低功耗精密电源监控电路设计与开发

李虎群　张哲　吴飞龙　徐墨

关键词：电源监控；上电复位；欠压保护

中图分类号：TN86；TP277 文献标识码：A

0 引言

随着集成度的提高，单个芯片上包含了越来越多的复杂功能模块。其中一些模块必须在上电或者从节电模式恢复时，处于一定的已知初始状态，从而保证能够正确地执行操作。因此需要采用上电复位和欠压复位信号对诸如触发器、锁存器和寄存器等存储器件进行复位或置位[1]。作为数字电路核心的时钟发生器，可能输出不确定的时钟，导致系统处于未知状态。因此，需要上电复位电路和欠压保护对电源和系统时钟同时进行监控，保证在模拟电路能正常工作的电源电压下，输出波形、占空比和频率正确稳定的时钟[2]。

1 电源监控电路的原理

1.1 电源监控电路的电压检测构架

本文设计了一种高精度的电源电压监控电路， 内部包括低温票带隙基准（bandgap） 电路、电源比较电路（AMP）、可调电压失效比较器（CMP）、振荡器、计数器和数字控制逻辑5 个模块。低温票带隙基准电路为芯片提供一个低温漂的基准电压，电源放大器、电源错误指示输入（PFI）比较器利用这个基准电压来判断电源电压是否处于正常工作范围内。电源比较电路和可调电压失效比较器设计为低失调的，确保能精确判断电源电压是否正常；振荡器用于产生基准时钟信号，提供给计数器计数以产生固定宽度的复位脉冲。

1.2 电源监控电路设计原理

本文设计的监控电路，用于监测3 ～ 5 V 微处理器系统中的3 V 电源，同时具有复位和电源错误指示等功能。

复位电路用于保持微处理器为已知状态，防止在系统掉电时出现代码执行错误。在系统上电过程中，一旦电路供电电压（VCC）达到1.2 V，复位信号（RESET）将保证为低电平。随着VCC 继续上升，一旦VCC 大于RESET 阈值，内部计数器计数200 ms 后，RESET 变为高电平。RESET 有低电平有效和高电平有效两个输出。

1.3 电源监控电路设计

1.3.1 低温票带隙基准设计与实现

低温票带隙基准通过将一个正温度系数的电压和一个负温度系数的电压以合适的比例进行叠加，得到一个接近零温度系数的电压[1]。负温度系数一般由一个正向偏置PN 结决定，在维持通过结的电流不变的情况下，结两端的电压有负温度系数，大约为-2 mV/℃。而正温度系数由不同电流密度的两个正向偏置PN 结决定，其结电压的差值可实现具有正温度系数的电压[3]。

如图2 所示，由于运放的反馈作用，A 点和B点的电压相等，同时R₁和R₂的另一端接在一起，所以R₁和R₂两端的电压相等；由于它们的阻值成比例，且运放不吸收电流，所以流过Q₀ 和Q₁的电流可根据R1 和R2 的阻值比例进行计算[4]。

作用在R₀两端的电压是具有不同电流密度的双极型晶体管（BJT）的Vbe 电压的差值，它具有正温度系数。决定Q₀和Q₁不同电流密度的因素如下：一是R₁和R₂的电阻比；二是Q₁/Q₀的并联个数比m。R₀两端电压的计算方法是：

△Vbe=VT×ln（mn）。 （ 1）

其中，n 是R₁/R₂的电流比。VT 是热电压（thermalvoltage），在室温下大概为28 mV。在面积开销合理的情况下，应让△Vbe 尽量大一些，它可以减少低温票带隙基准电路对于运放输入失调电压的敏感度。流过R₀和R₂的电流是一样的，所以只需要调节R₂和R₀的电阻比，就能将正温度系数电压放大一倍，同时这个正温度系数又是叠加在Q₁具有负温度系数的Vbe 上，所以得出结论：只要合理地选择了BJT 的电流密度以及电阻阻值的比例，就可以在Vref_out 处得到一个几乎不随温度变化的带隙电压[5]。

1.3.2 低功耗振荡电路及定时器的设计与实现

芯片复位信号宽度需要用定时器确定，而定时器的时钟需要振荡器来产生。当芯片检测到电压过低时，需恢复到正常振荡器才开始工作，因此振荡器需要快速响应、快速起振并达到所需的频率。快速起振并实现低功耗的振荡电路和定时器是本设计中的一个重点要求[6]。

2 电源监控电路的仿真

2.1 电源监控电路前仿真

2.1.1 电源电压

图3 是RESET 和RESET1 引脚有效最小电压值前仿真图。图中介绍了RESET 引脚和RESET1引脚的前仿真的具体连接方式。表1 为RESET 和RESET1 引脚有效最小电压值。

2.1.2 静态电流

静态电流前仿真图如图3 所示。电源监控电路静态电流的前仿真结果如表2 所示。

从前仿真图以及静态电流的前仿真结果来看，当VCC 介于复位阈值电压（V_RST）和5.5 V 之间时，静态电流的最大值为37 μA，符合设计要求。

2.1.3 复位阈值电压及迟滞电压

表3 为复位阈值电压及迟滞电压（V_HYS）的前仿真结果。从表3 中可以得出，前仿真中复位阈值电压V_RST和迟滞电压V_HYS 均符合设计要求。

从前仿真图以及前仿真结果来看，RESET 和RESET1 的引脚有效最小电压值为970 mV，满足设计要求。

2.1.4 复位信号脉冲宽度

表4 为复位信号脉冲宽度前仿真结果。从表4的前仿真结果可以看出，VRST 和VHYS 复位信号脉冲宽度均满足设计要求。

2.1.5 输出高低电平

输出高低电平前仿真结果如表5 所示。从表5 可以得出，输出高低电平的前仿真结果均符合设计要求。

2.2 电源监控电路后仿真

与前仿真类似，对电源监控电路也分别做了关于“电源电压”“静态电流”“复位阈值电压及迟滞电压”“复位信号脉冲宽度”“输出高低电平”的后仿真测试，其中這些后仿真结果均符合设计要求。

3 版图设计

版图（layout）集成电路设计者将设计并模拟优化的电路转化成一系列几何图形，其包含了集成电路尺寸大小等有关器件的所有物理信息。集成电路制造厂家根据这些信息来制造。

3.1 版图概述

本电源监控电路的工艺流片选择华润上华“0.25 μm BCD”工艺加工，该工艺经过大规模量产，工艺稳定，可靠性高。根据上述设计结果，设计版图。

3.2 芯片面积

本电源监控电路设计的芯片面积如表6。

3.3 电源监控电路芯片示意图

按照上述方案开展了电源监控电路芯片的原理设计、仿真验证和版图设计，完成了电路的设计工作。图4 为电源监控电路芯片示意。

4 结论

本电路通过低温票带隙基准设计，其上电复位和欠压保护的精度和温度特性良好。在-55 ～ 125℃全温度范围内在上电、断电和掉电过程中提供一个复位信号，兼容TTL/CMOS 手动复位输入，兼容高/ 低电平有效（RESET/ ?RESET）。仿真证明该电路阈值电压随温度变化极小，性能更加稳定可靠，相较于分离元器件，其能够显著提高系统的可靠性和精度，并且实现了更低的功耗。