一种长复位时间带低压探测的POR电路设计

翟明静，韩益锋

(1.常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002;2.常州工学院欧智汽车电子联合实验室，江苏 常州 213002)

对于汽车控制系统芯片，由于芯片中存在大量的数字单元，如寄存器、存储器等功能单元，当电源开始加到芯片上时，数字单元的状态是不确定的，可能导致整个芯片误动作。因此，整个芯片在开始工作之前，需要指令信号来初始化整个电路，从而避免系统误动作。上电复位(POR)电路就是完成这一功能的单元电路［1-2］。另外，当芯片正常工作时，由于噪声的干扰和负载电流过大等原因，会使供电电压突然降低。当供电电压降低到最低工作电压时，整个芯片就有可能失效。供电电压对于汽车电子控制系统芯片来讲尤为重要，涉及汽车行驶安全。因此，当供电电压在某一时间降低到一定值时，必须产生1个复位信号——低压探测复位信号(LVDR)，直到供电电压从干扰中恢复正常。

目前采用较多的基准源-比较器结构的POR电路，存在电路结构复杂、复位时间短、缺少干扰检测的缺点［3-6］。因此，这些POR电路都不能满足系统对复位信号持续时间长、干扰检测和可靠性高的要求。

为了提高POR电路复位时间和干扰检测的能力，本文设计出一种长复位时间和带低压检测的POR电路。设计采用电流镜和施密特触发器等简单模块电路，在常温下复位时间可达19.623 ms，具有干扰检测的能力，并当供电电压降低到2 V以下时，产生的复位信号持续时间为20.079 ms，从而大大提高了汽车电子系统芯片工作的可靠性。

1 上电复位电路

当供电电压第一次加到芯片中，POR电路的复位信号跟随供电电压的变化而变化，如图1所示。

图1 POR和LVDR的时序图

图中，Vfinal为供电电压的稳态值，Vlow为芯片正常工作时最低工作电压。如果由于噪声等原因，使供电电压低于Vlow时，LVDR信号产生，开始复位电路。Ts是供电电压的上升时间，TPOReff是有效的复位时间，即当供电电压达到Vfinal时，复位信号的持续时间。同样，TLVDReff是当低压探测发生时，复位信号的持续时间。

目前许多上电复位电路的设计都没有考虑到低压检测情况，同时复位信号持续时间过短，不能够满足系统对复位信号持续时间长的要求。本文设计的上电复位电路具有低压探测单元，同时复位信号的延迟时间较长，能够满足系统对复位信号的要求，采用层次化设计的整体电路如图2所示。

图2 POR整体电路

图2所示整个POR电路包括3部分，分别为电流产生和延迟单元CURRENT_GEN、低压检测单元LVDR、施密特触发器POR_Simtt。

2 POR单元电路设计

2.1 上电复位电路电流产生单元

POR电流产生单元CURRENT_GEN单元电路如图3所示。

图3 CURRENT_GEN电路

在 CURRENT_GEN 单元电路中，M9、M10、M11是3个二极管连接的MOS管。当电源电压VDD=VM9+VM10+VM11时，该支路导通，从而产生电流。同时 MOS管 M8～M11，M6～M7，M1～M5构成电流镜。其中M8与M11、M6与M7的宽长比为与M5的宽长比为由电流镜像关系［7］可知，

因此流过M5中的电流为nA级。同时PMOS电流源M1和NMOS电容M0构成CURRENT_GEN电路的延迟单元。当VDD线性增加时，PMOS电流源M1开始对MOS电容M0充电，使得VA电压也逐渐增加。

2.2 施密特触发器单元

施密特触发器单元电路如图4所示。

图4 施密特触发器单元电路

从图3可知，当供电电压VDD＜VM9+VM10+VM11时，节点电压VA保持为低电平，因此，图4中的PMOS管PM5，PM6导通，在该条件下，施密特触发器的输出端复位随着供电电压VDD的变化而变化。

当供电电压VDD＞VM9+VM10+VM11时，电流产生单元开始产生电流。在图3中，电流源M1开始对电容M0充电，致使电压VA增加，当达到施密特触发器的高阈值电压转换点VSPH时，复位信号开始转变为低电平，完成复位操作。对于VSPH和VSPL［8］，

式中VTN为TMOS的电压，VTP为PMOS的电压。

本文所设计的VSPH和VSPL分别为3 V和1.6 V，其中 VSPH和 VSPL的大小可以通过设置 NM1、NM3和PM5、PM6的尺寸完成。

2.3 低压检测单元

目前，许多POR电路都不含有低压检测单元。若由于汽车电路中大功率负载切换引起的噪声等原因使汽车电子系统芯片供电电压突然降低，会导致芯片不能正常工作，危及行驶安全。为了提高芯片工作的可靠性，设计出LVDR单元，如图5所示。

图5 LVDR单元电路

当供电电压突然降低时，可以产生复位信号，阻止芯片错误工作。具体工作原理:在正常工作模式下，VDD为高电平，由于电阻R1的分压，使栅极电压为低电平，因此M2导通。此时，M4的栅极电压为高电平，使M4截止，VA点的电平保持不变。当供电电压突然降低到VDD=VNM4+VNM5+VM2时，M2开始截止，电流源M3把M4的栅极电压拉低到低电平，M4导通，即图3中的电容M0通过M4对地放电，使节点VA的电压降低。当电压降低到施密特触发器低阈值电压转换点VSPL时，RESET变为高电平，产生复位信号。

3 POR电路仿真

本文采用0.5 μm BCD工艺设计，在Cadence Spectre下，室温27℃采用typical模型对LVDR单元进行直流分析(见图6)。

图6 LVDR单元直流分析

从图6可以看出，当电源电压从5 V逐渐减小到2.202 51 V时，图3中M2关断，M3作为电流源把M4的栅极电压拉为低电平，从而M4开始导通，电容M0通过M4放电，直到电流为0。该情况反应了低压检测的过程。

对POR电路进行仿真结果如图7所示。

供电电压的延迟时间是100 ms，上升时间是50 ms，遇到干扰供电电压降低后持续时间为0.1 ms。从图7可以看出，TPOReff的时间是19.623 ms，当遇到干扰后，供电电压降低到3.8 V以下时，产生RESET复位信号，TLVDReff持续时间是20.079 ms，延迟时间满足系统对复位信号持续时间的要求，提高了汽车电子控制系统芯片工作的可靠性。

图7 POR电路上电和低压检测的瞬态仿真

为了保障该电路能够在恶劣的环境温度条件下正常工作，本文分别对该电路在 -40、27、125℃温度点进行仿真，分析结果如表1所示。

RESET的延迟时间跟M1的电流、M0的电容和施密特触发器的VSPH有关，VSPH越大，延迟时间越长。同样，M0的电容越大，M1的电流越小，RESET延迟时间越长。

表1 不同温度下的复位信号持续时间

4 结语

本文设计的上电复位电路解决了同类电路上电复位时间短的问题，可以满足汽车电子芯片系统复位信号持续时间长的要求。在POR电路中还增加了低压检测电路单元，解决了芯片遇到噪声等干扰时，不能使系统复位的问题，因此提高了芯片工作的可靠性。该POR电路采用0.5 μm BCD工艺设计，占用较小的芯片面积，便于集成在系统芯片的内部，减小了芯片制造的成本。

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