DE10120147B4

DE10120147B4 - Schaltung zur Detektion von kurzen Spannungseinbrüchen in einer Versorgungsspannung

Info

Publication number: DE10120147B4
Application number: DE10120147A
Authority: DE
Inventors: Ernst Bretschneider
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: US6751079B2; US20020186038A1; DE10120147A1

Abstract

Schaltung zur Detektion von kurzen Spannungseinbrüchen in einer Versorgungsspannung (Vsup), enthaltend
a) einen Komparator (C) mit einem ersten Eingang (VN) und einem zweiten Eingang (VP) sowie mit einem Ausgang (OUT) zur Anzeige eines detektierten Spannungseinbruchs;
b) einen zwischen der Versorgungsspannung (Vsup) und Masse liegenden Spannungsteiler (R1, R2, R3), an dem der erste (VN) beziehungsweise zweite Eingang (VP) des Komparators (C) eine erste (Vref1) beziehungsweise zweite (Vmes) Spannung abgreift;
c) einen ersten Kondensator (C1), der zwischen dem ersten Eingang (VN) des Komparators (C) und Masse liegt;
d) eine Unterbrechungsschaltung (N1, C3, P1, C2), welche die Verbindung zwischen dem ersten Eingang (VN) des Komparators (C) und dem Spannungsteiler unterbricht, wenn ein Spannungseinbruch in der Versorgungsspannung auftritt,
wobei die Unterbrechungsschaltung einen ersten Transistor (N1) aufweist, dessen Source-Drain-Strecke in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten Eingang (VN) des Komparators (C) und dem Spannungsteiler liegt, und dessen Gate von einer bei...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Detektion von kurzen Spannungseinbrüchen in einer Versorgungsspannung, enthaltend einen Komparator mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang sowie einen Ausgang zur Anzeige eines detektierten Spannungseinbruchs.
Stand der Technik
Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der WO 98/50859 bekannt. Die genannte Schaltung ist ein integrierter Bestandteil einer sogenannten Power-On Reset-Schaltung, welche dazu dient, nach dem Einschalten einer Versorgungsspannung die Elemente einer zugehörigen integrierten mikroelektronischen Schaltung in einen definierten Ausgangszustand zu bringen. Die herkömmliche Power-On Reset-Schaltung arbeitet im Allgemeinen integrativ und benötigt daher stets einen angemessenen Zeitraum zur Registrierung einer Schwankung der Versorgungsspannung. Einer derartigen Schaltung entgehen daher in ungepuffert betriebenen Schaltungen sehr kurze (typischerweise weniger als 1 μs lange) und tiefe Versorgungseinbrüche, die als sogenannte Glitchpulse bezeichnet werden. Diese sind nur sehr schwer zu erfassen, können jedoch das Verhalten der Schaltung bis zur Fehlfunktion hin stören. Gemäß der WO 98/50859 wird daher eine bekannte Power-On Reset-Schaltung um einen ”Glitchdetektor” erweitert, welcher speziell darauf abgestimmt ist, kurzzeitige Spannungseinbrüche zu detektieren, damit anschließend sicherheitshalber ein Reset der Schaltung durchgeführt werden kann.
Das bei dem genannten Glitchdetektor ausgenutzte Grundprinzip besteht in der gezielten Entladung eines Kondensators bei einem auftretenden Spannungseinbruch in der Versorgungsspannung und der Auswertung der darauf folgenden Aufladekurve des Kondensators mittels eines Komparators. Der Glitchdetektor benötigt dabei eine Referenzspannung für den negativen Komparatoreingang und eine zusätzliche Referenzspannung für das Gate eines Transistors. Derartige Referenzspannungen stehen jedoch zumindest beim Einschalten der Versorgungsspannung nicht zur Verfülgung, was die Anwendung der Schaltung einschränkt. Darüber hinaus ist die bekannte Schaltung des Glitchdetektors stark von den Schwellenspannungen der verwendeten Transistoren abhängig.
US 4 260 907 offenbart einen Power-On-Reset-Schaltkreis. Der Schaltkreis umfasst einen Spannnungsteiler mit zwei Widerständen, die zwischen einer Spannungsversorgung und Masse in Reihe geschaltet sind. Ein gemeinsamer Kontaktpunkt zwischen den beiden Widerständen ist mit einem (+)-Eingang eines Spannungsvergleichers verbunden. Der Kontaktpunkt ist zusätzlich über eine Diode mit dem (–)-Eingang des Spannungsvergleichers verbunden. Ein (–)-Eingang des Spannungsvergleichers ist außerdem über eine Parallelschaltung eines Kondensators mit einem weiteren Widerstand mit Masse verbunden.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zur Detektion von kurzzeitigen Spannungseinbrüchen in einer Versorgungsspannung bereitzustellen, welche einen breiteren Anwendungsbereich und eine höhere Zuverlässigkeit der Funktion aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Schaltung enthält demnach

a) einen Komparator mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang sowie mit einem Ausgang zur Anzeige eines detektierten Spannungseinbruchs;
b) einen zwischen der Versorgungsspannung und Masse liegenden Spannungsteiler, an dem der erste Eingang des Komparators eine erste und der zweite Eingang des Komparators eine zweite Spannung abgreift;
c) einen ersten Kondensator, der zwischen dem ersten Eingang des Komparators und Masse liegt;
d) eine Unterbrechungsschaltung, welche die Verbindung zwischen dem ersten Eingang des Komparators und dem Spannungsteiler unterbricht, wenn ein Spannungseinbruch in der Versorgungsspannung auftritt.

Durch die beschriebene Schaltung werden die beiden Eingänge des Komparators bei eingeschalteter Versorgungsspannung auf zwei verschiedene Spannungen gelegt, deren Größe durch die Abgriffe am Spannungsteiler frei einstellbar ist. Eine der beiden Spannungen (vorzugsweise die näher beim Massepotential gelegene) wird im stationären Zustand zusätzlich dem genannten ersten Kondensator aufgeprägt. Im Falle eines Spannungseinbruches wird dann die Verbindung zwischen dem ersten Eingang des Komparators und dem Spannungsteiler unterbrochen, so dass der erste Eingang nur noch am ersten Kondensator liegt und somit auf dem vorherigen Spannungsniveau, das im Kondensator gespeichert ist, gehalten wird. Der andere Eingang des Komparators liegt dagegen unverändert am Spannungsteiler an, so dass er dem Spannungseinbruch proportional folgt. Wenn der Spannungseinbruch dann tief genug ist, tritt der Zustand ein, dass das veränderliche Potential am zweiten Eingang des Komparators über diejenige Spannung hinaus an das Massepotential heranrückt, bei der der unveränderliche erste Eingang liegt. Es kommt daher zu einer Polaritätsumkehr an den Eingängen des Komparators, woraufhin an dessen Ausgang ein entsprechendes Signal erzeugt wird. Dieses Signal zeigt dann die Detektion eines Spannungseinbruches an.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltung ist es möglich, durch Variation der Abgriffe am Spannungsteiler das zu detektierende Spannungseinbruchsniveau zu verändern und die Schaltung somit flexibel den jeweiligen Bedürfnissen anzupassen. Darüber hinaus werden an den Komparatoreingängen keine Referenzspannungen benötigt.
Gemäß einer Weiterbildung der Unterbrechungsschaltung enthält diese einen ersten Transistor, dessen Source-Drain-Strecke in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten Eingang des Komparators und dem Spannungsteiler liegt, und dessen Gate von einer Spannung gesteuert wird, welche sich bei einem Spannungseinbruch proportional mit dem Spannungseinbruch dem Massepotential nähert. der bei ungestörter Versorgungsspannung durchlässig geschaltete Transistor wird daraufhin gesperrt und trennt den ersten Eingang des Komparators vom Spannungsteiler, so dass der Eingang vom Spannungseinbruch losgekoppelt wird.
Vorzugsweise enthält die Unterbrechungsschaltung darüber hinaus die folgenden Elemente:

e) einen zweiten Kondensator, der zwischen Masse und dem zweiten Eingang des Komparators liegt;
f) einen dritten Kondensator, welcher mit einem Anschluss an der Versorgungsspannung liegt;
g) einen zweiten Transistor, dessen Source am zweiten Anschluss des zuvor erwähnten dritten Kondensators liegt, und dessen Drain und Gate am zweiten Eingang des Komparators liegen;
h) eine Verbindungsleitung von der Source des zweiten Transistors zum Gate des ersten Transistors.

Eine Unterbrechungsschaltung mit den geschilderten Bauelementen ist in der Lage, an dem Gate des ersten Transistors eine dem Spannungseinbruch auf der Versorgungsspannung proportionale Sperrspannung zu erzeugen. Dabei spielt die Schwellspannung der Transistoren nur eine sehr untergeordnete Rolle für die zuverlässige Funktion der gesamten Schaltung, da die Transistoren als Schalter arbeiten und nicht der Detektion eines Spannungsniveaus dienen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figur beispielhaft erläutert. Die einzige Figur zeigt den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Detektion von kurzen Spannungseinbrüchen in einer Versorgungsspannung Vsup.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Versorgungsspannung Vsup entstammt einem nicht näher interessierenden Schaltungsblock, in welchem die parasitären Elemente der Schaltung durch einen Widerstand R0 und eine Kapazität C0 zusammengefasst sind. Letztere verformen Spannungseinbrüche, die deutlich kürzer als 50 ns sind, in der Regel so, dass ihre Einbruchtiefe deutlich reduziert wird und sie somit für die Schaltung ungefährlich bleiben.
Diese Spannung Vsup wird über die drei als Spannungsteiler in Reihe geschalteten Widerstände R1, R2 und R3 an Masse angelegt. An der Masseseite des mittleren Widerstands R2 liegt der negative Anschluss VN beziehungsweise an der gegenüberliegenden Seite der positive Anschluss VP eines Komparators C an. Der Anschluss des negativen Eingangs VN verläuft dabei über die Source-Drain-Strecke eines als Schalter wirkenden Transistors N1. Der Komparator C greift mit dem negativen Eingang VN zwischen den Widerständen R1 und R2 die Spannung Vref1 und mit dem positiven Eingang VP zwischen den Widerständen R2 und R3 die Spannung Vmes ab. Im Normalzustand, das heißt bei etwa gleichbleibender Versorgungsspannung Vsup, ist Vmes > Vref1, und der Ausgang OUT des Komparators C liegt stabil auf einem ersten Niveau.
Zwischen negativem Eingang VN des Komparators C und Masse befindet sich ein erster Kondensator C1 und zwischen positivem Komparatoreingang VP und Masse befindet sich ein zweiter Kondensator C2. Weiterhin befindet sich zwischen der Versorgungsspannung Vsup und dem positiven Eingang VP des Komparators C ein dritter Kondensator C3 in Reihe mit der Source-Drain-Strecke eines zweiten Transistors P1. Das Gate dieses zweiten Transistors P1 liegt ebenfalls auf der Spannung Vmes des positiven Eingangs VP des Komparators C.
Weiterhin wird das Gate des ersten Transistors N1 in der Leitung zwischen dem Eingang VN des Komparators C und dem Spannungsteiler mit dem Potential Vsw versorgt, welches in der Leitung zwischen dem dritten Kondensator C3 und der Source des zweiten Transistors P1 herrscht.
Kommt es nun in der Versorgungsspannung Vsup zu einem ausreichend tiefen Einbruch der Spannung, dann erzeugen der zweite Transistor P1 zusammen mit dem dritten Kondensator C3 eine auf das Gate des als Schalter fungierenden Transistor N1 wirkende Sperrspannung, wodurch der Strompfad vom Spannungsteiler zum negativen Eingang VN des Komparators C, das heisst der Pfad zwischen Vref1 und Vref2, für die Dauer des Glitchimpulses unterbrochen wird, so dass der Kondensator C1 nicht entladen werden kann. Die Spannung Vref2 am negativen Eingang VN des Komparators C bleibt somit auf ihrem vorherigen Wert stehen. Die Spannung Vmes des zweiten Kondensators C2 verringert sich hingegen aufgrund der Entladung über die Widerstände R2 und R1 proportional zur Glitchtiefe. Bei entsprechender Dimensionierung der Schaltung unterschreitet sie die Spannung Vref2, so dass sich die Polarität am Eingang des Komparators C umkehrt. Erhöht sich die Versorgungsspannung Vsup nach einem kurzen Einbruch wieder, wird Vmes diesem Effekt entsprechend der Aufladekurve des zweiten Kondensators C2 langsam folgen. Dabei kippt der Spannungswert Vdd_fail am Ausgang OUT des Komparators C für die Zeitdauer, in welcher Vmes kleiner als Vref2 ist, auf seinen entgegengesetzten Pegel.
Das Ausgangssignal des Komparators C kann somit zur Erzeugung einer digitalen Fehlermeldung genutzt werden. Mit Hilfe des Spannungsteilers können bei Anwendung der Schaltung zwei Spannungspunkte im linearen Verstärkungsbereich des Operationsverstärkers C gewählt werden, deren Differenz Vmes – Vref1 proportional dem maximalen erlaubten Spannungseinbruch in der Versorgungsspannung ist. Mit der dargestellten Schaltung lassen sich somit Spannungseinbrüche im Bereich unterhalb des Rauschpegels der Versorgung bis zum Massepotential erfassen.

Claims

Schaltung zur Detektion von kurzen Spannungseinbrüchen in einer Versorgungsspannung (Vsup), enthaltend a) einen Komparator (C) mit einem ersten Eingang (VN) und einem zweiten Eingang (VP) sowie mit einem Ausgang (OUT) zur Anzeige eines detektierten Spannungseinbruchs; b) einen zwischen der Versorgungsspannung (Vsup) und Masse liegenden Spannungsteiler (R1, R2, R3), an dem der erste (VN) beziehungsweise zweite Eingang (VP) des Komparators (C) eine erste (Vref1) beziehungsweise zweite (Vmes) Spannung abgreift; c) einen ersten Kondensator (C1), der zwischen dem ersten Eingang (VN) des Komparators (C) und Masse liegt; d) eine Unterbrechungsschaltung (N1, C3, P1, C2), welche die Verbindung zwischen dem ersten Eingang (VN) des Komparators (C) und dem Spannungsteiler unterbricht, wenn ein Spannungseinbruch in der Versorgungsspannung auftritt, wobei die Unterbrechungsschaltung einen ersten Transistor (N1) aufweist, dessen Source-Drain-Strecke in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten Eingang (VN) des Komparators (C) und dem Spannungsteiler liegt, und dessen Gate von einer bei einem Spannungseinbruch sich zeitlich gegen das Massepotential entwickelnden Spannung (Vsw) gesteuert wird, die an einem Anschluss eines zweiten Kondensators (C3) liegt, der mit dem anderen Anschluss an der Versorgungsspannung (Vsup) liegt.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungsschaltung weiterhin enthält: e) einen dritten Kondensator (C2), der zwischen Masse und dem zweiten Eingang (VP) des Komparators (C) liegt; f) einen zweiten Transistor (P1), dessen Source am zweiten Anschluss des zweiten Kondensators (C3) liegt, und dessen Drain und Gate am zweiten Eingang (VP) des Komparators (C) liegen; g) eine Verbindungsleitung von der Source des zweiten Transistors zum Gate des ersten Transistors.