TW201913115A - 掉電偵測器 - Google Patents

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Abstract

根據本發明實施例的掉電偵測器，包括P型電流鏡、可變電阻、電壓比較器、以及控制器，其中：P型電流鏡產生電源電壓的表徵電壓和表徵電流，控制器基於組成P型電流鏡的P型電晶體的臨界導通電壓的溫度變化率和表徵電流的溫度變化率，設置可變電阻的等效電阻值，表徵電流流過可變電阻產生參考電壓，電壓比較器將表徵電壓與參考電壓進行比較，並輸出比較結果指示信號。根據本發明實施例的掉電偵測器無需使用能隙參考電壓源即可使其偵測臨界電壓呈現極低的溫度飄移，非常適合使用在低功耗的電子裝置中。

Description

掉電偵測器
本發明涉及電路領域，更具體地涉及一種掉電偵測器。
通常，電子系統或元件需要一個穩定的供應電源來使得該電子系統或元件能夠正常運轉。如果電子系統或元件的供應電源不穩定，則會造成該電子系統或元件損毀或錯誤運轉。
例如，在包括微處理器(Microcontroller Unit,MCU)的電子系統中，該電子系統內部的掉電偵測器會即時監控微處理器的電源電壓，並且會在微處理器的電源電壓低於某個閾值電壓時輸出重置信號通知微處理器進行重置。微處理器的重置動作是相當重要的，因為微處理器內部的半導體元件有最低工作電壓的限制，如果微處理器未能正確重置，則微處理器內部的暫存器或記憶體中存儲的資料將會遺失，造成微處理器的程式出現錯誤。
隨著科技的進步，移動裝置的應用開始普及，並且很多移動裝置都使用電池來為其提供電源電壓。對於使用電池來為其提供電源電壓的移動裝置，其內部需要裝配掉電偵測器來即時監控電池電壓，以在電池電壓低於預定閾值時通知移動裝置進行相應動作，並且通常期望掉電偵測器的電流消耗最小化。然而，傳統的掉電偵測器大多使用能隙參考電壓源作為溫度飄移極低的參考電壓源，使得掉電偵測器的電流消耗無法最小化，因此無法應用在低功耗產品上。
鑒於以上所述的一個或多個問題，本發明提供了一種掉電偵測器。
根據本發明實施例的掉電偵測器，包括P型電流鏡、可變電阻、電壓比較器、以及控制器，其中：P型電流鏡產生電源電壓的表徵電壓和表徵電流，控制器基於組成P型電流鏡的P型電晶體的臨界導通電壓的溫度變化率和表徵電流的溫度變化率，設置可變電阻的等效電阻值，表徵電流流過可變電阻產生參考電壓，電壓比較器將表徵電壓與參考電壓進行比較，並輸出比較結果指示信號。
根據本發明實施例的掉電偵測器無需使用能隙參考電壓源即可使其偵測臨界電壓呈現極低的溫度漂移，非常適合使用在低功耗的電子裝置中。
10、20、40‧‧‧掉電偵測器
110‧‧‧電阻分壓網路
120‧‧‧能隙參考電壓源
130‧‧‧電壓比較器
140‧‧‧延遲電路
Vres、VPG‧‧‧表徵電壓
VD‧‧‧電源電壓
VDTH‧‧‧參考電壓
RA、RB、R1、RN‧‧‧電阻
Rst_out‧‧‧輸出信號
210‧‧‧啟始電路
220‧‧‧P型電流鏡
230‧‧‧可變電阻
240‧‧‧電壓比較器
250‧‧‧延遲電路
260‧‧‧控制器
Ip‧‧‧表徵電流
Ictat‧‧‧負溫度電流
Isum‧‧‧組合電流
通過閱讀以下參照附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯，其中，相同或相似的附圖標記表示相同或相似的特徵。
第1圖是傳統的使用能隙參考電壓源的掉電偵測器的示例電路圖；第2圖是根據本發明實施例的掉電偵測器的示例電路圖；第3圖是第2圖所示的掉電偵測器在不同溫度下的偵測臨界電壓的模擬結果示意圖；第4圖是根據本發明另一實施例的掉電偵測器的示例電路圖。。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
第1圖是傳統的使用能隙參考電壓源的掉電偵測器的示例電路圖。如第1圖所示，傳統的掉電偵測器10包括電阻分壓網路110、能隙參考電壓源120、電壓比較器130、以及延遲電路140，其中：電阻分壓網路110產生電源電壓VD的表徵電壓Vres；能隙參考電壓源120產生固定且不受電源電壓和溫度變化的影響的參考電壓Vref；電壓比較器130將表徵電壓Vres與參考電壓Vref進行比較，並且在Vres<Vref時輸出表徵電源電壓VD低於偵測臨界電壓VDD的邏輯高位準。
結合第1圖所示的電路圖可知，偵測臨界電壓VDD與參考電壓Vref之間的關係為：
從以上等式可知，偵測臨界電壓VDD的精確度與參考電壓Vref的精確度直接相關。理論上，能隙參考電壓源120可以不受電源電壓和溫度變化的影響而產生固定的參考電壓Vref。但是，實際上，能隙參考電壓源120產生的參考電壓Vref會受到能隙參考電壓源120的半導體制程誤差的影響。如果想降低能隙參考電壓源120的半導體制程誤差，必須要增加能隙參考電壓源120的工作電流和能隙參考電壓源120中的電晶體的面積；如果想增加能隙參考電壓源120的工作電流，則必須減小能隙參考電壓源120的電阻值，這使得能隙參考電壓源120的整體晶片面積大幅縮小、功耗大幅提升。
鑒於以上所述的情況，提供了一種新穎的掉電偵測器，其功耗低且幾乎不受溫度變化的影響，並且能夠將電路功耗及晶片面積最小化。
第2圖是根據本發明實施例的掉電偵測器的示例電路圖。如第2圖所示，根據本發明實施例的掉電偵測器20包括啟始電路210、P型電流鏡220、可變電阻230、電壓比較器240、延遲電路250、以及控制器260，其中：在掉電偵測器20上電後，啟始電路210對P型電流鏡220進行初始化，使得P型電流鏡220正常工作；此時，P型電流鏡220產生電源 電壓VD的表徵電壓 V PG ( V PG 與VD成正比)和表徵電流 I p ；可變電阻230在控制器260的控制下呈現出等效電阻值 R var ，表徵電流 I p 流過可變電阻230產生參考電壓 V DTH ；電壓比較器240將表徵電壓 V PG 與參考電壓 V DTH 進行比較，並且輸出比較結果指示信號；延遲電路250對比較結果指示信號延遲預定時間(用於過濾電源雜訊)生成重置信號，並且將重置信號輸出到外部。
在本實施例中，當 V PG < V DTH 時，比較結果指示信號為邏輯高位準，表示電源電壓VD低於偵測臨界電壓VDD；當 V PG > V DTH 時，比較結果指示信號為邏輯低位準，表示電源電壓VD高於偵測臨界電壓VDD。
這裡，表徵電壓 V PG 與電源電壓VD之間的關係為： V D -｜V GSp ｜=V PG
其中， V GSp 為組成P型電流鏡220的P型電晶體的導通電壓，與電源電壓VD無關。因此，表徵電壓 V PG 與電源電壓VD成正比。
此外，表徵電流 I p 與參考電壓 V DTH 之間的關係為：V DTH = Ip × Rvar
偵測臨界電壓VDD與參考電壓 V DTH 之間的關係為：V DTH =(V DD -｜V GSp ｜)=( Ip × Rvar )
V DD =( Ip × Rvar )+｜V GSp ｜
這裡，由於組成P型電流鏡220的P型電晶體的導通電壓隨著溫度變化而變化，因此表徵電壓 V PG 也隨著溫度變化而變化。根據電壓比較器240的工作原理，為了使掉電偵測器20的輸出結果不受溫度變化的影響，在溫度變化為(T-Tref)的情況下，參考電壓 V DTH 隨溫度變化而產生的變化△V DTH (即，參考電壓 V DTH 的溫度變化)必須與表徵電壓 V PG 隨溫度變化而產生的變化△V PG (即，表徵電壓 V PG 的溫度變化)相等，即△V PG =△V DTH 。
在組成P型電流鏡220的P型電晶體的導通電壓與臨界導通電壓基本相等、可變電阻230的溫度係數足夠小使得可變電阻230的等效電阻值R var 隨溫度變化的變化可以忽略的情況下，△V PG 和△V DTH 與溫度變化(T-Tref)之間的關係為：
△V DTH =△I p * Rvar=K IP (T-T ref )* Rvar
其中， V THP 為組成P型電流鏡220的P型電晶體的臨界導通電壓，△V THP 為組成P型電流鏡220的P型電晶體的臨界導通電壓隨溫度變化而產生的變化(即，P型電晶體的臨界導通電壓的溫度變化)， K vth =-1mv/℃~-2mv/℃為組成P型電流鏡220的P型電晶體的臨界導通電壓的溫度變化率，△I p 為表徵電流 I p 隨溫度變化而產生的變化(即，表徵電流 I p 的溫度變化)， K IP 為表徵電流 I p 的溫度變化率。這裡， K IP 和 K vth 可以通過預先的標定過程得到。
從以上等式可知，當Rvar=K vth /K IP 時，參考電壓 V DTH 的溫度變化△V DTH 與表徵電壓 V PG 的溫度變化△V PG 相等，掉電偵測器20的輸出結果不受溫度變化的影響。
在一些實施例中，為了方便控制器260對可變電阻230的等效電阻值 R var 的控制，可變電阻230可以被實現為相互串聯的、阻值和溫度係數均相同的多個電阻。
第3圖是第2圖所示的掉電偵測器在不同溫度下的偵測臨界電壓的模擬結果示意圖。從第3圖可以看出，由溫度變化導致的掉電偵測器的偵測臨界電壓的誤差約為±0.001v，此誤差幾乎可忽略。
在第2圖所示的掉電偵測器中，參考電壓 V DTH 的溫度變化可複製表徵電壓 V PG 的溫度變化，因此電壓比較器240的輸出結果可呈現極低的溫度飄移。如果組成可變電阻230的電阻的溫度係數足夠小，那麼理論上第2圖所示的掉電偵測器的工作溫度甚至可超過電晶體的規範值(-40~125℃)。這裡，由於第2圖所示的掉電偵測器沒有使用能隙參考電壓源，所以相比第1圖所示的掉電偵測器其功耗較低且晶片面積較小。
這裡，由於第2圖中的參考電壓 V DTH 的溫度變化是不可變的，因此第2圖所示的掉電偵測器的偵測臨界電壓VDD也是不可變的，即第2圖所示的掉電偵測器只能實現針對一個偵測臨界電壓VDD的掉電偵測。
第4圖是根據本發明另一實施例的掉電偵測器的示例電路圖。與第2圖所示的掉電偵測器相比，第4圖所示的掉電偵測器可實現針對多個偵測臨界電壓的掉電偵測。
具體地，第4圖所示的掉電偵測器40除了包括啟始電路210、P型電流鏡220、可變電阻230、電壓比較器240、延遲電路250、以及控制器260以外，還包括負溫度電流產生器402，該負溫度電流產生器可以在控制器260的控制下產生與溫度成反比的負溫度電流 I ctat 。
類似地，在組成P型電流鏡220的P型電晶體的導通電壓與臨界導通電壓基本相等、可變電阻230的溫度係數足夠小使得可變電阻230的等效電阻值 R var 隨溫度變化的變化可以忽略的情況下，控制器260可以通過改變負溫度電流 I ctat 和可變電阻230的等效電阻值 R var 來改變參考電壓 V DTH ，從而改變偵測臨界電壓VDD。
這裡，表徵電流 I p 與負溫度電流 I ctat 的組合電流 I sum 、組合電流 I sum 的溫度變化△I sum 分別可以表示為： I sum =I p +I ctat
△I sum =△(I p +I ctat )
參考電壓 V DTH 、參考電壓 V DTH 的溫度變化△V DTH 、表徵電壓 V PG 的溫度變化△V PG 可以分別表示為： V DTH =(I p +I ctat )×R var
從以上等式可知，為了使△V PG =△V DTH ，可變電阻230的等效電阻值 R var 應該為： R var =K vth /(K IP +K ctat )
其中， K vth =-1mv/℃~-2mv/℃為組成P型電流鏡220的P型電晶體的臨界導通電壓的溫度變化斜率， K IP 為表徵電流 I p 的溫度變化率， K ctat 為負溫度電流 I ctat 的溫度變化率。這裡， K IP 和 K vth 可以通過預先的標定 過程得到， K ctat 可以由控制器260控制(控制器260可以通過改變負溫度電流 I ctat 的大小來改變 K ctat )。
在本實施例中，控制器260通過改變負溫度電流 I ctat 及可變電阻230的等效電阻值 R var ，來改變參考電壓 V DTH ，從而改變偵測臨界電壓VDD，且掉電偵測器40的輸出結果依舊幾乎無關於溫度變化。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附申請專利範圍而非上述描述定義，並且，落入申請專利範圍的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。

Claims (8)

  1. 一種掉電偵測器，包括P型電流鏡、可變電阻、電壓比較器、以及控制器，其中：所述P型電流鏡產生電源電壓的表徵電壓和表徵電流，所述控制器基於組成所述P型電流鏡的P型電晶體的臨界導通電壓的溫度變化率和所述表徵電流的溫度變化率，設置所述可變電阻的等效電阻值，所述表徵電流流過所述可變電阻產生參考電壓，所述電壓比較器將所述表徵電壓與所述參考電壓進行比較，並輸出比較結果指示信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的掉電偵測器，其中，所述控制器將所述可變電阻的等效電阻值設置為組成所述P型電流鏡的P型電晶體的臨界導通電壓的溫度變化率與所述表徵電流的溫度變化率的商。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的掉電偵測器，其中，所述參考電壓的溫度變化率與所述表徵電壓的溫度變化率相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的掉電偵測器，還包括負溫度電流產生器，該負溫度電流產生器在所述控制器的控制下產生與溫度成反比的負溫度電流，其中，所述負溫度電流與所述表徵電流的組合電流流過所述可變電阻，所述控制器通過改變所述負溫度電流和所述可變電阻的等效電阻值來改變所述參考電壓。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的掉電偵測器，還包括延遲電路，該延遲電路將所述比較結果指示信號延遲預定時間。
  6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的掉電偵測器，還包括啟始電路，該啟始電路在所述掉電偵測器上電時對所述P型電流鏡進行初始化。
  7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的掉電偵測器，其中，所述可變電阻包括相互串聯的、阻值和溫度係數均相等的多個電阻。
  8. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的掉電偵測器，其中，所述比較結果指示信號在所述表徵電壓小於所述參考電壓時為邏輯高位準，在所述表徵電壓大於所述參考電壓時為邏輯低位準。
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