CN109194099A - 一种高压启动电路的电源监测管理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子技术领域，尤其是一种高压启动电路的电源监测管理电路；它包括电阻分压网络、阀值比较电路和逻辑电路；该电路主要由电阻分压网络、阈值比较电路组成，利用随芯片电源电压变化的电阻分压网络输出电压来与工艺中N型MOS管的阈值做比较，通过阈值比较电路输出相应的逻辑电平，从而实现过压/欠压保护的功能，由于该电路不需要额外的基准电压源和比较器，大大减少了器件，简化了电路结构，使得过压/欠压保护电路占用面积小，功耗降低，同时因器件的减少使得保护电路的相应时间有了很大的改善。

Description

一种高压启动电路的电源监测管理电路
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其是一种高压启动电路的电源监测管理电路。
背景技术
高压集成电路是一种带有各种保护电路、低压控制电路、高压功率器件等功能的栅极驱动电路，它将电力电子与半导体技术结合，显著的提高了整机的集成度和稳定性，具有集成密度高、体积小、速度快、功耗低等优点，逐渐取代传统的分立器件，越来越多的被应用在MOSFET、IGBT的驱动领域。
在电源管理电路中，常常需要内置高压启动，通过内部基准和稳压得到一个带纹波的稳定电压，用于电源内部工作或输出。通常，在得到输出稳定电压之前，需要高压启动模块为内部集成电路提供一个比较粗糙的电压，这个电压纹波较大，通常对其设置了欠压保护(Under Voltage Lock Out,UVLO)和过压保护(Over Voltage Protection,OVP)，使高压启动模块为集成电路持续稳定的供电，确保此芯片系统的稳定工作。
图1给出了传统集成电路的一种过压/欠压保护电路，它包括提供参考电压的基准电压源1、具有阻抗变换功能的电源分压电路2、比较器3和主要由一些逻辑器件组成的逻辑电路4。电源分压电路的输入端接芯片电源电压，基准电压源1的输出端、电源分压电路2的输出端分别与比较器3的正向输入端与反向输入端连接，比较器3的输出端与逻辑电路4的输入端连接，逻辑电路4的输出端输出过压/欠压保护信号，该欠压保护信号送到负责开通、过压保护信号负责关闭高压启动的模块或者电压钳位模块，控制高压启动模块防止电压过高。
这种过压/欠压保护电路主要由基准点压源、比较器、电源分压电路组成，因此使用的元器件较多、占用面积较大、响应时间较慢、功耗大且电路设计过程复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高压启动电路的电源监测管理电路，它具有结构简单、器件少、占用面积少、响应时间快，且功耗小的优点。
本发明的技术方案为：
一种高压启动电路的电源监测管理电路，其特征在于：它包括电阻分压网络、阀值比较电路和逻辑电路；
其中电阻分压网络包括第四电阻、第五电阻、第六电阻和第一场效管，所述第四电阻第一端连接电源端，所述第四电阻第二端连接第五电阻第一端，所述第五电阻的第二端连接第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端分别连接第一场效管的漏极和栅极；
其中阀值比较电路包括第二场效管、第三场效管、第四场效管、第五场效管、第六场效管和第七场效管，所述第三场效管、第四场效管的源极均连接另一电源端，所述第三场效管和第四场效管的栅极共同连接第二场效管的漏极，所述第三场效管的漏极连接第二场效管的漏极，所述第四场效管的漏极第五场效管的漏极，所述第五场效管的源极连接第六场效管的源极和漏极，所述第六场效管的栅极连接第二场效管的漏极和栅极，所述第二场效管的源极、第六场效管的源极共同接地；
所述第四电阻的第二端连接第五场效管的栅极，所述第五电阻的第二端连接第七场效管的源极，所述第六电阻的第二端连接第七场效管的漏极，所述第七场效管的栅极连接第五场效管的漏极，所述第一场效管的栅极分别连接第二场效管的栅极和漏极，所述第一场效管的源极连接第二场效管的源极，所述第五场效管的漏极连接逻辑电路，逻辑电路的输出端输出过压保护信号。
具体的，所述第一场效管、第二场效管、第五场效管、第六场效管和第七场效管均为N型MOS管。
具体的，所述第三场效管和第四场效管均为P型MOS管。
在其中一个实施例中，所述逻辑电路包括第一反相器和第二反相器，第一反相器的输出端连接第二反相器的输入端，第一反相器的输入端连接第五场效管的漏极，第二反相器的输出端输出过压保护信号。
在另一个实施例中，所述逻辑电路包括第一反相器、第二反相器、第一电容和第七电阻，第一反相器的输出端连接第七电阻的第一端，第七电阻的第二端分别连接第一电容的第一端和第二反相器的输入端，第一反相器的输入端连接第五场效管的漏极，第一电容的第二端连接第六场效管的源极，第二反相器的输出端输出过压保护信号。
本发明的有益效果为：该电路主要由电阻分压网络、阈值比较电路组成，利用随芯片电源电压变化的电阻分压网络输出电压来与工艺中N型MOS管的阈值做比较，通过阈值比较电路输出相应的逻辑电平，从而实现过压/欠压保护的功能，由于该电路不需要额外的基准电压源和比较器，大大减少了器件，简化了电路结构，使得过压/欠压保护电路占用面积小，功耗降低，同时因器件的减少使得保护电路的相应时间有了很大的改善。
附图说明
图1为传统过压/欠压保护电路图；
图2为本发明的电路图；
图3为实施例1的电路图；
图4为实施例2的电路图；
图5为本发明输出端输出的过压/欠压保护信号的波形示意图。
图中，1、基准电压源；2、高压端分压电路；3、比较器；4、逻辑电路；5、电阻分压网络；6、阀值比较电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例1
如图2、4、5所示，一种高压启动电路的电源监测管理电路，它包括电阻分压网络5、阀值比较电路6和逻辑电路4；
其中电阻分压网络5包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第一场效管M1，所述第四电阻R4第一端连接电源端VCC，所述第四电阻R4第二端连接第五电阻R5第一端，所述第五电阻R5的第二端连接第六电阻R6的第一端，所述第六电阻R6的第二端分别连接第一场效管M1的漏极和栅极；
其中阀值比较电路6包括第二场效管M2、第三场效管M3、第四场效管M4、第五场效管M5、第六场效管M6和第七场效管M7，所述第三场效管M3、第四场效管M4的源极均连接另一电源端VDD，所述第三场效管M3和第四场效管M4的栅极共同连接第二场效管M2的漏极，所述第三场效管M3的漏极连接第二场效管M2的漏极，所述第四场效管M4的漏极第五场效管M5的漏极，所述第五场效管M5的源极连接第六场效管M6的源极和漏极，所述第六场效管M6的栅极连接第二场效管M2的漏极和栅极，所述第二场效管M2的源极、第六场效管M6的源极共同接地VSS；
所述第四电阻R4的第二端连接第五场效管M5的栅极，所述第五电阻R5的第二端连接第七场效管M7的源极，所述第六电阻R6的第二端连接第七场效管M7的漏极，所述第七场效管M7的栅极连接第五场效管M5的漏极，所述第一场效管M1的栅极分别连接第二场效管M2的栅极和漏极，所述第一场效管M1的源极连接第二场效管M2的源极，所述第五场效管M5的漏极连接逻辑电路4，逻辑电路4的输出端输出过压保护信号。
所述第一场效管M1、第二场效管M2、第五场效管M5、第六场效管M6和第七场效管M7均为N型MOS管。
所述第三场效管M3和第四场效管M4均为P型MOS管。
所述逻辑电路4包括第一反相器U1和第二反相器U2，第一反相器U1的输出端连接第二反相器U2的输入端，第一反相器U1的输入端连接第五场效管M5的漏极，第二反相器U2的输出端输出过压保护信号。
实施例2
一种高压启动电路的电源监测管理电路，它包括电阻分压网络5、阀值比较电路6和逻辑电路4；
其中电阻分压网络5包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第一场效管M1，所述第四电阻R4第一端连接电源端VCC，所述第四电阻R4第二端连接第五电阻R5第一端，所述第五电阻R5的第二端连接第六电阻R6的第一端，所述第六电阻R6的第二端分别连接第一场效管M1的漏极和栅极；
其中阀值比较电路6包括第二场效管M2、第三场效管M3、第四场效管M4、第五场效管M5、第六场效管M6和第七场效管M7，所述第三场效管M3、第四场效管M4的源极均连接另一电源端VDD，所述第三场效管M3和第四场效管M4的栅极共同连接第二场效管M2的漏极，所述第三场效管M3的漏极连接第二场效管M2的漏极，所述第四场效管M4的漏极第五场效管M5的漏极，所述第五场效管M5的源极连接第六场效管M6的源极和漏极，所述第六场效管M6的栅极连接第二场效管M2的漏极和栅极，所述第二场效管M2的源极、第六场效管M6的源极共同接地VSS；
所述第四电阻R4的第二端连接第五场效管M5的栅极，所述第五电阻R5的第二端连接第七场效管M7的源极，所述第六电阻R6的第二端连接第七场效管M7的漏极，所述第七场效管M7的栅极连接第五场效管M5的漏极，所述第一场效管M1的栅极分别连接第二场效管M2的栅极和漏极，所述第一场效管M1的源极连接第二场效管M2的源极，所述第五场效管M5的漏极连接逻辑电路4，逻辑电路4的输出端输出过压保护信号。
所述第一场效管M1、第二场效管M2、第五场效管M5、第六场效管M6和第七场效管M7均为N型MOS管。
所述第三场效管M3和第四场效管M4均为P型MOS管。
所述逻辑电路4包括第一反相器U1、第二反相器U2、第一电容C1和第七电阻R7，第一反相器U1的输出端连接第七电阻R7的第一端，第七电阻R7的第二端分别连接第一电容C1的第一端和第二反相器U2的输入端，第一反相器U1的输入端连接第五场效管M5的漏极，第一电容C1的第二端连接第六场效管M6的源极，第二反相器U2的输出端输出过压保护信号。
与现有技术相比，本发明的优点在于该电路主要由电阻分压网络、阈值比较电路组成，利用随芯片电源电压变化的电阻分压网络输出电压来与工艺中NMOS的阈值做比较，通过阈值比较电路输出相应的逻辑电平，从而实现过压/欠压保护的功能，由于该电路不需要额外的基准电压源和比较器，大大减少了器件，简化了电路结构，使得过压/欠压保护电路占用面积小，功耗降低，同时因器件的减少使得保护电路的相应时间有了很大的改善。
图2为本发明的欠压保护电路原理图一。
本发明所提出的过压/欠压保护电路主要利用NMOS M5的阈值电压(Vth)做为基准电压，电阻分压网络中R4与R5连接处的输出电压(Vgs)连接到M5的栅极，当Vgs>Vth时，过压保护信号输出低电平，当Vgs<Vth时，此时为欠压保护信号，欠压保护信号输出高电平。电阻分压网络输出电压Vgs值可通过调节电阻分压网络中各元器件的参数值来实现，Vgs>Vth时所对应的芯片电源电压值V+作为本发明的过压保护电路的过压电压，Vgs<Vth时所对应的芯片电源电压值V-作为本发明的欠压保护电路的欠压电压。从而实现本发明的过压/欠压保护电路的基本功能。在此，为了得到保护电路所需要的迟滞电压，使用NMOS M7与电阻分压网络中的R6并联，当芯片电源电压降低至V-后，M7导通，使得输出电压Vgs占芯片电源电压的比例降低，当Vgs电压再次升高至Vth时所对应的V+要大于V-，通过调整电阻分压网络的元器件参数即可得到所需要的保护电路迟滞电压。
电阻分压网络由二极管连接的NMOS M1、电阻R4、电阻R5、电阻R6组成，以上元器件组成的电阻分压网络连接至芯片电源到地之间，输出电压Vgs与电源电压呈一定的比列关系K，Vgs＝K*VCC。NMOS M5与R8并联实现阻抗变换，在芯片电源电压降低至欠压电压的过程中，M5关断，此时输出电压Vgs与电源电压的比例为K1，Vgs＝K1*VCC，当Vgs<Vth时，VCC<Vth/K1，所以欠压电压V-＝Vth/K1。在芯片电源电压上升至过压电压的过程中，M5导通，此时输出电压Vgs与电源电压的比例为K2，Vgs＝K2*VCC，当Vgs>Vth时，VCC>Vth/K2，所以过压电压V+＝Vth/K2。K1>K2，所以V+>V-，(V+)-(V-)即为保护电路的迟滞电压，通过调节K1、K2的值即可设计出所需要的V+和V-。
阈值比较电路由NMOS M2、M5、M6，PMOS M3、M4组成，M6、M2与M1组成电流镜结构，M3、M4组成电流镜结构，将电阻分压网络的电流复制到M4，实现对保护信号的上拉作用。当Vgs<Vth时M5关断，电压保护信号输出高电平，此时为欠压状态；Vgs>Vth时M5导通，电压保护信号被M6拉低至低电平，此时为过压状态。电压保护信号被送入芯片的其他电路模块，对输出端执行相应的操作。
电阻分压网络设计过程中，适当的将R4、R5、R6电阻之和设计的大一些，降低电路的静态电流。调节R4、R5、R6之间的相互比例来确定出过压电压V+和欠压电压V-。调整M7的宽长比，在M7导通时能够实现对R6的短接。阈值比较电路中，通过调整M1的宽长比与M2、M6成比列，其中M6：M2＝2:1，M3:M4＝1:1，实现M4的上拉作用，又实现M6的强下拉作用，在物理层的设计中注意M1与M2、M6，M3与M4的匹配。
图2为本发明保护电路，其中后面还有逻辑电路4。
在阈值比较电路的输出端接有逻辑电路4，逻辑电路4的输入端与阈值比较电路的输出端连接。阈值比较电路的输出信号经逻辑电路4处理后，经由逻辑电路4输出过压保护信号。逻辑电路4主要由反相器组成，用来整理阈值比较电路的输出信号波形，使该信号的上升沿下降沿变得更为陡峭，比较好的满足后续电路的需要。也可以在逻辑电路4中加入噪声滤波器，来防止瞬间的欠压保护误触发。
如图3，逻辑电路4由两个反相器U1、U2组成，U1输入接阈值比较电路的输出，U1输出接U2输入，U2输出为过压/欠压保护信号。
如图4，逻辑电路4由反相器U1、反相器U2、电阻R7、电容C1组成来实现噪声滤波功能。
图5给出了本发明的过压/欠压保护电路输出端输出的过压/欠压保护信号的波形示意图。从图5中可以看出在电源电压上升阶段，电源电压小于电压保护电路的过压电压时，过压保护信号跟随电源电压变化，此时由过压保护电路所控制芯片未开始工作，当电源电压上升到过压电压时，过压保护信号输出低电平，该低电平使芯片高压供电模块停止工作。在电源电压下降阶段，只要电源电压未下降到电压保护电路的欠压电压时，过压保护信号保持低电平输出，当电源电压下降到欠压电压时，过压保护信号输出跟随电源电压变化，芯片将开启高压供电端供电。过压电压和欠压电压的差值即为过压保护电路的迟滞电压。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种高压启动电路的电源监测管理电路，其特征在于：它包括电阻分压网络、阀值比较电路和逻辑电路；
其中电阻分压网络包括第四电阻、第五电阻、第六电阻和第一场效管，所述第四电阻第一端连接电源端，所述第四电阻第二端连接第五电阻第一端，所述第五电阻的第二端连接第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端分别连接第一场效管的漏极和栅极；
其中阀值比较电路包括第二场效管、第三场效管、第四场效管、第五场效管、第六场效管和第七场效管，所述第三场效管、第四场效管的源极均连接另一电源端，所述第三场效管和第四场效管的栅极共同连接第二场效管的漏极，所述第三场效管的漏极连接第二场效管的漏极，所述第四场效管的漏极第五场效管的漏极，所述第五场效管的源极连接第六场效管的源极和漏极，所述第六场效管的栅极连接第二场效管的漏极和栅极，所述第二场效管的源极、第六场效管的源极共同接地；
所述第四电阻的第二端连接第五场效管的栅极，所述第五电阻的第二端连接第七场效管的源极，所述第六电阻的第二端连接第七场效管的漏极，所述第七场效管的栅极连接第五场效管的漏极，所述第一场效管的栅极分别连接第二场效管的栅极和漏极，所述第一场效管的源极连接第二场效管的源极，所述第五场效管的漏极连接逻辑电路。
2.根据权利要求1所述的一种高压启动电路的电源监测管理电路，其特征在于：所述第一场效管、第二场效管、第五场效管、第六场效管和第七场效管均为N型MOS管。
3.根据权利要求2所述的一种高压启动电路的电源监测管理电路，其特征在于：所述第三场效管和第四场效管均为P型MOS管。
4.根据权利要求3所述的一种高压启动电路的电源监测管理电路，其特征在于：所述逻辑电路包括第一反相器和第二反相器，第一反相器的输出端连接第二反相器的输入端，第一反相器的输入端连接第五场效管的漏极。
5.根据权利要求3所述的一种高压启动电路的电源监测管理电路，其特征在于：所述逻辑电路包括第一反相器、第二反相器、第一电容和第七电阻，第一反相器的输出端连接第七电阻的第一端，第七电阻的第二端分别连接第一电容的第一端和第二反相器的输入端，第一反相器的输入端连接第五场效管的漏极，第一电容的第二端连接第六场效管的源极。
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