CN111711172B - 一种超低功耗的欠压保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种超低功耗的欠压保护电路，第一NMOS管栅漏短接并连接第二NMOS管的栅极和偏置电流，其源极连接第二NMOS管的源极并接地；第一NPN型三极管的基极和集电极连接第一电容的一端和输入信号，其发射极连接第一电容另一端并通过第一电阻后连接第二NMOS管的漏极和比较器的正相输入端；比较器的反相输入端连接第一参考电压或第二参考电压，逻辑模块将比较器的输出信号进行反相、放大并经过一个施密特触发器后产生输出信号；当输出信号为高时表示输入信号欠压，比较器反相输入信号从第一参考电压切换为第二参考电压；当输出信号为低电平时表示输入信号正常，比较器的反相输入信号从第二参考电压切换为第一参考电压。本发明实现了零温度系数的比较点，且消除了误判。

Description

一种超低功耗的欠压保护电路
技术领域
本发明属于电源管理电路技术领域，涉及一种超低功耗的欠压保护电路。
背景技术
在电源管理电路领域，欠压保护电路被应用于很多供电电路，如DCDC转换器、LDO线性稳压器等。欠压保护电路用于对过低的输入电压进行限制，以防止变换器工作异常。
简单的欠压模块由两个分压电阻和一个三极管组成，但采用小的分压电阻时其上面的电流很大，会导致功耗变大；采用大的分压电阻时又会导致芯片面积大，成本高。另外，一般的欠压模块需要用到基准电压和所保护的输入电压的分压进行比较，但是在系统的基准电压没建立好之前，可能会出现误判情况，导致系统工作异常。
发明内容
针对上述传统欠压保护电路中采用分压电阻导致的功耗或成本问题，以及传统欠压保护电路利用基准电压进行比较导致的误判问题，本发明提出一种超低功耗的欠压保护电路，不采用分压电阻和基准电压，而是利用偏置电流模块的PTAT(绝对温度比例)电流和电压，结合比较器自身失调电压的温度特性和BJT的BE结温度特性，实现比较点为零温度系数，解决了欠压点随温度变化漂移的问题；另外由于偏置电流模块最先完成上电，不会出现误判情况。
本发明的技术方案为：
一种超低功耗的欠压保护电路，包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一NPN型三极管、第一电阻、第一电容、比较器、逻辑模块和开关模块，
第一NMOS管的栅漏短接并连接第二NMOS管的栅极和偏置电流，其源极连接第二NMOS管的源极并接地；
第一NPN型三极管的基极和集电极连接第一电容的一端和所述欠压保护电路的输入信号，其发射极连接第一电容的另一端并通过第一电阻后连接第二NMOS管的漏极和比较器的正相输入端；
比较器的反相输入端由所述开关模块控制连接第一参考电压或第二参考电压，其中第一参考电压的电压值小于第二参考电压的电压值；
所述逻辑模块将比较器的输出信号进行反相、放大并经过一个施密特触发器后产生所述欠压保护电路的输出信号；
当所述欠压保护电路的输入信号低于其下限值时，比较器正相输入端的信号低于其反相输入端的信号，比较器输出翻低，所述欠压保护电路的输出信号为高电平，表示所述欠压保护电路的输入信号为欠压状态，所述开关模块控制比较器的反相输入端连接的信号从第一参考电压切换为第二参考电压；
当所述欠压保护电路的输入信号高于其上限值时，比较器正相输入端的信号高于其反相输入端的信号，比较器输出翻高，所述欠压保护电路的输出信号为低电平，表示所述欠压保护电路的输入信号没有欠压，所述开关模块控制比较器的反相输入端连接的信号从第二参考电压切换为第一参考电压。
具体的，所述比较器包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第二低阈值NMOS管和第三低阈值NMOS管，
第三NMOS管的栅极连接第四NMOS管和第二低阈值NMOS管的栅极并作为所述比较器的正相输入端，其漏极连接第四NMOS管的源极，其源极连接第五NMOS管的源极、第六NMOS管的漏极和第九NMOS管的漏极；
第二低阈值NMOS管的漏极连接第一PMOS管的栅极和漏极以及第二PMOS管的栅极，其源极连接第四NMOS管的漏极；
第五NMOS管的栅极连接第三低阈值NMOS管的栅极并作为所述比较器的反相输入端，其漏极连接第三低阈值NMOS管的源极；
第二PMOS管的漏极连接第三低阈值NMOS管的漏极并作为所述比较器的输出端，其源极连接第一PMOS管的源极并连接电源电压；
第七NMOS管的栅极连接第六NMOS管和第八NMOS管的栅极以及第一NMOS管的栅极，其漏极连接第六NMOS管的源极，其源极连接第八NMOS管的源极并接地；
第九NMOS管的栅极连接使能信号，其源极连接第八NMOS管的漏极。
具体的，所述逻辑模块包括第三PMOS管、第十NMOS管、第十三NMOS管、第一低阈值NMOS管、施密特触发器和反相器，
第三PMOS管的栅极连接所述比较器的输出端，其源极连接电源电压，其漏极连接第十三NMOS管的漏极和施密特触发器的输入端；
第十NMOS管的栅极连接第一低阈值NMOS管的栅极和第一NMOS管的栅极，其漏极连接第一低阈值NMOS管的源极，其源极接地；
第十三NMOS管的栅极连接使能信号，其源极连接第一低阈值NMOS管的漏极；
反相器的输入端连接施密特触发器的输出端，其输出端输出所述欠压保护电路的输出信号。
具体的，所述逻辑模块还包括第十一NMOS管和第十二NMOS管，第十二NMOS管的栅极连接施密特触发器的输出端，其漏极连接第一低阈值NMOS管的源极，其源极连接第十一NMOS管的漏极；第十一NMOS管的栅极连接第一NMOS管的栅极，其源极接地。
具体的，所述开关模块包括第一传输门和第二传输门，第一传输门中NMOS管的漏极和PMOS管的源极互连并作为第一传输门的一端连接所述第二参考电压，第一传输门中NMOS管的源极和PMOS管的漏极互连并作为第一传输门的另一端连接所述比较器的反相输入端；第二传输门中NMOS管的漏极和PMOS管的源极互连并作为第二传输门的一端连接所述第一参考电压，第二传输门中NMOS管的源极和PMOS管的漏极互连并作为第二传输门的另一端连接所述比较器的反相输入端；第一反相器的输入端连接第一传输门中PMOS管的栅极和第二传输门中NMOS管的栅极，第一反相器的输出端连接第一传输门中NMOS管的栅极和第二传输门中PMOS管的栅极。
本发明的有益效果为：本发明利用PTAT(绝对温度比例)电流和电压设置比较点，另外结合比较器自身失调电压的温度特性和BJT的BE结温度特性，实现零温度系数的比较点，使得比较点不会随着温度的变化而漂移，解决了欠压点随温度变化漂移的问题；另外本发明不需要用基准电压进行比较，不会出现误判情况；不需要使用分压电阻，能够同时实现小面积和低功耗。
附图说明
图1本发明提出的一种超低功耗的欠压保护电路的拓扑结构图。
图2本发明提出的一种超低功耗的欠压保护电路中差分输入级框架图。
图3本发明中提出的一种超低功耗的欠压保护电路在实施例中的电路实现图。
注：名字以PM开头的晶体管为PMOS(P-Metal-Oxide-Semiconductor)管；名字以NM开头的晶体管为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor)管；名字以NLM开头的晶体管为低阈值NMOS(Low VT N-Metal-Oxide-Semiconductor)管。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
本发明的目的是设计一种低功耗、比较点为零温度系数的欠压保护电路，如图1所示是本发明提出的欠压保护电路拓扑结构图，包括第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一NPN型三极管Q1、第一电阻R1、第一电容C1、比较器、逻辑模块和开关模块，第一NMOS管NM1的栅漏短接并连接第二NMOS管NM2的栅极和偏置电流Ibias，其源极连接第二NMOS管NM2的源极并接地；第一NPN型三极管Q1的基极和集电极连接第一电容C1的一端和欠压保护电路的输入信号VIN，其发射极连接第一电容C1的另一端并通过第一电阻R1后连接第二NMOS管NM2的漏极和比较器的正相输入端；比较器的反相输入端由开关模块控制连接第一参考电压Vbias_ref_3或第二参考电压Vbias_ref_1，其中第一参考电压Vbias_ref_3的电压值小于第二参考电压Vbias_ref_1的电压值；逻辑模块将比较器的输出信号进行反相、放大并经过一个施密特触发器后产生欠压保护电路的输出信号UVLO_H；当欠压保护电路的输入信号低于其下限值时，比较器正相输入端的信号低于其反相输入端的信号，比较器输出翻低，欠压保护电路的输出信号UVLO_H为高电平，表示欠压保护电路的输入信号为欠压状态，开关模块控制比较器的反相输入端连接的信号从第一参考电压Vbias_ref_3切换为第二参考电压Vbias_ref_1；当欠压保护电路的输入信号高于其上限值时，比较器正相输入端的信号高于其反相输入端的信号，比较器输出翻高，欠压保护电路的输出信号UVLO_H为低电平，表示欠压保护电路的输入信号没有欠压，开关模块控制比较器的反相输入端连接的信号从第二参考电压Vbias_ref_1切换为第一参考电压Vbias_ref_3。
根据图1可以得到电路原理，本发明利用PTAT电流源产生偏置电流Ibias为第一NPN型三极管Q1做偏置，第二NMOS管NM2漏端产生的PTAT电压Vbias作为参考电源输入到迟滞比较器正相输入端。当输入电压VIN由正常状态进入欠压的异常状态，即VIN<VIL时(VIL表示输入电压下限值)，比较器正相输入端输入的电压低于其反相输入端输入的参考电压，则比较器输出OUT1翻低，其经过一个反相放大器和施密特触发器后，产生欠压保护电路的输出信号UVLO_H为高，表示此时输入电压VIN为欠压状态，此时比较器反相输入端输入的参考电压为电压较低的第一参考电压Vbias_ref_3，即迟滞比较器的下限窗口。当输入电压VIN由欠压状态转为不欠压状态，即VIN>VIH时(VIH表示输入电压上限值)，比较器正相输入端输入的电压高于其反相输入端输入的参考电压，则比较器输出OUT1翻高，其经过一个反相放大器和施密特触发器后，产生欠压保护电路的输出信号UVLO_H为低，表示此时输入电压VIN为正常状态，此时参考电压源为电压较高的第二参考电压Vbias_ref_1，即迟滞比较器的上限窗口。通过图1可以得到VIL和VIH的计算公式为：
VIL＝Vbias_ref_3+VOS+VR1+VBE1
VIH＝Vbias_ref_1+VOS+VR1+VBE1
其中，VR1为第一电阻R1上的压降，其值约为7.78mVT，VBE1为第一NPN型三极管Q1的BE结电压，其值约为0.7V，VOS为比较器的失调电压。
为计算比较器的失调电压，给出一种比较器的实现电路图如图2所示，当然其他结构的比较器同样适用于本发明。本实施例中比较器实质上为一个差分运放，失调电压的计算前提为比较器的输入对管M1和M2工作在亚阈值区，且M1和M2的漏源电压之差VDS>4VT，由于：
Figure GDA0002929841940000051
则：
Figure GDA0002929841940000052
令ID2＝ID4，得：
Figure GDA0002929841940000053
其中，ID,sub指的是工作在亚阈值区的MOS管漏极电流，m是非理想因子，μn是NMOS管的迁移率，COX是单位面积的栅氧化层电容，W/L是MOS管的宽长比，热电压VT＝kT/q，VGS是栅源电压差，VTH是阈值电压，VOS是失调电压，M4、M5的尺寸比为1:N，M1、M2的尺寸比为1:M。
由上式可得，失调电压是PTAT的，且M、N作用相反，本实施例中可以取N＝1/2，M＝16，得
VOS＝VINP-VINN＝mVTln32≈3.47mVT
由上可得：
VIL＝Vbias_ref_3+VOS+VR1+VBE1≈28.59mVT+0.7V≈1.82V
VIH＝Vbias_ref_1+VOS+VR1+VBE1≈32.48mVT+0.7V≈1.97V
本发明利用比较器的失调构成比较点的一部分，而不是靠增大第一电阻R1的阻值或者增大第一电阻R1上的电流来实现，同时实现了小面积和低功耗，且其比较点与温度成零相关特性，故其不会随着温度的变化而漂移。
如图3所示，比较器中差分输入对采用第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第二低阈值NML2串联，以及第五NMOS管NM5和第三低阈值NMOS管NLM3串联构成，差分输入对采用不同的管子数量以增加失调，另外串联第二低阈值NMOS管NLM2和第三低阈值NMOS管NLM3的方式可以提高增益。本实施例中比较器包括第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、第九NMOS管NM9、第二低阈值NMOS管NLM2和第三低阈值NMOS管NLM3，第三NMOS管NM3的栅极连接第四NMOS管NM4和第二低阈值NMOS管NLM2的栅极并作为比较器的正相输入端，其漏极连接第四NMOS管NM4的源极，其源极连接第五NMOS管NM5的源极、第六NMOS管NM6的漏极和第九NMOS管NM9的漏极；第二低阈值NMOS管NLM2的漏极连接第一PMOS管PM1的栅极和漏极以及第二PMOS管PM2的栅极，其源极连接第四NMOS管NM4的漏极；第五NMOS管NM5的栅极连接第三低阈值NMOS管NLM3的栅极并作为比较器的反相输入端，其漏极连接第三低阈值NMOS管NLM3的源极；第二PMOS管PM2的漏极连接第三低阈值NMOS管NLM3的漏极并作为比较器的输出端，其源极连接第一PMOS管PM1的源极并连接电源电压VDD；第七NMOS管NM7的栅极连接第六NMOS管NM6和第八NMOS管NM8的栅极以及第一NMOS管的栅极，其漏极连接第六NMOS管NM6的源极，其源极连接第八NMOS管NM8的源极并接地；第九NMOS管NM9的栅极连接使能信号EN_H，其源极连接第八NMOS管NM8的漏极。PTAT偏置电流Ibias通过第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2镜像到第一NPN型三极管Q1上以决定VBE和第一电阻R1上的压降大小。
逻辑模块包括第三PMOS管PM3、第十NMOS管NM10、第十三NMOS管NM13、第一低阈值NMOS管NLM1、施密特触发器SMT1和反相器INV1，其中第三PMOS管PM3为第二级共源放大管。第三PMOS管PM3的栅极连接比较器的输出端，其源极连接电源电压VDD，其漏极连接第十三NMOS管NM13的漏极和施密特触发器SMT1的输入端；第十NMOS管NM10的栅极连接第一低阈值NMOS管NLM1的栅极和第一NMOS管的栅极，其漏极连接第一低阈值NMOS管NLM1的源极，其源极接地；第十三NMOS管NM13的栅极连接使能信号，其源极连接第一低阈值NMOS管NLM1的漏极；反相器INV1的输入端连接施密特触发器SMT1的输出端，其输出端输出欠压保护电路的输出信号UVLO_H。
在本发明中引入使能控制，EN_H为外部输入的使能信号，当偏置电流Ibias模块没建立好或芯片不使能时使能信号EN_H为低，此时不需要比较器的结果，第十三NMOS管NM13的漏端直接被第三PMOS管PM3拉高，则输出信号UVLO_H为高表明输入处于异常状态。使能信号EN_H为高时，本发明提出的欠压保护电路正常工作，第八NMOS管NM8和第九NMSO管NM9给比较器的尾电流增加一股电流以提高增益。
一些实施例中，逻辑模块还包括第十一NMOS管NM11和第十二NMOS管NM12，第十二NMOS管NM12的栅极连接施密特触发器的输出端，其漏极连接第一低阈值NMOS管NLM1的源极，其源极连接第十一NMOS管NM11的漏极；第十一NMOS管NM11的栅极连接第一NMOS管的栅极，其源极接地。第十二NMOS管NM12为反馈管，实施例中加上第十一NMOS管NM11和第十二NMOS管NM12的反馈后可以减小误判，防止比较器输出在翻转点附近来回误翻转。
比较器反相输入端连接的参考电压通过开关模块进行选择，如图3所示，开关模块包括第一传输门TG1和第二传输门TG2，第一传输门TG1中NMOS管的漏极和PMOS管的源极互连并作为第一传输门TG1的一端连接第二参考电压Vbias_ref_1，第一传输门TG1中NMOS管的源极和PMOS管的漏极互连并作为第一传输门的另一端连接比较器的反相输入端；第二传输门TG2中NMOS管的漏极和PMOS管的源极互连并作为第二传输门TG2的一端连接第一参考电压Vbias_ref_3，第二传输门TG2中NMOS管的源极和PMOS管的漏极互连并作为第二传输门的另一端连接比较器的反相输入端；第一反相器INV1的输入端连接第一传输门TG1中PMOS管的栅极和第二传输门TG2中NMOS管的栅极，第一反相器INV1的输出端连接第一传输门TG1中NMOS管的栅极和第二传输门TG2中PMOS管的栅极。当输出信号UVLO_H为高的时候说明输入欠压，欠压后输入电压应该恢复到一个更高的电压才能解除欠压状态，所以欠压时开关模块控制比较器反相输入端选择较高的第二参考电压Vbias_ref_1。相反，当输出信号UVLO_H为低时开关模块控制比较器反相输入端选择较低的第一参考电压Vbias_ref_3。
综上所述，本发明通过PTAT基准电流Ibias为第一NPN型三极管Q1做偏置，产生的PTAT电压Vbias输入到比较器正相输入端，通过开关模块选择第一参考电压Vbias_ref_3或第二参考电压Vbias_ref_1输入到比较器反相输入端，在欠压保护电路的输入信号低于输入信号下限值时，欠压保护电路的输出信号为高电平，表示此时输入电压为欠压状态，比较器反相输入端的参考电压由电压较低的第一参考电压Vbias_ref_3转换为电压较高的第二参考电压Vbias_ref_1；在欠压保护电路的输入信号高于输入信号上限值时，欠压保护电路的输出信号为低电平，表示此时输入电压为正常状态，比较器反相输入端的参考电压由电压较高的第一参考电压Vbias_ref_3转换为电压较低的第二参考电压Vbias_ref_1。本发明提出的欠压保护电路方案在0.18μm CMOS工艺下功耗极低，同时利用比较器的失调构成比较点的一部分，结合比较器自身失调电压的温度特性以及BJT的BE结温度特性使得欠压保护电路比较点不会随着温度的变化而漂移，能够保证欠压点与温度呈零系数相关性。
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 (5)

1.一种超低功耗的欠压保护电路，其特征在于，包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一NPN型三极管、第一电阻、第一电容、比较器、逻辑模块和开关模块，
第一NMOS管的栅漏短接并连接第二NMOS管的栅极和偏置电流，其源极连接第二NMOS管的源极并接地；
第一NPN型三极管的基极和集电极连接第一电容的一端和所述欠压保护电路的输入信号，其发射极连接第一电容的另一端并通过第一电阻后连接第二NMOS管的漏极和比较器的正相输入端；
比较器的反相输入端由所述开关模块控制连接第一参考电压或第二参考电压，其中第一参考电压的电压值小于第二参考电压的电压值；
所述逻辑模块将比较器的输出信号进行反相、放大并经过一个施密特触发器后产生所述欠压保护电路的输出信号；
当所述欠压保护电路的输入信号低于其下限值时，比较器正相输入端的信号低于其反相输入端的信号，比较器输出翻低，所述欠压保护电路的输出信号为高电平，表示所述欠压保护电路的输入信号为欠压状态，所述开关模块控制比较器的反相输入端连接的信号从第一参考电压切换为第二参考电压；
当所述欠压保护电路的输入信号高于其上限值时，比较器正相输入端的信号高于其反相输入端的信号，比较器输出翻高，所述欠压保护电路的输出信号为低电平，表示所述欠压保护电路的输入信号没有欠压，所述开关模块控制比较器的反相输入端连接的信号从第二参考电压切换为第一参考电压。
2.根据权利要求1所述的超低功耗的欠压保护电路，其特征在于，所述比较器包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第二低阈值NMOS管和第三低阈值NMOS管，
第三NMOS管的栅极连接第四NMOS管和第二低阈值NMOS管的栅极并作为所述比较器的正相输入端，其漏极连接第四NMOS管的源极，其源极连接第五NMOS管的源极、第六NMOS管的漏极和第九NMOS管的漏极；
第二低阈值NMOS管的漏极连接第一PMOS管的栅极和漏极以及第二PMOS管的栅极，其源极连接第四NMOS管的漏极；
第五NMOS管的栅极连接第三低阈值NMOS管的栅极并作为所述比较器的反相输入端，其漏极连接第三低阈值NMOS管的源极；
第二PMOS管的漏极连接第三低阈值NMOS管的漏极并作为所述比较器的输出端，其源极连接第一PMOS管的源极并连接电源电压；
第七NMOS管的栅极连接第六NMOS管和第八NMOS管的栅极以及第一NMOS管的栅极，其漏极连接第六NMOS管的源极，其源极连接第八NMOS管的源极并接地；
第九NMOS管的栅极连接使能信号，其源极连接第八NMOS管的漏极。
3.根据权利要求1或2所述的超低功耗的欠压保护电路，其特征在于，所述逻辑模块包括第三PMOS管、第十NMOS管、第十三NMOS管、第一低阈值NMOS管、施密特触发器和反相器，
第三PMOS管的栅极连接所述比较器的输出端，其源极连接电源电压，其漏极连接第十三NMOS管的漏极和施密特触发器的输入端；
第十NMOS管的栅极连接第一低阈值NMOS管的栅极和第一NMOS管的栅极，其漏极连接第一低阈值NMOS管的源极，其源极接地；
第十三NMOS管的栅极连接使能信号，其源极连接第一低阈值NMOS管的漏极；
反相器的输入端连接施密特触发器的输出端，其输出端输出所述欠压保护电路的输出信号。
4.根据权利要求3所述的超低功耗的欠压保护电路，其特征在于，所述逻辑模块还包括第十一NMOS管和第十二NMOS管，第十二NMOS管的栅极连接施密特触发器的输出端，其漏极连接第一低阈值NMOS管的源极，其源极连接第十一NMOS管的漏极；第十一NMOS管的栅极连接第一NMOS管的栅极，其源极接地。
5.根据权利要求1、2或4任一项所述的超低功耗的欠压保护电路，其特征在于，所述开关模块包括第一传输门和第二传输门，第一传输门中NMOS管的漏极和PMOS管的源极互连并作为第一传输门的一端连接所述第二参考电压，第一传输门中NMOS管的源极和PMOS管的漏极互连并作为第一传输门的另一端连接所述比较器的反相输入端；第二传输门中NMOS管的漏极和PMOS管的源极互连并作为第二传输门的一端连接所述第一参考电压，第二传输门中NMOS管的源极和PMOS管的漏极互连并作为第二传输门的另一端连接所述比较器的反相输入端；第一反相器的输入端连接第一传输门中PMOS管的栅极和第二传输门中NMOS管的栅极，第一反相器的输出端连接第一传输门中NMOS管的栅极和第二传输门中PMOS管的栅极。
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