一種具有快速啟動電路的欠壓保護電路

摘 要：本文分析了傳統欠壓保護電路的原理與缺點，設計了一種新型欠壓保護電路。新型欠壓保護電路不需要使用外部的參考電壓，采用電流源比較電路，結構簡單容易實現；同時，類帶隙基準的PTAT電流源電路結構，減少了翻轉閾值電壓和遲滯電壓大小的溫度系數；最后，設計了提高電路啟動速度的單元，減少了電路的啟動時間。基于0.35um BCD工藝的仿真結果表明：電路工作正常，在27度時，保護電路的欠壓關斷電壓為2.69V，啟動電壓為2.81V，遲滯電壓大小為0.12V。在電源電壓VDD為3.3V時，保護電路的啟動時間僅為11.3nS。該電路已成功應用于一款馬達驅動芯片。

關鍵詞：快速啟動電路；欠壓保護；遲滯電壓

中圖分類號：TN432 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-01

欠壓保護也稱低電壓保護[1，2]，是指集成電路中由于某種原因使得電源電壓值降低到一定的極限值時，欠壓保護電路能夠檢測到電源電壓較低，將芯片關斷并保持與電源的切斷狀態，待電源電壓恢復到一定的大小時，芯片可恢復工作。

欠壓保護電路是集成電路設計中必不可少的模塊，是保證系統在工作環境異常情況下能夠保持系統穩定的基礎。傳統的欠壓保護電路[3]利用電阻對電源電壓進行分壓，將分壓后得到的電壓與參考電壓通過遲滯比較器進行比較，從而檢測電源電壓是否欠壓。因此，欠壓保護電路需要外部參考電壓，電路的獨立性較差；同時，引入遲滯比較器和電阻分壓電路，使得電路結構變得復雜，也增大了電路的面積。

本文提出一種新型欠壓保護電路，電路不需要使用外部參考電壓[4]和遲滯比較器[5]，利用一種類似于帶隙基準PTAT電流源的電路結構完成對電源電壓的檢測和比較；同時，巧妙地利用負反饋實現了電路對電壓檢測的遲滯功能；最后，電路設計了提高電路啟動速度的單元模塊電路，確保了欠壓保護電路在電源電壓恢復正常后電路能夠迅速正常工作。

一、欠壓保護電路分析與設計

新型欠壓保護電路的原理如圖2所示，電路主要由三部分組成：類帶隙基準PTAT電流源的電壓檢測電路；負反饋電路構成的遲滯電路模塊；快速啟動電路。其中，電壓檢測電路由三極管Q1、Q2，電阻R1、R2、R5、R6、R7和MOS管MP1、MP2、（一）核心電路工作原理

在圖2所示的新型欠壓保護電路中，三極管Q1、Q2和電阻R1、R2構成類似于帶隙基準電壓源的欠壓保護電路核心部分。三極管Q1的面積為Q2的n倍，三極管Q1和Q2的基極電位為電源電壓經過分壓后得到的電壓VO1。

當電源電壓從零開始上升并達到一定的值之后，三極管Q1和Q2打開并流過電流，MOS管MP1、MP2，電阻R1、R2組成的電路正常工作。

（二）遲滯原理

為了避免當電源電壓大小在翻轉閾值電壓附近周圍變化時，欠壓保護電路的輸出結果在翻轉閾值周圍出現反復高頻變化，電路引入了正反饋電路，NMOS管MN3隨著輸出電平的高低導通或者關斷。

當電源電壓較低，輸出電平為低電平時，NMOS管MN3導通，此時

當VREF具有零溫度系數時，遲滯電壓 也具有零溫度系數，這也是本電路的優點之一。

（三）快速啟動電路原理

在集成電路的設計中，欠壓保護電路作為集成電路的保護單元模塊，必須在電路整體啟動之前工作，因此保護電路的啟動速度必須得到重視。在以往的欠壓保護電路的設計中，一般只關注保護電路的自啟動問題，而忽略保護電路啟動速度的分析和優化。

新型欠壓保護電路在不需要使用外部參考電壓的同時，優化了電路的自啟動過程。當電源電壓VDD由低電平逐漸上升至高電平時，三極管Q3的基極與三極管Q4的集電極電位也隨之上升，三極管Q3優先于三極管Q1和Q2導通，使得MP1柵極電位隨之下降。當電源電壓上升至一定大小時，Q1和Q2開始工作，MP1導通，電路正常工作，三極管Q3和Q4加快了電路寄生電容存儲電荷的泄放速度，加快了電路的啟動速度。同時，當電路正常工作時，Q1發射極電壓VE1上升，三極管Q3隨之關閉，快速啟動電路不再影響電路正常工作。

二、仿真結果與分析

三、結束語

本文設計的欠壓保護電路，充分利用了類帶隙基準PTAT電流源結構中電源電壓大小對PTAT電流大小的影響，完成了電源電壓的檢測功能；利用電阻分壓原理來調整欠壓保護閾值，通過調節電阻分壓電路從而調整遲滯電壓閾值的大小；同時，優化了啟動電路設計，電路具有啟動時間短的優點。該電路使用較少的器件完成了整個電路的設計，在滿足高檢測精度的同時降低了功耗。

參考文獻：

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[3]趙春波，許偉，吳玉廣.一種CMOS欠壓保護電路的設計[J].集成電路與元器件，2004（10）：172-174.

[4]錢金川，朱守敏.一種過壓欠壓及延時保護電路的設計[J].機床電器，2008（01）：57-59.

[5]鄒雪城，韓俊峰.一種基于比例電流的欠壓保護電路的設計和實現[J].華中科技大學學報（自然科學版），2007（35）：64-66.

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[7]Gray P R，Meyer R G.Analysis and Design of Analog Integrated Circuits[M].John Wiley，2001.

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[作者簡介]郭艾華（1979-），男，安徽亳州人，碩士，講師，研究方向：計算機集成電路與軟件技術。