CN110501548B - 一种用于mcu的微功耗低电压检测电路 - Google Patents

一种用于mcu的微功耗低电压检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及检测电路的技术领域，公开了一种用于MCU的微功耗低电压检测电路，用于MCU上电和掉电过程中的低电压检测，包括镜像电流模块，其输入端与MCU供电电压相连，输出端与比较模块的输入端、镇流电阻的一端相连，比较模块的输入端还与镇流电阻的一端相连，输出端与负载的一端、整形模块相连，镇流电阻、负载的另一端接地，镜像电流模块用于产生随MCU供电电压的变化而变化的一对镜像电流，其分别流过比较模块和镇流电阻；比较模块用于根据镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压变化，进行翻转输出；整形模块用于对比较模块的翻转输出进行整形，输出对应的高电平和低电平。本发明的电路结构紧凑，控制方便，便于普及和推广。

Description

一种用于MCU的微功耗低电压检测电路
技术领域
本发明涉及检测电路的技术领域，特别是一种用于MCU的微功耗低电压检测电路。
背景技术
微处理器MCU是一个复杂的系统，包括ROM，SRAM，SFR，指令运算单元以及各种外设。为了系统稳定可靠地工作，供电电压VDD必须在一定电压范围内，当电压太高时，会损坏电路，而电压太低时，晶体管工作不正常，尤其是ROM，会发生读出错误的现象。
工作电压范围可以由用户决定，但是有一个过程用户无法控制，就是MCU必须上电和掉电。在上电和掉电过程中，当VDD小于一定的电压时，MCU必须停止工作，尤其是在一些危险操作时，比如爆破。如果在上电或掉电过程中出现系统执行错误，发生不可控制的爆炸，损失将是巨大的。
低电压检测电路就是监视MCU的供电是否低于某个低电压的电路，当供电电压低于某个电压时，MCU停止工作，处于复位状态，供电电压只有高于这个电压，MCU才开始工作，保证MCU稳定可靠的工作。这个电压一般叫复位电压。
一般的低电压检测电路有参考电压产生电路，比较器电路等，电流都较大。考虑到MCU静态功耗的要求，在使用时，允许低电压检测电路可以关掉。但是有些应用不允许低电压检测电路关掉，但是对静态功耗又有要求，这就需要一种微功耗的低电压检测电路。
发明内容
本发明提供一种用于MCU的微功耗低电压检测电路，解决了现有低电压检测电路工作电流比较大，功耗较大，不能满足MCU静态功耗的要求等问题。
本发明可以通过以下技术方案实现：
一种用于MCU的微功耗低电压检测电路，用于MCU上电和掉电过程中的低电压检测，包括镜像电流模块，所述镜像电流模块的输入端与MCU供电电压相连，输出端与比较模块的输入端、镇流电阻的一端相连，所述比较模块的输入端还与镇流电阻的一端相连，输出端与负载的一端、整形模块相连，所述镇流电阻、负载的另一端接地，
所述镜像电流模块用于产生随MCU供电电压的变化而变化的一对镜像电流，其分别流过比较模块和镇流电阻；
所述比较模块用于根据镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压变化，进行翻转输出；
所述整形模块用于对比较模块的翻转输出进行整形，输出对应的高电平和低电平。
进一步，所述比较模块包括宽长比不同的两个PMOS场效应管，根据两个所述PMOS场效应管的导通电压不同，以及镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压变化，进行翻转输出，所述镜像电流模块用于通过宽长比相同的两个PMOS场效应管产生一对镜像电流。
进一步，在MCU上电过程中，MCU供电电压逐渐升高，使得镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压逐渐变大，进而使得大的宽长比的PMOS场效应管由导通变为关断，实现比较模块的翻转输出；在MCU掉电过程中，MCU供电电压逐渐减小，使得镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压逐渐变小，进而使得大的宽长比的PMOS场效应管由关断变为导通，实现比较模块的再次翻转输出。
进一步，所述比较模块中两个所述PMOS场效应管的源极均与镜像电流模块的一个镜像电流输出端相连，大的宽长比的PMOS场效应管M3的栅极与镇流电阻的一端相连，漏极与负载的一端、整形模块相连，小的宽长比的PMOS场效应管M2的栅极接地，漏极与负载的一端相连。
进一步，所述负载包括两个NMOS场效应管M4、M5，其栅极均与PMOS场效应管M2的漏极相连，所述NMOS场效应管M4的漏极也与PMOS场效应管M2的漏极相连，源极接地，所述NMOS场效应管M5的漏极与PMOS场效应管M3的漏极相连，源极接地。
进一步，所述镜像电流模块包括宽长比相同的两个PMOS场效应管M0、M1，其源极均与MCU供电电压相连，其栅极均与镇流电阻的一端相连，所述PMOS场效应管M0的漏极与比较模块的输入端相连，所述PMOS场效应管M1的漏极与镇流电阻的一端相连。
进一步，所述镇流电阻采用非硅化的P型掺杂多晶硅电阻，具有负温度系数，所述整形模块包括级连的两个反向器，或者一个施密特触发器和一个反相器。
本发明有益的技术效果在于：
以镜像电流模块产生的一对镜像电流作为比较基础，使其分别流过比较模块和镇流电流，以镜像电流模块上的电压和镇流电阻上的电压作为比较模块的输入，随着MCU上电或者掉电过程中的供电电压的变化，使得镜像电流也发生相应的变化，进而使镜像电流模块上的电压和镇流电阻上的电压也发生相应的变化，控制比较模块中大的宽长比的PMOS场效应管的导通和关断，从而实现比较模块的翻转输出，完成对MCU上电或者掉电过程中的低电压检测，无需基准参考电压电路，通过合理选择镇流电阻的阻值和类型，使整个电路中所有的场效应管均工作为亚阈值状态，使整个电路消耗的电流非常小，从而使整个电路的功耗较小，满足MCU的静态功耗要求，同时还可以保证检测点的零温漂，进一步保证整个系统运行的稳定性。另外，整个电路结构紧凑，实用性强，便于普及和推广。
附图说明
图1为本发明的总体电路结构示意图；
图2为本发明的MCU上电和掉电过程中的各个器件的电压变化示意图；
图3为本发明的MCU上电和掉电过程中的各个器件的电流变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进一步详细说明。
参照附图1，本发明提供了一种用于MCU的微功耗低电压检测电路，用于MCU上电和掉电过程中的低电压检测，包括镜像电流模块，该镜像电流模块的输入端与MCU供电电压相连，输出端与比较模块的输入端、镇流电阻的一端相连，该比较模块的输入端还与镇流电阻的一端相连，输出端与负载的一端、整形模块相连，该镇流电阻、负载的另一端接地。该镜像电流模块用于产生随MCU供电电压的变化而变化的一对镜像电流，其分别流过比较模块和镇流电阻；该比较模块用于根据镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压变化，进行翻转输出；该整形模块用于对比较模块的翻转输出进行整形，输出对应的高电平和低电平。这样，以镜像电流模块产生的一对镜像电流作为比较基础，使其分别流过比较模块和镇流电流，以镜像电流模块上的电压和镇流电阻上的电压作为比较模块的输入，随着MCU上电或者掉电过程中的供电电压的变化，使得镜像电流也发生相应的变化，进而使镜像电流模块上的电压和镇流电阻上的电压也发生相应的变化，控制比较模块的翻转输出，完成对MCU上电或者掉电过程中的低电压检测，整个电路无需基准电压参考电路，大大降低了电路功耗，可以满足MCU静态功耗的要求。
该镜像电流模块用于通过宽长比相同的两个PMOS场效应管M0、M1产生一对镜像电流，该比较模块包括宽长比不同的两个PMOS场效应管M2、M3，根据两个PMOS场效应管的导通电压不同，以及镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压变化，进行翻转输出。
具体地，两个PMOS场效应管M0、M1的源极均与MCU供电电压相连，其栅极均与镇流电阻R0的一端相连，PMOS场效应管M0的漏极与比较模块的输入端相连，PMOS场效应管M1的漏极与镇流电阻R0的一端相连。两个PMOS场效应管的源极M2、M3均与镜像电流模块的一个镜像电流输出端即PMOS场效应管M0的漏极相连，大的宽长比的PMOS场效应管M3的栅极与镇流电阻R0的一端相连，漏极与负载的一端、整形模块相连，小的宽长比的PMOS场效应管M2的栅极接地，漏极与负载的一端相连。该负载包括两个NMOS场效应管M4、M5，其栅极均与PMOS场效应管M2的漏极相连，NMOS场效应管M4的漏极也与PMOS场效应管M2的漏极相连，源极接地，NMOS场效应管M5的漏极与PMOS场效应管M3的漏极相连，源极接地。由于比较模块的输出不是满摆幅输出即0-VDD，需要使用一个buffer电路可以把其输出整形为满摆幅输出，因此，该整形模块可以采用级连的两个反向器，或者一个施密特触发器和一个反相器等来对比较模块的翻转输出进行整形，输出对应的高电平和低电平。这样，在MCU上电过程中，MCU供电电压逐渐升高，镜像电流模块的一对镜像电流逐渐变大，使得镇流电阻R0上的电压和镜像电流模块上的电压逐渐变大，PMOS场效应管M3的栅极和源极之间的电压逐渐减小，进而使得其由导通变为关断，实现比较模块的翻转输出；在MCU掉电过程中，MCU供电电压逐渐减小，镜像电流模块的一对镜像电流逐渐变小，使得镇流电阻R0上的电压和镜像电流模块上的电压逐渐变小，PMOS场效应管M3的栅极和源极之间的电压逐渐减大，进而使得其由关断变为导通，实现比较模块的再次翻转输出，从而完成在MCU上电或者掉电过程中的低电压检测。
结合附图2和3，详细说明采用本发明的检测电路对MCU上电和掉电过程中的低电压检测，基本上可以分为四个阶段：
第一阶段：
上电开始时，MCU供电电压VDD很低，M1不足以导通，所有器件都没有电流，所以整个电路的功耗为零。在这一阶段内，整个低压监测电路的输出处于不定态，无需关注此时的状态。
第二阶段：
随着VDD逐渐上升，M1开始导通，R0中出现电流，R0上端电压VR0逐渐提高，比较模块的输入对M2和M3中电流同时从零开始增加，同时V1节点的电压也在慢慢上升，导致M3的VGS慢慢减小。初始时M3的导通阻抗很小，所以比较模块的输出端V3电压处于VDD/2以上，后面的buffer整形电路输出高电平。但是此时M3的VGS在逐渐缩小，而M2的VGS在逐渐增加，当M3的VGS不足以维持M3导通时，M3关断，第二阶段结束。
第三阶段：
由于M3关断，此时流过M0的电流全部流过M2，所以比较模块的输出变低，实现翻转，此时Buffer整形电路输出低电平，即当VDD达到某一电压值时，比较模块翻转，此时VDD的电压就是本发明的低电压检测电路的检测电压值，这个电压值大概等于M1的VGS与M2的VGS之和，具体可以参考如下公式推导。VDD电压继续上升到工作电压后，MCU进入工作状态，由于M3的栅极电压始终高于源极电压，保持关断状态，直到VDD电压下降到某一电压值。
由于M0和M1是同样宽长比的场效应管，假设镇流电阻R0上端的电压为VR0，所以镇流电阻R0中的电流IR0由以下表达式获得：
Figure BDA0002135529560000061
其中，VDD表示本发明的的低压检测电路所要监测的电压，VR0表示镇流电阻R0上端的电压值，μp表示PMOS的沟通迁移率，μn表示NMOS的沟道迁移率，Cox表示单位面积的栅氧化层电容，Wn表示编号为n的场效应MOS管的栅宽，Ln表示编号为n的场效应MOS管的沟道长度，VTHP表示PMOS管的阈值电压，通常VTHP是一个负数，为了简化写法，下面的公式中把它假定成绝对值正数来计算；VTHN表示NMOS管的阈值电压，VGSP1表示PMOS管M1的栅极和源极的压差。
由于M3为宽长比很大的场效应管，可以近似认为VR0＝V1时，这个管子才关断，所以在比较模块翻转时，近似认为VR0＝V1。在比较模块翻转后，M3中不再通过电流，而M2通过了与M0中相同的电流，此时，M2中流过的电流大小IM2＝IR0＝IM0。那么M2的电流表达式为：
Figure BDA0002135529560000062
其中，V1表示图1中标注的V1节点的电压，V2表示图1中标注的V2节点的电压。
①和②相除得：
Figure BDA0002135529560000063
化简得：
Figure BDA0002135529560000064
也可以得到：
Figure BDA0002135529560000065
其中，VOD1表示PMOS管M1的过驱动电压，因为通过M1的电流很小，所以PMOS管M1的过驱动电压非常小，这里我们近似VOD1≈0V。
式④可改写为：
Figure BDA0002135529560000071
化简得到：VDD≈2VTHP，即此时VDD电压值大约等于M1的VGS与M2的VGS之和，以两个PMOS管的导通阈值电压之和作为本发明的检测电路的低电压检测点可以很好地监测MCU的供电电压，避免其由于电压太低，导致晶体管工作不正常，尤其是ROM，会发生读出错误的现象，提供系统运行的稳定性。同时，一般来说，内部逻辑电路的供电电压只要能保证逻辑门的输入电平能够使逻辑门输出翻转即可。对于本发明的检测电路来说，高于场效应管的阈值电压的输入即可使场效应管管导通，为了使逻辑电路更加可靠翻转，本发明的低电压检测点VDD值超过两倍VTHP，其逻辑门的翻转会更加有保障。
第四阶段：
同理，在掉电过程中，VDD电压值由工作电压开始下降，R0的上端电压VR0也下降，M3的导通能力提高，直到VDD电压下降到某一电压值，同样，这个电压值也大约是两个PMOS管的导通阈值电压之和，M3的VGS达到导通阈值，M3导通，比较模块再次翻转，Buffer整形电路输出由低电平变为高电平。
通过以上分析，我们可以知道本发明的检测电路的电流消耗主要来自镇流电阻R0支路和比较模块的消耗，Buffer整形电路是没有静态电流的，而比较模块消耗的总功耗都来自于尾部场效应管M0，所以整个系统的总功耗是镇流电阻R0支路和镜像电流模块支路M0的电流总和，即总消耗电流大小为：IRtotal＝2IR0
由上面的公式①得到流过镇流电阻R0的电流大小为：
Figure BDA0002135529560000072
Figure BDA0002135529560000073
上述参数中只有VR0和IR0是未知的，可以直接求出，当其它参数固定时，R0越大，IR0越小。例如供电电压VDD为3.3V，镇流电阻R0为50MΩ时，PMOS管M1的VGS即PMOS场效应管的栅极到源极的压差约为0.7V，
Figure BDA0002135529560000074
大概为(3.3V-0.7V)/50MΩ＝52nA，那么IRtotal＝2IR0＝104nA，整个低电压检测电路消耗的电流非常小，其功耗也必然非常小，同时，如果选择镇流电阻R0的阻值略大于50MΩ，会使整个低电压检测电路中的场效应管都工作在亚阈值状态，其工作电流也非常小，从而进一步降低了整个低电压检测电路的功耗，使其满足MCU的静态功耗要求。
另外，温漂也是电路稳定性能的一个重要指标，对于MCU电路的可靠工作点电压监测值，一般要求零温漂，以保证不同温度下，场效应管可靠工作的最低电源不会发生很大波动，系统会更加可靠。还有一个重要作用是，零温漂可以提高芯片的工作电压范围，避免由于芯片所处环境的温度变化，使低压检测电路的电压监测值发生改变，从而使芯片的工作电压范围改变，降低了产品的竞争力，进而降低了营销利润。
举例来说，某个工艺平台的可靠工作电压范围是1.8V-3.6V，而我们设计的低电压检测电路恰好是1.8V零温漂，那么芯片的工作范围就是全温度范围下1.8V-3.6V。但是如果我们设计的低压检测电路有温漂，在-40℃-125℃下，检测点随着温度不同，变化范围是1.6V-2.0V，那么最终整颗芯片的工作电压范围就只有2.0V-3.6V了，少了0.2V的工作范围，会使低于2.0V以后芯片由于低压检测电路的作用有可能会产生复位，芯片就不会工作了。因此，本发明的低电压检测电路需要具有零温漂。
由于VTHP是一个负温系数的参数，先忽略符号，假设为正，而VR0＝VDD-VGSP1为正温度系数，先假定镇流电阻R0为零温，R0为其它温度系数也同理推导。由上文中④式可知，式中的第一项
Figure BDA0002135529560000081
由于VR0项为正温系数，那么第一项整体就是正温系数；式中第二项
Figure BDA0002135529560000082
中的VTHP项为负温系数，而
Figure BDA0002135529560000083
项是不确定的。
当
Figure BDA0002135529560000084
时，
Figure BDA0002135529560000085
项为正温系数；
当
Figure BDA0002135529560000086
时，
Figure BDA0002135529560000087
项为负温系数。
因此，可以通过灵活调节场效应管M1和M2的宽长比来调整第二项的温度系数的正负。
从④式可以看出，第一项的系数
Figure BDA0002135529560000091
一定大于第二项的系数
Figure BDA0002135529560000092
在VR0为正温系数的情况下，要保证最终零温，第二项的温漂必须负温系数，也就是必须满足
Figure BDA0002135529560000093
并且VTHP负温的倾向性要比VR0正温的倾向性大才可以保证最终整体的零温系数。
在M1和M2同样工艺的情况下，忽略镇流电阻R0的温漂。一般来说VTHP负温的倾向性与VR0正温的倾向性是没有差别的，都与PMOS管的VTHP温漂相关，但是此时要保证零温，又必须得到VTHP负温的倾向性要比VR0正温的倾向性大的效果。此时就要用到镇流电阻R0的温漂，本发明中使用poly形式的电阻，非salicide形式，具有负的温漂系数，能够实现减小VR0项的正温漂系数的效果。所以，本发明的镇流电阻R0采用非硅化的P型掺杂多晶硅电阻Non-Saliside P+Polyresistor，其具有负的温漂系数，在灵活调节M1和M2宽长比的情况下，最终可以实现监测点零温漂。
本发明检测电路利用两个宽长比相同的PMOS管产生一对镜像电流，借助宽长比不同的两个PMOS管组成比较模块，以镜像电流模块上的电压和镇流电阻上的电压作为比较模块的输入，随着MCU上电或者掉电过程中的供电电压的变化，使得镜像电流也发生相应的变化，进而使镜像电流模块上的电压和镇流电阻上的电压也发生相应的变化，控制比较模块中大的宽长比的PMOS场效应管的导通和关断，从而实现比较模块的翻转输出，完成对MCU上电或者掉电过程中的低电压检测，无需基准参考电压电路，通过合理选择镇流电阻的阻值和类型，使整个电路中所有的场效应管均工作为亚阈值状态，使整个电路消耗的电流非常小，从而使整个电路的功耗较小，满足MCU的静态功耗要求，同时还可以保证检测点的零温漂，进一步保证整个系统运行的稳定性。另外，整个电路结构紧凑，实用性强，便于普及和推广。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种用于MCU的微功耗低电压检测电路，其特征在于：用于MCU上电和掉电过程中的低电压检测，包括镜像电流模块，所述镜像电流模块的输入端与MCU供电电压相连，输出端与比较模块的输入端、镇流电阻的一端相连，所述比较模块的输入端还与镇流电阻的一端相连，输出端与负载的一端、整形模块相连，所述镇流电阻、负载的另一端接地，
所述镜像电流模块用于产生随MCU供电电压的变化而变化的一对镜像电流，其分别流过比较模块和镇流电阻；
所述比较模块用于根据镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压变化，进行翻转输出，包括宽长比不同的两个PMOS场效应管，根据两个所述PMOS场效应管的导通电压不同，以及镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压变化，进行翻转输出；
所述整形模块用于对比较模块的翻转输出进行整形，输出对应的高电平和低电平；
所述负载包括两个NMOS场效应管M4、M5。
2.根据权利要求1所述的用于MCU的微功耗低电压检测电路，其特征在于：所述镜像电流模块用于通过宽长比相同的两个PMOS场效应管产生一对镜像电流。
3.根据权利要求2所述的用于MCU的微功耗低电压检测电路，其特征在于：在MCU上电过程中，MCU供电电压逐渐升高，使得镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压逐渐变大，进而使得大的宽长比的PMOS场效应管由导通变为关断，实现比较模块的翻转输出；在MCU掉电过程中，MCU供电电压逐渐减小，使得镇流电阻上的电压和镜像电流模块上的电压逐渐变小，进而使得大的宽长比的PMOS场效应管由关断变为导通，实现比较模块的再次翻转输出。
4.根据权利要求2所述的用于MCU的微功耗低电压检测电路，其特征在于：所述比较模块中两个所述PMOS场效应管的源极均与镜像电流模块的一个镜像电流输出端相连，大的宽长比的PMOS场效应管M3的栅极与镇流电阻的一端相连，漏极与负载的一端、整形模块相连，小的宽长比的PMOS场效应管M2的栅极接地，漏极与负载的一端相连。
5.根据权利要求4所述的用于MCU的微功耗低电压检测电路，其特征在于：所述NMOS场效应管M4、M5的栅极均与PMOS场效应管M2的漏极相连，所述NMOS场效应管M4的漏极也与PMOS场效应管M2的漏极相连，源极接地，所述NMOS场效应管M5的漏极与PMOS场效应管M3的漏极相连，源极接地。
6.根据权利要求2所述的用于MCU的微功耗低电压检测电路，其特征在于：所述镜像电流模块包括宽长比相同的两个PMOS场效应管M0、M1，其源极均与MCU供电电压相连，其栅极均与镇流电阻的一端相连，所述PMOS场效应管M0的漏极与比较模块的输入端相连，所述PMOS场效应管M1的漏极与镇流电阻的一端相连。
7.根据权利要求2所述的用于MCU的微功耗低电压检测电路，其特征在于：所述镇流电阻采用非硅化的P型掺杂多晶硅电阻，具有负温度系数，所述整形模块包括级连的两个反向器，或者一个施密特触发器和一个反相器。
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