CN108469867A - 一种带隙基准电压源结构的欠压锁定电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带隙基准电压源结构的欠压锁定电路,通过三极管QN1、三极管QN2、电阻R1和电阻R2构成了两管带隙基准电压源的原理结构,本发明利用带隙基准电压源的结构特点,将被监测电压转换后与带隙基准源结构的带隙输出电压相连,利用带隙基准原理的假设条件—存在面积比例关系的两路晶体管的工作电流近似相等,将被监测电压与带隙电压进行比较,输出信号用于控制后续电路的开通或关断。因此本发明克服了传统欠压锁定电路还需要外接电压基准源的弊端,简化了线路结构,降低了功耗,提高了系统可靠性。同时还有效降低了欠压锁定阈值电压的温度漂移,降低了欠压锁定电路对温度的敏感性。
Description
技术领域
本发明属于开关电源类芯片的线路设计领域,具体涉及一种带隙基准电压源结构的欠压锁定电路。
背景技术
随着电子系统设计的高速集成化发展,电源管理芯片已经在通信、电子计算机、消费类电子产品等领域中获得了广泛应用,其性能要求也越来越高。为保证电路启动后能进入正常工作状态并稳定工作,也为了保证电路工作时电源电压的波动不会对整个电路和系统造成损害,通常需使用欠压锁定电路对实际加在电路两端的电源电压进行监控和锁定,这已成为现代集成电路和芯片系统设计的一个趋势,尤其在电源控制类芯片中更为人所重视。其设计的关键在于,当电源电压低于锁定阈值门限时保持芯片关断,并且带有一定量的迟滞,以防止电源电压在恢复过程中抖动而造成系统不稳定。
传统的欠压锁定电路,通常使用比较器或运算放大器将采样来的电源电压信号与基准电压源产生的基准信号进行比较,以此来判断是否欠压。基本原理图如图1所示,电路由采样电阻、比较器、偏置电路、反馈环路、输出缓冲器等组成。VCC为待监测电源电压,R1、R2对VCC进行电压采样,然后与外部提供的基准电压Vref比较,判断其是否达到锁定预设值并输出比较结果。INV1、INV2对比较器的输出波形进行整形和缓冲,增加电路的驱动能力。开关管PMOS(即MP1)形成正反馈回路,实现电路的迟滞功能,避免电压在VCC附近振荡,提高系统的稳定性。
传统的欠压锁定电路需要外部提供基准电压Vref和偏置电流IBIAS,这会使电源管理芯片的面积增大,成本增加,另外,当芯片由于电源电压过低而关断时,传统的欠压锁定电路中的比较器很可能因为基准电源Vref和偏置电流IBIAS的异常而无法工作,导致欠压锁定电路输出错误信号,从而影响整个芯片的可靠性。如《一种新型欠压锁定电路的设计》(微电子学与计算机,2006年第23卷第11期)一文中介绍的欠压锁定电路,就属于这种电路。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足,提供一种带隙基准电压源结构的欠压锁定电路,在不需要外部提供基准电压和偏置电流的前提下,还具有结构简单、面积小、功耗低、温度敏感性低等优点。
为了达到上述目的,本发明的待监测电源电压VCC通过转换电路转换后与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,带隙基准源结构包括三极管QN1和三极管QN2,三极管QN1和三极管QN2的发射极分别连接电阻R1的两端,三极管QN1的发射极还连接电阻R2的一端,电阻R2的另一端连接转换后的被监测电压并接地,三极管QN1和三极管QN2的基极均连接转换后的待监测电源电压VCC,三极管QP2的基极连接三极管QP1的基极和三极管QP1的集电极,三极管QP2的集电极和三极管QP1的集电极分别连接三极管QN2的集电极和三极管QN1的集电极,A点为三极管QP2的集电极和三极管QP1的集电极的公共端。
待监测电源电压的转换电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6;
电阻R5的一端连接待监测电源电压VCC,电阻R5的另一端连接电阻R6的一端和电阻R4的一端,电阻R6的另一端连接外引出端UVSEL,电阻R4的另一端连接电阻R3,并与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,电阻R3的另一端接地,待监测电源电压VCC经电阻分压转换后在D点与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,D点为电阻R3和电阻R4的公共端。
转换电路包括两级输出转换,第一级输出转换包括三极管QP3、三极管QP2和三极管QP1,三极管QP3、三极管QP2和三极管QP1均通过发射极连接待监测电源电压VCC,三极管QP4的集电极连接三极管QP3的基极、三极管QP4的基极以及A点,A点为三极管QP2与三极管QN2的公共端,三极管QP3的集电极连接三极管QP4的发射极和C点,C点为三极管QP6的集电极和三极管QN3的集电极;
第二级输出转换包括三极管QP7,三极管QP7的发射极和三极管QP5的发射极的一端均与待监测电源电压VCC连接,三极管QP5的集电极连接三极管QP6的发射极、电阻R5的另一端、电阻R6的一端和电阻R4的一端,三极管QP5的基极连接三极管QP6的基极、三极管QP6的集电极、三极管QP7的基极和三极管QN3的集电极以及C点,三极管QN3的发射极连接电阻R7的一端,电阻R7的另一端接地,三极管QN3的基极与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,三极管QP7的集电极连接后续电路,三极管QP7为后续电路提供启动电流。
外引出端UVSEL能够悬空或与待监测电源电压VCC短接或串接电阻后再与VCC连接。
与现有技术相比,本发明利用带隙基准电压源的结构特点,将被监测电压转换后与带隙基准源结构的带隙输出电压相连,利用带隙基准原理的假设条件—存在面积比例关系的两路晶体管的工作电流近似相等,将被监测电压与带隙电压进行比较,输出信号用于控制后续电路的开通或关断。因此本发明克服了传统欠压锁定电路还需要外接电压基准源的弊端,简化了线路结构,降低了功耗,提高了系统可靠性。同时还有效降低了欠压锁定阈值电压的温度漂移,降低了欠压锁定电路对温度的敏感性。本发明可完全兼容于标准双极工艺,可广泛应用于开关电源类芯片设计,具有良好的应用前景和经济效益。
附图说明
图1为现有的欠压锁定原理图;
图2为本发明的欠压锁定电路;
图3为欠压锁定示意图;
图4为对VCC电压(UVSEL悬空)进行直流扫描所得到的各点电压电流变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图2,本发明待监测电源电压VCC通过转换电路转换后与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,带隙基准源结构包括三极管QN1和三极管QN2,三极管QN1和三极管QN2的发射极分别连接电阻R1的两端,三极管QN1的发射极还连接电阻R2的一端,电阻R2的另一端连接转换后的被监测电压并接地,三极管QN1和三极管QN2的基极均连接转换后的待监测电源电压VCC,三极管QP2的基极连接三极管QP1的基极和三极管QP1的集电极,三极管QP2的集电极和三极管QP1的集电极分别连接三极管QN2的集电极和三极管QN1的集电极。
待监测电源电压的转换电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6;
电阻R5的一端连接待监测电源电压VCC,电阻R5的另一端连接电阻R6的一端和电阻R4的一端,电阻R6的另一端连接外引出端UVSEL,电阻R4的另一端连接电阻R3,并与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,电阻R3的另一端接地,待监测电源电压VCC经电阻分压转换后在D点与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,D点为电阻R3和电阻R4的公共端。
转换电路包括两级输出转换,第一级输出转换包括三极管QP3、三极管QP2和三极管QP1,三极管QP3、三极管QP2和三极管QP1均通过发射极连接待监测电源电压VCC,三极管QP4的集电极连接三极管QP3的基极、三极管QP4的基极以及A点,A点为三极管QP2与三极管QN2的公共端,三极管QP3的集电极连接三极管QP4的发射极和C点,C点为三极管QP6的集电极和三极管QN3的集电极;先是通过三极管QP3三极管、QP4将A点电压转换为C点电压,再通过三极管QP5、三极管QP6、三极管QP7、三极管QN3及电阻R7组成的转换电路将C点电压转换为后续电路的启动电流。
第二级输出转换包括三极管QP7,三极管QP7的发射极和三极管QP5的发射极的一端均与待监测电源电压VCC连接,三极管QP5的集电极连接三极管QP6的发射极、电阻R5的另一端、电阻R6的一端和电阻R4的一端,三极管QP5的基极连接三极管QP6的基极、三极管QP6的集电极、三极管QP7的基极和三极管QN3的集电极以及C点,三极管QN3的发射极连接电阻R7的一端,电阻R7的另一端接地,三极管QN3的基极与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,三极管QP7的集电极连接后续电路,三极管QP7为后续电路提供启动电流。
外引出端UVSEL能够悬空或与待监测电源电压VCC短接或串接电阻后再与VCC连接,灵活调整欠压锁定的门限电压。
本发明提出的欠压锁定电路如图2所示,其中三极管QN1、三极管QN2、电阻R1和电阻R2构成了两管带隙基准电压源的原理结构。
在带隙基准电压源结构中,取三极管QN2发射极的面积是三极管QN1发射极面积的4倍,则:
gm2=4gm1 (1)
在电阻R1和电阻R2的反馈作用下,三极管QN1和三极管QN2的共射放大器的跨导分别为:
由式(1)、式(3)可知:
比较(2)、(4)两式,通常gm1R1>>1,则Gm1>Gm2,
D点电压为电阻R3对待监测电源电压VCC的采样电压VD,则三极管QN1的集电极电流IC1的变化大于三极管QN2的集电极电流IC2的变化。带隙基准电压源结构就是利用IC1和IC2的变化快慢来进行比较的。
当VD=Vref时,流过三级管QN1的集电极电流Ic1与三极管QN2的集电极电流IC2相等,此时流过电阻R1的电流为:
其中:
其中,K为玻尔兹曼常数,则图2中的三极管QN1和三极管QN2的基极电压为:
以UVSEL悬空设置为例,待监测电源电压VCC经过分压网络电阻R3、电阻R4和电阻R5可得出VD:
当VD<Vref时,因为Gm1>Gm2,所以流过三极管QN1的集电极电流IC1随采样电压VD的变化大于三极管QN2的集电极电流IC2,因此IC1<IC2,而三极管QP2与三极管QP1存在1:1的电流镜像关系,三极管QP2的镜像电流ICQP2=ICQP1=IC1<IC2,使得三极管QP2进入线性区,因此A点电压必然低于B点电压,即VA<VB,因此三极管QP3导通,C点电压被拉高,三极管QP5、三极管QP6和三极管QP7均截止,后续电路不被启动,整个芯片不工作。
当VD>Vref时,因为Gm1>Gm2,IC1>IC2,此时三极管QP2的镜像电流ICQP2=ICQP1=IC1>IC2,使得三极管QP2进入饱和区,因此A点电压必然高于B点电压,即VA>VB,因此三极管QP3截止,C点电压被三极管QN3拉低,三极管QP5、三极管QP6和三极管QP7均导通,后续电路启动,整个芯片开始工作。
欠压锁定要求具有迟滞功能,即启动和关断时的门限电压具有一定的差值,本电路利用三极管QP5形成正反馈回路,实现电路的迟滞功能。
在电路启动阶段,也就是待监测电源电压VCC上升阶段,欠压锁定的门限电压为低门限电压,由
得出UVLO的低门限电压为:
在电路关断阶段,也就是待监测电源电压VCC下降阶段,欠压锁定的门限电压为高门限电压,其高门限电压为:
合理的选择电阻R3、电阻R4和电阻R5的阻值。
本发明还可通过调整外引出端UVSEL的连接,对欠压锁定的门限电压进行调整。如图2所示,当UVSEL悬空时,门限电压由上述计算可得,而当UVSEL与VCC短接时,可将低门限电压降低,低门限电压变为:
也可以在UVSEL端串接电阻再接VCC,同样还是将低门限电压降低,但较直接与VCC短接的方法,门限电压降低的幅度较小。
由图4可见,当VCC电压增大到某一电压值时,QN2电流小于QN1,A点电压高于B点电压,QP3截止,C点电压逐渐降低,当低至VCC-VBE时,QP5~QP7导通,QP7集电极电流从零增大至一百多μA,VCC电流从100μA以下增大至mA级工作电流。
本发明可用于开关电源芯片的线路设计,特别适用于要求功耗低、门限电压值随温度变化小的设计中。
采用上述发明,对某一款开关电源控制器电路的欠压锁定功能进行了线路设计。经测试验证,启动电流仅37μA;在UVSEL与VCC短接条件下,在-55℃~+125℃温度范围内,取最低温、25℃和最高温三个温度点实测欠压锁定门限电压参数如表1所示:
表1三温下门限电压实测值
温度 | 低门限电压 | 高门限电压 | 迟滞量 |
-55℃ | 10.36 | 8.66 | 1.70 |
+25℃ | 10.39 | 8.70 | 1.69 |
+125℃ | 10.42 | 8.71 | 1.71 |
可见,低门限电压、高门限电压、和迟滞量的变化量分别只有60mV、50mV和20mV。
通过计算可得两个门限电压的温度系数分别为:
低门限电压温度系数:32.4ppm/℃;
高门限电压温度系数:31.9ppm/℃;
验证结果表明,本发明成功设计了一种欠压锁定电路,在不采用外部提供基准电压和偏置电流的前提下,还具有结构简单、面积小、功耗低、温度敏感性低等优点,且工艺易于实现,可广泛应用于开关电源类芯片设计中。
Claims (4)
1.一种带隙基准电压源结构的欠压锁定电路,其特征在于,待监测电源电压VCC通过转换电路转换后与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,带隙基准源结构包括三极管QN1和三极管QN2,三极管QN1和三极管QN2的发射极分别连接电阻R1的两端,三极管QN1的发射极还连接电阻R2的一端,电阻R2的另一端接地,三极管QN1和三极管QN2的基极均连接转换后的待监测电源电压VCC,三极管QP2的基极连接三极管QP1的基极和三极管QP1的集电极,三极管QP2的集电极和三极管QP1的集电极分别连接三极管QN2的集电极和三极管QN1的集电极。
2.根据权利要求1所述的一种带隙基准电压源结构的欠压锁定电路,其特征在于,转换电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6;
电阻R5的一端连接待监测电源电压VCC,电阻R5的另一端连接电阻R6的一端和电阻R4的一端,电阻R6的另一端连接外引出端UVSEL,电阻R4的另一端连接电阻R3,并与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,电阻R3的另一端接地,待监测电源电压VCC经电阻分压转换后在D点与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,D点为电阻R3和电阻R4的公共端。
3.根据权利要求1所述的一种带隙基准电压源结构的欠压锁定电路,其特征在于,输出转换电路包括两级转换,第一级输出转换包括三极管QP3、三极管QP2和三极管QP1,三极管QP3、三极管QP2和三极管QP1均通过发射极连接待监测电源电压VCC,三极管QP4的集电极连接三极管QP3的基极、三极管QP4的基极以及A点,A点为三极管QP2与三极管QN2的公共端,三极管QP3的集电极连接三极管QP4的发射极和C点,C点为三极管QP6的集电极和三极管QN3的集电极;
第二级输出转换包括三极管QP7,三极管QP7的发射极和三极管QP5的发射极的一端均与待监测电源电压VCC连接,三极管QP5的集电极连接三极管QP6的发射极、电阻R5的另一端、电阻R6的一端和电阻R4的一端,三极管QP5的基极连接三极管QP6的基极、三极管QP6的集电极、三极管QP7的基极和三极管QN3的集电极以及C点,三极管QN3的发射极连接电阻R7的一端,电阻R7的另一端接地,三极管QN3的基极与带隙基准源结构的带隙输出电压相连接,三极管QP7的集电极连接后续电路,三极管QP7为后续电路提供启动电流。
4.根据权利要求1所述的一种带隙基准电压源结构的欠压锁定电路,其特征在于,外引出端UVSEL能够悬空或与待监测电源电压VCC短接或串接电阻后再与待监测电源电压VCC连接。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180831 |
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