一种低温漂的欠压保护电路的设计*

李艳丽，冯全源

（西南交通大学微电子研究所，四川成都610031）

有关统计数据表明，模块电源在预期有效时间内失效的主要原因是外部故障条件所导致的损坏，正常使用发生失效的几率很低[1]。因此，延长模块电源寿命、提高系统可靠性的重要环节是选择保护功能完善的产品。一个电路系统在正常工作时的电源电压稳定尤为重要[2]。虽然芯片工作在低电压状态时不会烧毁，但低电压工作有可能会对芯片内部逻辑电路产生影响，并且长时间低电压工作不可避免地对芯片产生不良影响，系统稳定性也会变得很差，因此需要欠压保护电路避免芯片工作在这种情况下[3]。其设计的关键在于，当电源电压低于保护阈值门限时保持芯片关断，并且带有一定量的迟滞，以防止电源电压在恢复过程中抖动而造成系统不稳定。

本文提出了一种温度漂移小的欠压保护电路，电路结构简单，不需要额外的带隙基准电路，同时也省去了电压比较器电路。当温度在-40℃～125℃范围内变化以及在不同模型时，欠压保护的阈值电压和迟滞电压变化很小，满足电路的设计要求。

1 欠压保护电路架构及工作原理

1.1 传统欠压保护电路

图1所示为传统欠压保护电路的架构图，该电路通常采用电阻分压与基准电压进行比较来判断系统是否工作正常[4]。其工作原理为：VDD在R0、R1和Rf上的分压V1与基准电压Vref进行比较，在VDD逐渐升高的过程中，V1＜Vref时，UVLO_OUT为高电平，M0导通，将Rf短路；V1＞Vref时，UVLO_OUT为低电平，M0关断，将Rf断路。VDD逐渐减小过程中，UVLO_OUT的变化与VDD升高时的变化相同，但由于存在Rf的短路与否，产生了迟滞电压，从而避免了电压抖动带来的误触发。

电路中的比较器可以采用成熟的比较器模块和系统中已有的基准电压实现，这就要求在欠压保护电路工作时，带隙基准电路已经可以正常工作，即要求带隙基准电路在较低电压情况下就开始正常工作，这样就增加了电路的设计难度。

鉴于上述传统欠压保护电路存在的缺点，在此提出了一种新型欠压保护电路，在不使用额外的带隙基准电压和比较器的情况下，能够达到欠压保护电路的各项指标，其具有电路结构简单、低温度敏感以及门限电压精准等特点。

图1 传统欠压保护电路架构图

1.2 新型欠压保护电路

图2所示为本文所提出的欠压保护电路结构图。电路由三极管Q1～Q4、MOS管M0～M1、反相器I1和电阻R0～R2组成。其中，R0、R1、Q1和Q2构成电源电压VDD的采样电路；Q2、Q3和R2构成微电流源(widlar电流源)；M1和M2形成电流镜；NMOS管M0和电阻R0构成电路的迟滞回路；MOS管M3～M8和反相器I1组成输出级，具有一定的整形作用，同时提供滞回信号。

图2 新型欠压保护电路结构图

VDD逐渐增加的过程中，最初由于VDD不能达到Q1和Q2的导通门限，电路不工作；当VDD上升到使Q1、Q2均导通后，其所在支路开始形成电流通路，并将电流镜像到Q4，同时微电流源开始工作，此时设定Q3集电极电流大于Q4集电极电流，即I1＞I2，M2漏极被拉为高电平，经过输出级得到UVLO_OUT为高电平，M0关断，将R0断路；当VDD继续增大时，I0、I2增大，当I1=I2时，M2漏极被拉低，UVLO_OUT翻转为低电平，M0导通，将R0短路，整个系统开始正常工作。VDD减小时与上述原理相同，只是翻转门限不同。UVLO_OUT信号提供给后续电路开启或关断关键模块，可以起到保护电路的作用。

对于一个正向偏置的三极管，有[5]：

假设Q1和Q2的导通电压相等，均为VBE，则电源电压采样支路电流为：

Q2、Q3和R2组成的微电流源产生的电流可以由式(3)得到[6]。三极管Q2、Q3和Q4的发射极面积之比为1:n:1。

由分析可知，当电流I1=I2时，UVLO_OUT翻转，即I0=I1所对应电压即为该欠压保护电路的阈值门限。将电流I1带入式（2），可得如式（4）的翻转门限：

此时I0=I1，由式（3）可得电流I1为：

将式（5）带入式（4）中，可得：

MOS管M0和电阻R0构成迟滞回路，当电源电压VDD超过阈值电压后，UVLO_OUT由高变低，M0管导通，电阻R0被短路，因此当电源电压由高变低时，需要降到比VDDthresholdH更低的一个电压VDDthresholdL才能使逻辑输出电平发生翻转。

迟滞如式（8）所示：

将式（5）带入式（7）可得：

在本电路的设计过程中，调节电阻R0、R1、R2和三极管Q2、Q3和Q4的发射极面积之比可以得到所需要的翻转门限，改变电阻R0可以调整欠压保护的迟滞量。

2 仿真结果及分析

采用0.5 μm OKI工艺的器件模型参数，用Hspice软件对所设计的电路进行仿真。

图3所示为温度在-40℃～125℃范围内变化时电路的仿真结果。结果显示，在典型情况下，电源电压从3.3 V变化到4 V时，该欠压保护电路的翻转阈值为3.79 V，迟滞量为0.19 V。

图3 温度在-40℃～125℃下输出曲线

表1针对温度在-40℃～125℃的仿真结果进行总结。可以看出，该电路的翻转阈值和迟滞量最大变化分别为30 mV和70 mV，满足电路的设计。

表1 温度为-40℃～125℃时的仿真结果

如图4所示，在不同模型情况下，该电路的翻转阈值和迟滞量最大变化均为30 mV。

本文分析了传统欠压保护电路的缺点，基于0.5 μm OKI工艺，设计并实现了一种随温度漂移小的欠压保护电路。本设计电路结构简单，省去了带隙基准和比较器电路，大大减小了电路的复杂性。在设计中特别考虑了电路的温度特性，从而减小了温度对翻转阈值电压和迟滞量的影响。使用Hspice软件对电路进行仿真，仿真结果显示，该电路在不同模型和温度变化时，翻转阈值电压和迟滞量均变化很小，完全满足电路的设计要求。

图4 不同模型下的输出曲线

[1]刘宇星.BUCK型DC-DC变换器中保护电路的设计[D].成都：西南交通大学，2009.

[2]孔令荣，曾子玉，邹雪城.一种高速低压静态功耗欠压锁定电路[J].电子技术应用，2007，33(1)：46-48.

[3]王锐，唐婷婷.一种BiCMOS欠压保护电路的设计[J].电子科技，2006(10)：76-78.

[4]湛衍，姚远，黄武康，等.一种电机驱动芯片的欠压保护电路的设计[J].电子器件，2013，36(5)：709-711.

[5]毕查德·拉扎维，著.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿，译.西安：西安交通大学出版社，2003．

[6]GRAY P R，HURST P J，LEVIS S H，et al.Analysis and design of analog integrated circuits[M].New York：John Wiley&Sons，Inc，2000.

[7]程帅.升压式DC/DC白光LED驱动芯片的设计[D].武汉：华中科技大学，2006.