号，受控电路正常工作。当待测电压低于掉电阈值时(通常比上电阈值低50-100mV)，上电复位输出信号立即转成有效信号，内部所有寄存器、触发器等全部置零，内部逻辑电路停止工作，从而完成上电复位功能。

图3是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的低压差线性稳压器电路示意图。如图3所示，低压差线性稳压器10由误差放大器101、缓冲器102、调整晶体管103和反馈补偿电路104组成。低压差线性稳压器10采用负反馈原理实现对输出电压的控制，输出电压Vout通过反馈补偿电路的电阻分压得到反馈电压Vfed，误差放大器对Vfed与参考电压Vref的差值进行放大；放大后的信号进入缓冲器，缓冲器将误差放大器和调整晶体管进行隔离，进而得到较好的环路相位特性；缓冲器驱动、控制调整晶体管的栅极，在Vout端得到一定的输出电压和驱动电流。由于环路的负反馈的作用，使得输出电压Vout＝Vref×(R1+R2)/R2，并且输出稳定。不过调整晶体管在正常工作时存在一定的导通电阻，使得从电池电源拉电流时存在电压降，通常调整晶体管的宽长比非常大，使得其导通电阻很小，本发明选择在提供1mA电流驱动能力时，调整晶体管的电压降约为150mV，即当输入电池电压在1.15～1.4V区间时，输出电压可以稳定在1V；而输入电池电压低于1.15V时，输出电压相应为Vin-0.15伏。

其中，所述反馈补偿电路104中的C1和C2为芯片内部集成电容器，分别与R1和负载电阻R3构成两个零点，用于补偿输出极点和缓冲器输出极点，提高了整个环路的相位特性和稳定性。

图4是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的RC振荡器电路示意图。如图4所示，RC振荡器11由电容充放电电路111、比较器112、反相器113和电压阈值选择电路114构成。RC振荡器11的一个工作周期为：假设节点feedback为高电平，使得电容充放电电路对电容C1放电，vin电压下降，同时电压阈值选择电路选择电压较低的V2电压源，当vin下降到低于电压V2后，比较器输出为高电平，经过反相器后feedback信号变为低电平，电容充放电电路开始对电容C1进行充电，节点vin开始升高，此时电压阈值选择电路选择了电压较高的V1。当节点电压vin超过V1后，比较器输出转为低电平，经过反相器后feedback信号变为高电平，这样振荡器完成了一个工作周期，而后周而复始的重复这样一个工作周期完成振荡功能。

其中，所述比较器112采用两级运算跨导放大器电路实现，提高了电路的工作速度，节省了功耗；由于振荡器电路工作在大信号的状态，因此使用的两级运算跨导放大器未进行频率补偿。

图5是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的分压稳压器电路示意图。如图5所示，分压稳压器12由两个分压电阻R1、R2和一个稳压电容C1构成。由于对待测电压Vin的检测范围为0.6×Vdd至Vdd，所述Vdd为线性稳压器的输出，为了保证后续电路能够正常对接近电源电压的待测电压进行准确检测，必须采用分压的方式。降低待测电压的噪声，加入稳压电容C1，对待测电压的高频噪声进行滤除。其中，

分压稳压器的传输函数为：

\frac{V_{out}}{v_{in}} (s) = \frac{R_{2}}{(R_{1} + R_{2}) + {sC}_{1} R_{1} R_{2}}

分压稳压器产生的极点频率为：

ω_{pole} = - (\frac{1}{R_{1} C_{1}} + \frac{1}{R_{2} C_{1}})

分压后的待测电压进入模数转换器进行模拟-数字转换。

图6是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的模数转换器电路示意图。如图6所示，模数转换器13包括时序控制逻辑电路131，数模转换器(DAC)132，高精度比较器133以及逐次逼近寄存器134。在实现8位模数转换精度同时，降低了电路的功耗。

图7是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统中模数转换器(ADC)13中的数模转换器(DAC)132示意图。如图7所示，数模转换器132采用分段电容形式完成8位数模转换，减少了芯片的面积。

图8是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统中模数转换器中的高精度比较器的电路示意图。如图8所示，逐次逼近寄存器模数转换器中的高精度比较器133采用预放大器和失调存储的电路结构，降低了预放大器本身和锁存器电路造成的等效输入失调电压，提高了模数转换器的转换精度。

选择一组上电阈值电压为0.88V，即上电阈值电压可编程端口设置por_sel[3:0]为0100，而掉电阈值电压由软件写Flash存储器设置为0.8V。在整个上电、掉电过程中系统经历以下几个步骤(Section)：

步骤1(Section1)：电池电压vdd_bat从零逐渐上升，在经过低压差线性稳压器转换后待测电压vdd低于0.88V时，上电复位输出(POR_out)有效信号，受控电路处于复位状态；

步骤2(Section2)：电池电压vdd_bat在经过低压差线性稳压器转换后待测电压vdd虽高于上电阈值电压但持续时间低于1ms，上电复位输出信号仍然为有效信号。在vdd电压经过分压稳压器、进行模数转换后进入计数器和判决逻辑；当vdd电压高于0.88V后，计数器控制和判决逻辑模块的计数器开始工作，但是vdd电压高于0.88V的时间没有超过1ms，在vdd电压降到0.88V以下的瞬间，计数器清零，上电复位输出信号仍然为有效信号；

步骤3(Section3)：当电池电压vdd高于0.88V并且在模数转换器输出使能信号采样1ms后，上电复位输出无效信号，受控电路开始正常工作；

步骤4(Section4)：当电池电压vdd_bat开始下降，在经过低压差线性稳压器后待测电压vdd低于0.88V时，电池电量低信号(Warning_lp)开始输出高电平，提示用户电池电量即将用尽，更换电池，此时上电复位输出无效信号；

步骤5(Section5)：当电池电压vdd_bat开始下降，在经过低压差线性稳压器后待测电压vdd低于掉电阈值0.8V时，上电复位输出有效信号，受控电路处于复位状态，停止工作。

图9是根据本发明具体实施例的可编程上电复位系统的上电过程和掉电过程输出结果。如图9所示，上电阈值电压可编程端口por_sel[3:0]设置为0100，即上电阈值电压为0.88V时，电池在上电、掉电过程中输入电池电压(vdd_bat)、低压差线性稳压器输出电压(vdd)、电池电量低信号(Warning_lp)、上电复位信号(POR_out)和模数转换器输出使能信号(ADCOUT_EN)的输出结果。步骤3、4、5的采样点到逻辑信号输出时间还包括模数转化器(ADC)的转换时间(大约为0.24ms)。图9中，上电复位输出信号正确、具有较强的稳定性，技术效果明显。

综上，本发明所提供的系统及方法具有以下特点：(1)采用低压差线性稳压器、极低功耗的逐次逼近模数转换器、RC振荡器、计数器控制和判决逻辑模块实现了全集成的上电路复位电路系统；(2)低压差线性稳压器为受控电路提供稳定、低噪声的电源电压，采用分压稳压电路，实现了电源电压的满幅、实时监测以及滤波功能；(3)采用8位逐次逼近模数转换器结构提高系统可编程性的同时，也极大的降低了系统的功耗；(4)计数器控制和判决逻辑模块实现了系统上电阈值电压和高于上电阈值电压时间的设定，提高了系统的灵活性和可靠性；(5)采用8位模数转换器，量化范围为1V，最小分辨电压为4mV，对20mV的可编程步长有较大的裕度，可以采用更高精度的模数转换器获得更为精确的可编程上电复位阈值电压，拓展性好。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可编程上电复位电路系统，该系统包括低压差线性稳压器、分压稳压器、模数转换器以及计数器控制和判决逻辑模块；

所述低压差线性稳压器将电池电压转换成受控电路所需要的电源电压，并将所述电源电压输出至所述分压稳压器作为待测电压；所述分压稳压器用于将所述待测电压分压、稳压、滤波输出至所述模数转换器；所述模数转换器，用于将所述待测电压信号转换成数字信号，输出至所述计数器控制和判决逻辑模块；所述计数器控制和判决逻辑模块用于将所述模数转换器的输出与可编程数字码进行比较，并对所述待测电压高于可编程的上电阈值电压的时间进行计时，根据计时和比较结果输出正确的控制信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于产生时钟信号的RC振荡器。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述低压差线性稳压器包括误差放大器、缓冲器、调整晶体管和反馈补偿电路。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述模数转换器包括时序控制逻辑电路、数模转换器、高精度比较器和逐次逼近寄存器。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述RC振荡器包括电容充放电电路、比较器、反相器和电压阈值选择电路。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述误差放大器用于将所述反馈补偿电路的反馈信号与参考电压信号的差值进行放大；所述缓冲器用于隔离所述误差放大器与调整晶体管；所述调整晶体管用于在调整电压的控制下，为受控电路提供稳定的电压与电流；所述反馈补偿电路用于提供负反馈的稳定输出电压，并提供一个零点补偿输出极点。

7.如根据权利4所述的系统，其特征在于，所述高精度比较器用于将所述数模转换器的输出与加权后的参考电压进行比较，输出正确的比较结果。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电容充放电电路用于根据所述反馈信号决定对电容充电还是放电；所述比较器用于将所述电容的电压与所述电压阈值选择电路的输出进行比较，输出正确的比较信号；所述电压阈值选择电路用于根据所述比较器的输出结果选择正确的比较阈值，并输出至所述比较器的负输入端。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上电阈值电压的选择范围为0.8～1.0V。