CN110398625B - 电压检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种电压检测电路，其包含临界电压检测电路、漏电补偿电路及低压检测电路。临界电压检测电路检测电压源的电压是否降低超过临界电压，进而唤醒低压检测电路。漏电补偿电路比较第一电压与第二电压的电压差是否超过预设值，产生触发信号以及时脉信号，提供最有效率及最低功耗的电压检测电路，准确检测电压偏移。

Description

电压检测电路
技术领域
本发明涉及一种低功耗的电压检测电路，尤其涉及一种能藉由漏电补偿电路检测一电子系统漏电状况，进而驱动低压检测电路以确保工作电压的电压检测电路。
背景技术
现有技术当中，对于电压检测的作法，通常是利用低临界电压的晶体管，经由时脉信号控制的周期性导通来对电压源进行取样，使得电容维持在电压源的水平，当检测到此电压下降超过预定范围后，判断其工作电压变化而触发后续的控工艺序。这样的电压检测对于微处理器、微控制器等均为关键且必要的功能。然而，电容的微弱漏电流造成的缓慢电压变化，并无法由此种方式进行检测。换言之，对于漏电、温度或工艺等变量导致的电压偏移，现有电压检测电路并无法精准地进行检测。
此外，现有电压检测手段上，通常是以参考电压作为基准来判断电压的变化，或采用分压电路检测电压源在特定电压范围内的变化。这样的电压检测电路需要保持长时间启动，增加了检测电路的功耗。虽然能通过周期性的导通取样方式，在非必要时间能暂时关闭比较电路以降低功耗，但设置如震荡器来产生时脉信号仍需耗电，并无法显著地降低电压检测电路的功耗。
综观前所述，已知的电压检测电路在使用上仍然具有相当的缺陷，因此，本发明藉由设计一种不受漏电、温度或工艺影响的电压检测电路，针对现有技术的缺失加以改善，确保检测的精准度并降低功耗，进而增进产业上的实施利用。
发明内容
有鉴于上述已知技术的问题，本发明的目的就是在提供一种具漏电补偿电路的电压检测电路，使其能避免在漏电、温度或工艺等变量导致的电压偏移情况下，无法精准检测工作电压改变的问题。
根据本发明的一目的，提出一种电压检测电路，连接于电压源，其包含临界电压检测电路、漏电补偿电路以及低压检测电路。其中，临界电压检测电路包含第一开关、第一电容、第二开关及第二电容。第一开关的漏极连接于电压源，第一开关的栅极接收时脉信号，触发第一开关于取样周期导通。第一电容设置于第一开关与第一接地端之间，第一电容充电至第一电压。第二开关的源极连接于第一开关的源极与第一电容之间，第二开关的栅极连接于电压源，当第二开关接收电压源的电压低于第一电压超过临界电压，第二开关导通以传送第一触发信号。第二电容设置于第二开关与第二接地端之间。漏电补偿电路的漏电速率大于临界电压检测电路的漏电速率，漏电补偿电路包含第三开关、第三电容及第一比较器。第三开关的源极连接于电压源，第三开关的栅极接收时脉信号，触发第三开关于取样周期导通。第三电容设置于第三开关与第三接地端之间，第三电容充电至第二电压。第一比较器包含连接于第一开关的源极与第一电容之间的第一输入端及连接于第三开关的漏极与第三电容之间的第二输入端，当第一输入端输入的第一电压与第二输入端输入的第二电压的电压差超过预设值，输出时脉信号及第二触发信号。低压检测电路连接于临界电压检测电路及漏电补偿电路，接收第一触发信号或第二触发信号，检测电压源的电压是否低于参考电压。
较佳地，第一电容的电容量可大于第三电容的电容量。
较佳地，第一电容与第三电容的电容量比例可为10：1。
较佳地，第一开关的晶体管尺寸小于第三开关的晶体管尺寸。
较佳地，第一开关与第三开关的晶体管尺寸比例可为1：10。
较佳地，漏电补偿电路可包含漏电路径，设置于第三开关与第三电容之间。
较佳地，漏电路径可包含第四开关，设置于第三开关与第三电容之间。
较佳地，低压检测电路可包含分压电路及第二比较器，分压电路连接于电压源，第二比较器设置由第一触发信号或第二触发信号启动，比较电压源经分压电路输入的输入电压与参考电压，当输入电压低于参考电压时，产生重置信号。
较佳地，第一电容经由第一开关漏电的漏电速率可小于第三电容经由第三开关漏电的漏电速率。
较佳地，临界电压检测电路可包含重置开关，设置与第二电容并联。
承上所述，依本发明的电压检测电路，其可具有一或多个下述优点：
(1)此电压检测电路可藉由临界电压检测电路对电压源的电压进行取样，确保电压检测电路能检测电压源的电压下降超过预定范围，避免工作电压变化过大而损坏装置元件。
(2)此电压检测电路可藉由漏电补偿电路模拟临界电压检测电路的架构，通过放大漏电现象来检测漏电、温度或工艺导致等变量导致的电压偏移，提高电压检测的准确性。
(3)此电压检测电路，可藉由漏电补偿电路检测到电压偏移超过预设值时产生时脉信号，取代固定周期取样的时脉信号，同时通过临界电压检测电路或漏电补偿电路产生的触发信号来唤醒低压检测电路，显著地降低整体电路功耗，提升电压检测电路的效能。
附图说明
图1为本发明实施例的电压检测电路的方块图。
图2为本发明实施例的临界电压检测电路与漏电补偿电路的电路布局图。
图3为本发明实施例的漏电补偿电路电压比较示意图。
图4为本发明另一实施例的临界电压检测电路与漏电补偿电路的电路布局图。
图5为本发明实施例的低压检测电路的电路布局图。
附图符号：
1：电压检测电路；
10：临界电压检测电路；
20：漏电补偿电路；
30：低压检测电路；
31：分压电路；
AVDD：工作电压；
C1：第一电容；
C2：第二电容；
C3：第三电容；
C4：第四电容；
CLK：时脉信号；
COMP1：第一比较器；
COMP2：第二比较器；
COMPhys：预设值；
CT1：第一触发信号；
CT2：第二触发信号；
GND：接地端；
IDS：电流路径；
IN1：第一输入端；
IN2：第二输入端；
LVR：低压重置电路；
M1：第一开关；
M2：第二开关；
M3：第三开关；
M4：第四开关；
N1：第一节点；
N2：第二节点；
R1：第一电阻；
R2：第二电阻；
R3：第三电阻；
S：电压源；
SR：重置开关；
VD1：第一电压；
VD2：第二电压；
VDD：电压；
VDET：反向器；
VDdrop：压降；
VREF：参考电压。
具体实施方式
为利贵审查委员了解本发明的技术特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本发明配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的图式，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的图式的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围，合先叙明。
请参阅图1，图1为本发明实施例的电压检测电路的方块图。如图所示，电压检测电路1包含临界电压检测电路10、漏电补偿电路20及低压检测电路30，电压检测电路1可检测电压源S提供给电子装置的工作电压。电压源S连接临界电压检测电路10及漏电补偿电路20，临界电压检测电路10设计在取样周期内，检测电压源S提供的电压VDD是否下降超过预设的临界电压，若是，则临界电压检测电路10送出第一触发信号CT1至低压检测电路30，由低压检测电路30取样电压VDD与预设的参考电压VREF比较，确保电子装置能维持在稳定的工作电压，避免电压变化过大造成电子装置的损坏。在本实施例中，低压检测电路30预设是关闭状态，减少持续开启检测电路所需功耗，仅在接收到触发信号后才唤醒低压检测电路30进行电压的取样及比较。
上述对于临界电压检测电路10的设计，可以检测到快速掉电的状况，在电压源S的电压VDD快速下降时，能迅速启动低压检测电路30进行检测，进而进行后续的重置或关闭操作。然而，对于缓慢或微小的电流泄漏状况，临界电压检测电路10并无法进行监控，因此，需要进一步设计漏电补偿电路20以补足漏电造成电压偏移的问题。在本实施例当中，漏电补偿电路20同样连接于电压源S，接收电压源S的电压VDD，并且藉由电路元件设计来放大漏电的现象，当漏电发生而使电压变化超过预设值时，漏电补偿电路20送出第二触发信号CT2至低压检测电路30，使低压检测电路30启动以检测电压VDD与参考电压VREF的差异。除此之外，当漏电造成电压变化超过预设值时，漏电补偿电路20还进一步送出时脉信号CLK至临界电压检测电路10，使其重新刷新以进行电压取样。这样的时脉信号CLK操作方式能减少震荡器的设置，使得电子装置更为省电。此外，相对于震荡器产生的固定频率，本实施例能依据不同环境温度状态调整更新时间，使得电压检测电路1的运作更为准确也更有效率。以下将针对电压检测电路1的各个部分详细说明。
请参阅图2，图2为本发明实施例的临界电压检测电路与漏电补偿电路的电路布局图。如图所示，临界电压检测电路10包含第一开关M1、第二开关M2、第一电容C1、反向器VDET及重置开关SR。第一开关M1漏极连接于电压源，接收电压源的工作电压AVDD，第一开关M1的栅极接收时脉信号CLK，第一开关M1的源极连接第一节点N1。第一电容C1设置于第一开关M1与第一接地端GND之间，亦即第一电容C1的一端藉由第一节点N1连接至第一开关M1的源极，当时脉信号CLK触发第一开关M1于对应的取样周期导通时，第一电容C1则藉由电压刷新而充电并维持在第一电压VD1。第二开关M2的栅极连接于电压源接收电压源的工作电压AVDD，第二开关M2的源极连接于第一节点N1，接收第一开关M1的源极产生的第一电压VD1。第二电容C2设置于第二开关M2与第二接地端GND之间，当第二开关M2的栅极接收的工作电压AVDD比第一节点N1的第一电压VD1低了第二开关M2的临界电压时，第二开关M2将会导通，经由反向器VDET输出第一触发信号CT1以唤醒低压检测电路30。
换言之，时脉信号CLK的高电位部分的电压比工作电压AVDD高至少第一开关M1的临界电压，并且在对应于时脉信号CLK的取样周期中，临界电压检测电路10可在工作电压AVDD下降超过第二开关M2的临界电压时被检测到，进而唤醒低压检测电路30。临界电压检测电路10的检测结果主要依据第二电容C2的端电压，亦即，第二电容C2非第二接地端GND的另一端，如果第二电容C2的端电压为高电位，表示有电压偏移现象发生，则输出第一触发信号CT1。第二开关M2与第二电容C2之间可设有重置开关SR，其与第二电容C2并联设置，由进行重设的时脉信号CLK控制，让第二电容C2的端电压周期性地维持在接地电位，以避免第二开关M2因为漏电造成第二电容C2的端电压上升而产生误判。
在本实施例当中，第一开关M1可为NMOS场效应晶体管而第二开关M2可为PMOS场效应晶体管，此外，第一开关M1可为原生性NMOS(native NMOS)场效应晶体管或零临界电压NMOS(zero-threshold-voltage NMOS)场效应晶体管。
在临界电压检测电路10当中，虽然在第一开关M1关闭的情况下，第一节点N1应维持在第一电压VD1，然而，在实际的状况下，由于图中所示的电流路径IDS，会产生漏电而有缓慢的掉电状况发生，临界电压检测电路10难以检测到这样的电压变异。因此，本实施例结合了漏电补偿电路20来解决上述问题。原则上，漏电补偿电路20设计为与临界电压检测电路10相似的架构，即便同样在开关关闭的情况下，仍会有微小电流产生使得电容朝着开关放电，造成电压的偏移。漏电补偿电路20当中的漏电速率大于临界电压检测电路10的漏电速率，放大了漏电造成的电压变异，使得漏电现象造成的细微电压变化也能有效进行监控。
同样参阅图2，漏电补偿电路20包含第三开关M3、第四开关M4、第三电容C3及第一比较器COMP1。第三开关M3的源极连接于电压源，接收电压源的工作电压AVDD，第三开关M3的栅极接收时脉信号CLK，第三开关M3的漏极连接第二节点N2。第三电容C3设置于第三开关M3与第三接地端GND之间，亦即第三电容C3的一端藉由第二节点N2连接至第三开关M3的漏极，当时脉信号CLK触发第三开关M3于对应的取样周期导通时，第三电容C3则藉由电压刷新而充电并维持在第二电压VD2。第四开关M4设置在第三开关M3的漏极与第二节点N2之间，第四开关M4的一端连接于第三开关M3与第三电容C3之间，另一端接地。在本实施例当中，第三开关M3可为NMOS场效应晶体管而第四开关M4可为PMOS场效应晶体管。
在本实施例当中，设置第一电容C1的电容量大于第三电容C3的电容量，例如第一电容C1的电容量可为第三电容C3的5～15倍，较佳的第一电容C1与第三电容C3的电容量比例可为10：1。由于第三电容C3较小，当产生漏电时，第二节点N2的第二电压VD2会产生较大的电压变化。第一比较器COMP1的第一输入端IN1连接于第一开关M1的源极与第一电容C1之间，即连接于第一节点N1，第二输入端IN2连接于第三开关M3的漏极与第三电容C3之间，即连接于第二节点N2。当第一输入端IN1输入的第一电压VD1与第二输入端IN2输入的第二电压VD2的电压差超过预设值，则判断产生漏电现象，由第一比较器COMP1输出第二触发信号CT2，唤醒低压检测电路30。
请参阅图3，图3为本发明实施例的漏电补偿电路电压比较示意图。如图3所示，工作电压AVDD预期是维持稳定的电压，但实际的电压状态在临界电压检测电路10当中第一节点N1的第一电压VD1可能因为电流路径IDS的电流而造成些微的压降VDdrop，如图所示，压降VDdrop的幅度可能过小而使得第一电压VD1几乎等于工作电压AVDD，临界电压检测电路10难以检测出这样的电压变异。但在加入漏电补偿电路20后，其中第二节点N2的第二电压VD2，在同样漏电状况下，会因为元件的漏电速率较高，造成第二电压VD2有较明显的压降，当第一电压VD1与第二电压VD2的电压差达到预设值COMPhys时，第一比较器COMP1可产生刷新信号，此刷新信号除了能作为唤醒低压检测电路30的第二触发信号CT2，也可作为重新刷新电容维持电压以进行工作电压取样的时脉信号CLK。
请重新参阅图2，相较于上述实施例设计第一电容C1大于第三电容C3的电容值，本实施例还可设置使第一开关M1与第三开关M3具有不同晶体管尺寸，并且使第三开关M3明显大于第一开关M1。例如第三开关M3的晶体管可为第一开关M1的5～15倍，较佳的第一开关M1与第三开关M3的晶体管比例可为1：10。由于第一电容C1经由第一开关M1的漏电速率小于第三电容C3经由第三开关M3的漏电速率，当产生漏电时，第二节点N2的第二电压VD2会产生较大的电压变化。
请参阅图4，图4为本发明另一实施例的临界电压检测电路与漏电补偿电路的电路布局图。如图所示，临界电压检测电路10包含第一开关M1、第二开关M2、第一电容C1、反向器VDET及重置开关SR。漏电补偿电路20包含第三开关M3、第三电容C3、第一电阻R1及第一比较器COMP1。与前述图2的实施例相同的元件符号指代相同或相似的元件，其相同的架构及详细说明不再重复描述。与前述实施例不同的是，本实施例设置了第一电阻R1来模拟第二开关M2的漏电路径，第一电阻R1设置在第三开关M3与第三电容C3之间，即第一电阻R1的一端连接于第三开关M3的漏极与第二节点N2之间，作为漏电补偿电路20的漏电路径。第一电阻R1的阻值可小于第二开关M2的阻值，例如第二开关M2的阻值可为第一电阻R1的阻值的5～15倍，较佳的漏电路径的第一电阻与第二开关M2的阻值比可为10：1。设置漏电路径与前述改变电容大小或开关的晶体管大小同样是为了改变漏电补偿电路20的漏电速率，当第一电阻R1具有较小的阻值时，电流更容易经由漏电路径泄漏，使得原本第二节点N2所维持的第二电压VD2也会出现更大的压降，进而在第一电压VD1与第二电压VD2的电压差超过预设电压时，检测到漏电现象发生，进而唤醒低压检测电路30。
此外，利用临界电压检测电路10与漏电补偿电路20的搭配，由第一比较器COMP1产生的第二触发信号CT2，也可作为对应取样时间的时脉信号CLK，对于电压检测电路而言，减少了设置震荡器所需的能量消耗。藉由漏电补偿电路20检测漏电现象来做为触发信号，也不同于现有固定频率的时脉信号的产生方式。详言之，现有的取样频率，是利用震荡器产生固定频率的时脉信号来控制开关，例如每0.125秒导通及刷新一次，但漏电、温度或工艺等变量导致的电压偏移往往有较大的变异性，上述频率可能过短而使开关进行不必要的导通及取样，造成无谓的电能浪费。反观本实施例所结合的临界电压检测电路10与漏电补偿电路20，在取样频率上就具有相当高的弹性，例如在室温温度约为25℃时，可约每1秒刷新一次，当处于高温环境下，例如温度为125℃时，则因为漏电速率增加而使刷新频率增加到每0.2秒一次。相反地，当温度降至低温环境，例如温度为-40℃时，则将刷新频率降至每3秒一次。这样的时脉信号操作方式，能以最有效率且省电的方式唤醒电压检测电路进行检测，进而使电压检测电路的功耗降至最低。
请参阅图5，图5为本发明实施例的低压检测电路的电路布局图。如图所示，低压检测电路30包含分压电路31及第二比较器COMP2，分压电路31包含第二电阻R2及第三电阻R3，将电压源S的电压VDD进行分压，经由第一输入端IN1输入第二比较器COMP2。第二比较器COMP2的第二输入端IN2则接收参考电压VREF。第二比较器COMP2须经由临界电压检测电路10传送的第一触发信号CT1或是漏电补偿电路20传送的第二触发信号CT2才能启动。当第二比较器COMP2接收第一触发信号CT1或第二触发信号CT2启动后，分压电路31分压取样电压源S的电压VDD，经由第二比较器COMP2比较电压VDD与参考电压VREF的大小。当电压VDD低于参考电压VREF时，第二比较器COMP2输出控制信号，此控制信号可重新刷新电压源S，使其电压VDD调整至原本设定的范围内。或者第二比较器COMP2可连接至低压重置电路LVR，藉由控制信号使低压重置电路LVR产生重置信号，将电子装置或电压源重新启动以恢复到系统初始操作电压。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于前附的权利要求书范围中。

Claims (10)

1.一种电压检测电路，连接于一电压源，其特征在于，包含：
一临界电压检测电路，包含：
一第一开关，该第一开关的漏极连接于该电压源，该第一开关的栅极接收一时脉信号，触发该第一开关于一取样周期导通；
一第一电容，设置于该第一开关与一第一接地端之间，该第一电容充电至一第一电压；
一第二开关，该第二开关的源极连接于该第一开关的源极与该第一电容之间，该第二开关的栅极连接于该电压源，当该第二开关接收该电压源的电压低于该第一电压超过一临界电压，该第二开关导通以传送一第一触发信号；以及
一第二电容，设置于该第二开关与一第二接地端之间；
一漏电补偿电路，该漏电补偿电路的漏电速率大于该临界电压检测电路的漏电速率，包含：
一第三开关，该第三开关的源极连接于该电压源，该第三开关的栅极接收该时脉信号，触发该第三开关于该取样周期导通；
一第三电容，设置于该第三开关与一第三接地端之间，该第三电容充电至一第二电压；以及
一第一比较器，包含连接于该第一开关的源极与该第一电容之间的一第一输入端及连接于该第三开关的漏极与该第三电容之间的一第二输入端，当该第一输入端输入的该第一电压与该第二输入端输入的该第二电压的电压差超过一预设值，输出该时脉信号及一第二触发信号：以及
一低压检测电路，连接于该临界电压检测电路及该漏电补偿电路，接收该第一触发信号或该第二触发信号，检测该电压源的电压是否低于一参考电压。
2.如权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，该第一电容的电容量大于该第三电容的电容量。
3.如权利要求2所述的电压检测电路，其特征在于，该第一电容与该第三电容的电容量比例为10：1。
4.如权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，该第一开关的晶体管尺寸小于该第三开关的晶体管尺寸。
5.如权利要求4所述的电压检测电路，其特征在于，该第一开关与该第三开关的晶体管尺寸比例为1：10。
6.如权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，该漏电补偿电路包含一漏电路径，设置于该第三开关与该第三电容之间。
7.如权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，该漏电路径包含一第四开关，设置于该第三开关与该第三电容之间。
8.如权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，该低压检测电路包含一分压电路及一第二比较器，该分压电路连接于该电压源，该第二比较器设置由该第一触发信号或该第二触发信号启动，比较该电压源经该分压电路输入的一输入电压与该参考电压，当该输入电压低于该参考电压时，产生一重置信号。
9.如权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，该第一电容经由该第一开关漏电的漏电速率小于该第三电容经由该第三开关漏电的漏电速率。
10.如权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，该临界电压检测电路包含一重置开关，设置与该第二电容并联。
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