CN106502300A - 一种无需比较电压的过欠压保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种无需比较电压的过欠压保护电路，属于模拟集成电路技术领域。具体包括线性变换电路、非线性变换电路和比较器，利用所要监测电压自身，分别通过线性变换电路和非线性变换电路变换后输入到比较器进行比较，产生除零点外的唯一交叉点，即所需要的过欠压监测点，所要监测的电压达到该点时过欠压保护信号发生翻转，实现对检测电路的过欠压保护。本发明无需额外的基准电路，从而节省了因基准模块产生的面积和功耗上的消耗，同时也可以用于对基准电路本身正常与否进行电压监控和保护。

Description

一种无需比较电压的过欠压保护电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种利用所要保护电压本身而不需比较电压的过欠压保护电路。
背景技术
在模拟集成电路和混合信号集成电路设计领域，对电源电压的电压值有着很高的要求。当系统的电压过低时会导致电路无法启动或是正常工作，过高则会造成器件的损坏。因此，一个模拟或是混合信号集成系统需要过欠压保护电路对其进行监控和保护。
目前主要的过欠压保护电路如图1所示，其设计思路为：设计一个带隙基准电路以提供精确稳定的比较电压，通过电阻网络将得到的比较电压或是所要监测的电压按一定比例分压，再通过运算放大器进行比较并输出高或低电平的控制信号，实现过欠压保护功能。然而这种电路设计思路必须设计一个带隙基准电路得到一个比较电压，这就造成了额外的面积消耗与功耗，尤其是当需要监控的对象为带隙基准电压时，包括该带隙基准电压的建立与否或者是否因失效偏离正常值，传统的过欠压保护电路则无法完成该功能。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种无需比较电压的过欠压保护电路，利用所要保护电压本身来实现欠压或是过压的监测和保护，减少比较电压产生电路以及因此产生的额外功耗和面积的消耗。
本发明的技术方案为：
一种无需比较电压的过欠压保护电路，包括：
线性变换电路，包括串联的第六电阻RA和第七电阻RB，其串联点作为线性变换电路的输出端输出第二电压V2，第六电阻RA的另一端接输入电压VS，第七电阻RB的另一端接地GND；
非线性变换电路，包括第一三极管QN1、第二三极管QN2、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，第一三极管QN1的集电极连接输入电压VS，其发射极与第二三极管QN2的发射极互连并通过第一电阻R1后接地GND，其基极与第二三极管QN2的集电极相连并作为所述非线性变换电路的输出端输出第一电压V1；第三电阻R3的一端连接第一三极管QN1的集电极，另一端连接第二电阻R2的一端和第二三极管QN2的基极，第二电阻R2的另一端连接第二三极管QN2的集电极；
比较器CMP_A，其正向输入端连接非线性变换电路输出的第一电压V1，负向输入端连接线性变换电路输出的第二电压V2，通过比较第一电压V1和第二电压V2得到过欠压保护信号Siganl。
具体的，所述比较器CMP_A包括组成第一级差分运放电路的第三三极管QN3、第四三极管QN4、第五三极管QP1、第六三极管QP2和第四电阻R4，组成第二级运放电路的第七三极管QP3、第五电阻R5和电容C1，以及构成反相器的NMOS管MN1和PMOS管MP1，
第三三极管QN3和第四三极管QN4作为第一级差分运放的输入对管，第三三极管QN3的基极作为比较器CMP_A的正向输入端，第四三极管QN4的基极作为比较器CMP_A的负向输入端，第三三极管QN3和第四三极管QN4的发射极互连并通过第四电阻后接地GND；
第五三极管QP1和第六三极管QP2组成第一级差分运放的有源负载，其源极都接电源电压VDD，第五三极管QP1的基极和集电极互连并连接第六三极管QP2的基极和第三三极管QN3的集电极，第六三极管QP2的集电极连接第四三极管QN4的集电极并作为第一级差分运放的输出端连接第二级运放电路的输入端；
第七三极管QP3的基极作为第二级运放电路的输入端，其源极接电源电压VDD，其集电极作为第二级运放电路的输出端与级联的反相器的输入端相连，第五电阻R5和电容C1并联作为第二级运放电路的无源负载接在第七三极管QP3的集电极和地GND之间；
NMOS管MN1和PMOS管MP1的栅极互连并作为反相器的输入端，其漏极短接并作为所述过欠压保护电路的输出端输出过欠压保护信号Signal，PMOS管MP1的源极接电源电压VDD，NMOS管MN1的源极接地GND。
具体的，所述第一三极管QN1、第二三极管QN2、第三三极管QN3和第四三极管QN4为NPN三极管，所述第五三极管QP1、第六三极管QP2和第七三极管QP3为PNP三极管。
具体的，所述过欠压保护电路通过调整线性变换电路中的第六电阻RA和第七电阻RB的阻值，或者调整非线性变换电路中的第一电阻R1和第三电阻R3的阻值与第一三极管QN1和第二三极管QN2的发射结面积比，得到所需要的过欠压监测点，输入电压VS达到该过欠压监测点时过欠压保护信号Signal发生翻转，实现对检测电路的过欠压保护。
本发明的有益效果为：利用所要保护电压本身来实现欠压或是过压的监测和保护，无需比较电压，减少了基准电路，即比较电压产生电路，节省了因额外的比较电压产生电路带来的面积和能量的消耗；同时也可以用于对基准电路本身正常与否进行电压监控和保护。
附图说明
图1为传统的过欠压保护电路架构图。
图2为本发明提供的一种无需比较电压的过欠压保护电路的设计思路图。
图3为本发明提供的一种无需比较电压的过欠压保护电路中的非线性函数变换电路具体电路图。
图4为本发明提供的一种无需比较电压的过欠压保护电路的具体电路图。
图5为本发明提供的一种无需比较电压的过欠压保护电路中的非线性函数变换电路的函数关系图。
图6位本发明提供的一种无需比较电压的过欠压保护电路的功能仿真图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
针对传统过欠压保护电路必须有一个比较电压而引起的面积和能量的消耗，以及无法实现对基准电压本身实施检测的局限性，该基准电压通常作为比较电压，本发明提出了一种过欠压保护电路，与传统过欠压保护架构相比，无需额外的基准电路来产生一个稳定的比较电压作为过欠压保护电路的参考点，而是利用所要监测的电压本身，通过两种不同的函数变换电路，产生非零点的唯一交叉点，以此作为过欠压保护电路的参考点，从而节省了因额外的基准电压电路带来的面积和能量的消耗。
本发明的设计原理如图2所示，输入电压Vs为所要监测和保护的电压，本发明将Vs通过两种函数f1(Vs)与f2(Vs)的变化，使得Vs的电压值在直角坐标系中存在除零点以外的另一个且唯一的两种函数f1(Vs)与f2(Vs)的交叉点，即过欠压监测点，当输入电压Vs上升到过欠压监测点时，即经过两种函数变换得到的两种输出电压值V1和V2相等，此时经过比较器A，如果比较器A的增益足够大，则比较器A的输出信号发生翻转，实现对检测电路的过欠压保护。
图2中，虚线框中为基本的线性变换，其线性变换函数为f2(Vs)，即
对于函数变换f1(Vs)，为保证能够利用电路原理同时实现两种函数f1(Vs)与f2(Vs)在直角坐标系中存在非零点且唯一的交叉点，则f1(Vs)需是非线性函数，因此本发明利用双极晶体管发射结电压Vbe和集电极电流IC指数关系：
其中IS为PN结反向饱和电流，VT为温度的电压当量，常温下约为26mV，并将该指数关系引入函数f1(Vs)中实现与函数f2(Vs)的非零且唯一交叉点。
非线性函数f1(Vs)变换电路具体电路图如图3所示。
包括第一三极管QN1、第二三极管QN2、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，第一三极管QN1的集电极作为所述非线性变换电路的输入端Vin，其发射极与第二三极管QN2的发射极互连并通过第一电阻R1后接地GND，其基极与第二三极管QN2的集电极相连并作为所述非线性变换电路的输出端VOUT；第三电阻R3的一端连接第一三极管QN1的集电极，另一端连接第二电阻R2的一端和第二三极管QN2的基极，第二电阻R2的另一端连接第二三极管QN2的集电极。
该电路实质上是一个双极型峰值电流源，第一三极管QN1与第二三极管QN2的发射结面积比例为QN1:QN2＝m：1，忽略基极电流的情况下，由基尔霍夫电压定律得到第一三极管QN1的发射结电压Vbe1与第二三极管QN2的发射结电压Vbe2之间的关系为
Vbe2＝I2·R2+Vbe1 (1)
又因为
所以可以得到第一三极管QN1的集电极电流I1与第二三极管QN2的集电极电流I2的关系为
由第三电阻R3、第二三极管QN2发射结和第一电阻R1这一支路，可以得到输入电压VS与电流I1、I2的关系为
VS＝I2R3+Vbe2+(I1+I2)R1 (3)
将式(2)带入式(3)，得
观察式(4)可看出右边等式第四项为引入的非线性项。
由第一三极管QN1发射结和第一电阻R1这一支路，可以得到非线性变换电路输出电压V1与电流I1、I2的关系为
V1＝Vbe1+(I1+I2)·R1 (5)
那么，联合式(2)、(4)和(5)，可以看出VS与V1的非线性函数关系。
由于式(4)为超越方程，难以求出I2关于VS准确关系式，进而难以推导出V1关于VS的关系式，下面推导两者的近似趋势。
由图3所示电路容易得到，当输入电压VS趋于零时，电流I1和I2均趋于零，则对式(2)进行泰勒展开，得
I1≈mR1I2，I2→0 (6)
当输入电压VS逐渐变大时，电流I2也逐渐变大，由双极峰值电流的特性以及式(2)可以看出，电流I1与电流I2相比，可以基本忽略不计，即
I1≈0，I2→∞ (7)
因此由式(6)和(7)，可以得到V1与VS非线性函数关系的两种趋势，当VS趋于零时，式(4)和(5)可化简为
VS＝Vbe2+(R1+R3+mR1)I2 (8)
V1＝Vbe1+(mR1+1)·I2R1 (9)
联立式(8)和(9)，且在VS→0,Vbe1＝Vbe2≈0下得，
同理当VS趋于无穷时，
调整第一电阻R1和第三电阻R3的阻值以及第一三极管QN1和第二三极管QN2的发射结面积比例m：1可以有效的改变斜率k1和k2。
本发明提出的过欠压保护电路具体电路如图4所示。
电路左边虚线框内为上文所述的非线性函数f1(Vs)变换电路，中间虚线框内电路为简单的线性函数f2(Vs)变换电路，其实质为第六电阻RA和第七电阻RB串联组成的分压电路，第六电阻RA的上端连接输入电压Vs，下端与第七电阻RB上端连接，并作为输出端输出电压V2，第七电阻RB下端连接地。
右边虚线框电路为比较器CMP_A，其实质为一个两级运放级联一个反相器，包括组成两级运放电路的第三三极管QN3、第四三极管QN4、第五三极管QP1、第六三极管QP2、第七三极管QP3、第四电阻R4、第五电阻R5和电容C1以及构成反相器的NMOS管MN1和PMOS管MP1，第三三极管QN3和第四三极管QN4作为第一级差分运放的输入对管，第三三极管QN3的基极作为比较器CMP_A的正向输入端，第四三极管QN4的基极作为比较器CMP_A的负向输入端，第三三极管QN3和第四三极管QN4的发射极互连并通过第四电阻后接地GND；第五三极管QP1和第六三极管QP2组成第一级差分运放的有源负载，第五三极管QP1的基极和集电极互连并连接第六三极管QP2的基极和第三三极管QN3的集电极，第六三极管QP2的集电极连接第四三极管QN4的集电极并作为第一级差分运放的输出端连接第二级运放管第七三极管QP3的基极，第七三极管QP3的集电极作为第二级运放的输出端与级联的反向器输入端相连，第五电阻R5和电容C1并联作为第二级运放的无缘负载接在第七三极管QP3的集电极和地GND之间，同时起到电路延时防瞬态抖动的功能；NMOS管MN1和PMOS管MP1的栅极互连并作为反向器的输入端，其漏极短接并作为过欠压保护电路的输出端输出控制信号Signal；第五三极管QP1、第六三极管QP2和第七三极管QP3的发射极以及PMOS管MP1的源极接电源电压VDD，NMOS管MN1的源极接地GND。
当被检测电压Vs从0开始上升时，经过f1(Vs)变换电路，得到的输出电压V1可看做由初始为斜率k1为截距为0的线性函数式(10)，逐渐变为斜率k2为截距为的线性函数式(11)，函数图如图5所示，实线为输出电压V1与输入电压Vs的实际函数关系，虚线为两者在零与无穷大两个极端下的的近似函数关系，同时电压V1作为比较器CMP_A的正向输入。
同理，Vs经过f2(Vs)变换电路后，得到输出电压V2与Vs的简单的线性关系为同时电压V2作为比较器CMP_A的负向输入。
因此，我们可以在工艺允许以及设计所需的限制条件下选择性的调整第六电阻RA和第七电阻RB，或者第一电阻R1、第三电阻R3的阻值和第一三极管QN1、第二三极管QN2的发射极面积比例，保证f2(Vs)的斜率k0在f1(Vs)的两个斜率k1和k2之间，便可以得到两函数f1(Vs)和f2(Vs)在直角坐标系上除零点以外的唯一交叉点，即得到所需要的过欠压监测点，并可调整该点为所需要的值，如图6所示为电路仿真结果图。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种无需比较电压的过欠压保护电路，其特征在于，包括：
线性变换电路，包括串联的第六电阻(RA)和第七电阻(RB)，其串联点作为线性变换电路的输出端输出第二电压(V2)，第六电阻(RA)的另一端接输入电压(VS)，第七电阻(RB)的另一端接地(GND)；
非线性变换电路，包括第一三极管(QN1)、第二三极管(QN2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，第一三极管(QN1)的集电极连接输入电压(VS)，其发射极与第二三极管(QN2)的发射极互连并通过第一电阻(R1)后接地(GND)，其基极与第二三极管(QN2)的集电极相连并作为所述非线性变换电路的输出端输出第一电压(V1)；第三电阻(R3)的一端连接第一三极管(QN1)的集电极，另一端连接第二电阻(R2)的一端和第二三极管(QN2)的基极，第二电阻(R2)的另一端连接第二三极管(QN2)的集电极；
比较器(CMP_A)，其正向输入端连接非线性变换电路输出的第一电压(V1)，负向输入端连接线性变换电路输出的第二电压(V2)，通过比较第一电压(V1)和第二电压(V2)得到过欠压保护信号(Siganl)。
2.根据权利要求1所述的无需比较电压的过欠压保护电路，其特征在于，所述比较器(CMP_A)包括组成第一级差分运放电路的第三三极管(QN3)、第四三极管(QN4)、第五三极管(QP1)、第六三极管(QP2)和第四电阻(R4)，组成第二级运放电路的第七三极管(QP3)、第五电阻(R5)和电容(C1)，以及构成反相器的NMOS管(MN1)和PMOS管(MP1)，第三三极管(QN3)和第四三极管(QN4)作为第一级差分运放的输入对管，第三三极管(QN3)的基极作为比较器(CMP_A)的正向输入端，第四三极管(QN4)的基极作为比较器(CMP_A)的负向输入端，第三三极管(QN3)和第四三极管(QN4)的发射极互连并通过第四电阻后接地(GND)；
第五三极管(QP1)和第六三极管(QP2)组成第一级差分运放的有源负载，其源极都接电源电压(VDD)，第五三极管(QP1)的基极和集电极互连并连接第六三极管(QP2)的基极和第三三极管(QN3)的集电极，第六三极管(QP2)的集电极连接第四三极管(QN4)的集电极并作为第一级差分运放的输出端连接第二级运放电路的输入端；
第七三极管(QP3)的基极作为第二级运放电路的输入端，其源极接电源电压(VDD)，其集电极作为第二级运放电路的输出端与级联的反相器的输入端相连，第五电阻(R5)和电容(C1)并联作为第二级运放电路的无源负载接在第七三极管(QP3)的集电极和地(GND)之间；
NMOS管(MN1)和PMOS管(MP1)的栅极互连并作为反相器的输入端，其漏极短接并作为所述过欠压保护电路的输出端输出过欠压保护信号(Signal)，PMOS管(MP1)的源极接电源电压(VDD)，NMOS管(MN1)的源极接地(GND)。
3.根据权利要求1或2所述的无需比较电压的过欠压保护电路，其特征在于，所述第一三极管(QN1)、第二三极管(QN2)、第三三极管(QN3)和第四三极管(QN4)为NPN三极管，所述第五三极管(QP1)、第六三极管(QP2)和第七三极管(QP3)为PNP三极管。
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