CN112054480A - 一种温度补偿型欠压保护电路及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度补偿型欠压保护电路及其使用方法，电路结构包括：电阻R1、电阻R2、接地电阻R3、NMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3和缓冲器B1；方法为：构建输出端UVLO临界状态方程组，设置PMOS管M2和NMOS管M3的宽长比；本发明提供的一种温度补偿型欠压保护电路具有温度特性好、与CMOS工艺兼容和占用芯片面积小的特点。

Description

一种温度补偿型欠压保护电路及其使用方法
技术领域
本发明属于集成电路领域，具体涉及一种温度补偿型欠压保护电路及其使用方法。
背景技术
在集成电路中，电源电压不能无限制减小。当电源电压减小到一定程度时，集成电路无法实现既定的功能，可能导致参数异常甚至功能性失效。为了避免这种情况发生，欠压保护电路被广泛应用：当电源电压上升到一定值(一般是超过集成电路的最小工作电压，定义为开启阈值电压)时，开启集成电路，保证功能和性能；当电源电压下降到一定值(定义为关断阈值电压)时，关断集成电路，防止出现***错误。同时，为了避免集成电路在开启和关断之间不停切换，设置开启阈值电压大于关断阈值电压，两者之差为迟滞电压。
传统的基于带隙基准电压和电压比较器的欠压保护电路，存在如下缺点：1)使用的器件较多，增加了功耗、电路复杂性和芯片面积；2)往往需要采用BiCMOS或者BCD工艺实现，无法与CMOS工艺兼容，工艺成本高。传统的基于带隙结构的无电压比较器欠压保护电路，存在如下缺点：1)采用BiCMOS或者BCD工艺实现，无法与CMOS工艺兼容，工艺成本高；2)使用了多个NPN三极管，芯片面积较大。传统的无独立基准源且非带隙机构的欠压保护电路，存在如下缺点：1)MOS管的阈值电压会随着温度的升高而降低，因此欠压保护阈值电压随温度变化较大；2)为了减小功耗，同时也为了优化电压翻转性能，电阻值往往较大，通常在106Ω量级，导致芯片面积增加。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种温度补偿型欠压保护电路及其使用方法具有温度特性好、与CMOS工艺兼容和占用芯片面积小的特点。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种温度补偿型欠压保护电路，包括：电阻R1、电阻R2、接地电阻R3、NMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3和缓冲器B1；
所述电阻R1的一端分别与PMOS管M2的栅极和PMOS管M2的源极连接，并作为温度补偿型欠压保护电路的电源VDD端，其另一端分别与电阻R2的一端和NMOS管M3的栅极连接；所述PMOS管M2的漏极分别与NMOS管M3的漏极和缓冲器B1的输入端连接；所述NMOS管M1的漏极分别与电阻R2的另一端和接地电阻R3连接，其栅极与缓冲器B1的输出端连接，并作为温度补偿型欠压保护电路的输出端UVLO，其源极接地；所述NMOS管M3的源极接地。
进一步地：PMOS管M2为耗尽型PMOS管。
上述方案的有益效果为：M2为耗尽型PMOS管，其阈值电压为正值，当其栅极和源极短接时，M2处于导通状态，作为参考电流源产生电路。同时，M2和M3构成电流比较器，当M3的栅极电压低于VG时，M3的漏极电流ID3低于M2的漏极电流ID2，UVLO为高；反之，UVLO为低。M1用于选择是否将R3接入电路中，从而提供电压迟滞功能，使得开启阈值电压大于关断阈值电压，防止电源电压在开启阈值电压附近波动时UVLO不停翻转，影响集成电路的功能。
进一步地：电阻R1、电阻R2和接地电阻R3为同类型的电阻，用于采样电源电压，避免电阻温度系数对采样值的影响。
一种温度补偿型欠压保护电路的使用方法，其为：构建输出端UVLO临界状态方程组，设置PMOS管M2和NMOS管M3的宽长比。
进一步地：输出端UVLO临界状态方程组为：
VHYS＝VH-VL＝VG(R1/R2-R1/(R2+R3)) (1)
VL＝VG(R1+R2+R3)/(R2+R3) (2)
VH＝VG(R1+R2)/R2 (3)
Figure BDA0002669887370000031
其中，VHYS为迟滞电压，VH为欠压保护开启阈值电压，VL为关断阈值电压，R1为电阻R1的电阻值，R2为电阻R2的电阻值，R3为电阻R3的电阻值，VG为输出端UVLO处于临界状态(即UVLO刚刚发生翻转的状态)时NMOS管M3的栅极电压，VTH30为T＝T0时NMOS管M3的阈值电压，VTH20为T＝T0时PMOS管M2的阈值电压，μp(T0)为T＝T0时的空穴迁移率，μn(T0)为T＝T0时的电子迁移率，
Figure BDA0002669887370000032
为PMOS管M2的宽长比，
Figure BDA0002669887370000033
为NMOS管M3的宽长比，T为热力学温度，T0为某个热力学温度，α为PMOS管M2的阈值电压一阶温度系数，β为NMOS管M3的阈值电压一阶温度系数，λ为电子迁移率的温度指数，π为空穴迁移率的温度指数。
综上，本发明的有益效果为：
(1)采用耗尽型PMOS管做电流源，同时根据与温度相关的临界状态方程调节M2和M3的宽长比，实现对输出端UVLO处于临界状态时NMOS管M3栅极电压VG的一阶温度补偿，即实现对欠压保护开启阈值电压VH、关断阈值电压VL和迟滞电压VHYS的一阶温度补偿，因此本发明的欠压保护电路温度特性好；
(2)本发明不需要使用三极管，与CMOS工艺兼容，工艺成本低；
(3)本发明电路结构简单、设计复杂度低且占用芯片面积小。
附图说明
图1为一种温度补偿型欠压保护电路的电路图；
图2为不同温度下欠压保护电路输出电压UVLO随电源电压VDD的变化曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种温度补偿型欠压保护电路，包括：电阻R1、电阻R2、接地电阻R3、NMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3和缓冲器B1；
所述电阻R1的一端分别与PMOS管M2的栅极和PMOS管M2的源极连接，并作为温度补偿型欠压保护电路的电源VDD端，其另一端分别与电阻R2的一端和NMOS管M3的栅极连接；所述PMOS管M2的漏极分别与NMOS管M3的漏极和缓冲器B1的输入端连接；所述NMOS管M1的漏极分别与电阻R2的另一端和接地电阻R3连接，其栅极与缓冲器B1的输出端连接，并作为温度补偿型欠压保护电路的输出端UVLO，其源极接地；所述NMOS管M3的源极接地。
一种温度补偿型欠压保护电路的使用方法，其为：构建输出端UVLO临界状态方程组，设置PMOS管M2和NMOS管M3的宽长比。
输出端UVLO临界状态方程组为：
VHYS＝VH-VL＝VG(R1/R2-R1/(R2+R3)) (1)
VL＝VG(R1+R2+R3)/(R2+R3) (2)
VH＝VG(R1+R2)/R2 (3)
Figure BDA0002669887370000051
其中，VHYS为迟滞电压，VH为欠压保护开启阈值电压，VL为关断阈值电压，R1为电阻R1的电阻值，R2为电阻R2的电阻值，R3为电阻R3的电阻值，VG为输出端UVLO处于临界状态时NMOS管M3的栅极电压，VTH30为T＝T0时NMOS管M3的阈值电压，VTH20为T＝T0时PMOS管M2的阈值电压，μp(T0)为T＝T0时的空穴迁移率，μn(T0)为T＝T0时的电子迁移率，
Figure BDA0002669887370000052
为PMOS管M2的宽长比，
Figure BDA0002669887370000053
为NMOS管M3的宽长比，T为热力学温度，T0为某个热力学温度，α为PMOS管M2的阈值电压一阶温度系数，β为NMOS管M3的阈值电压一阶温度系数，λ为电子迁移率的温度指数，π为空穴迁移率的温度指数。
对输出端UVLO处于临界状态时NMOS管M3的栅极电压VG实现一阶温度补偿，使得VG具有较好的温度特性的论证过程：
VG对温度的一阶导数TC1为：
Figure BDA0002669887370000054
将公式(5)简化为：
Figure BDA0002669887370000055
其中，
Figure BDA0002669887370000061
Figure BDA0002669887370000062
Figure BDA0002669887370000063
在TC1(T0)＝0时，有：
Figure BDA0002669887370000064
根据公式(10)可知：通过调节M2和M3的宽长比，可以使VG的一阶导数在T＝T0处为0，从而实现对VG的一阶温度补偿，使得VG具有较好的温度特性。再根据公式(1)、(2)和(3)，从而让VHYS、VH和VL受温度变化的影响较小。
图2为本发明的仿真结果，显示了不同温度下(-55℃、25℃、125℃)欠压保护电路输出电压UVLO随电源电压VDD的变化，仿真使用的是华润上华0.5μm标准CMOS工艺库。仿真结果总结如下表1：
表1不同温度下的VH、VL、VHYS仿真结果
温度 V<sub>H</sub> V<sub>L</sub> V<sub>HYS</sub>
-55℃ 1.972V 1.746V 0.226V
25℃ 1.967V 1.743V 0.224V
125℃ 1.972V 1.750V 0.222V
从表1可以看出，VH、VL、VHYS随温度的变化均在10mV以内，表明欠压保护电路具有极佳的温度性能。

Claims (5)

1.一种温度补偿型欠压保护电路，其特征在于，包括：电阻R1、电阻R2、接地电阻R3、NMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3和缓冲器B1；
所述电阻R1的一端分别与PMOS管M2的栅极和PMOS管M2的源极连接，并作为温度补偿型欠压保护电路的电源VDD端，其另一端分别与电阻R2的一端和NMOS管M3的栅极连接；所述PMOS管M2的漏极分别与NMOS管M3的漏极和缓冲器B1的输入端连接；所述NMOS管M1的漏极分别与电阻R2的另一端和接地电阻R3连接，其栅极与缓冲器B1的输出端连接，并作为温度补偿型欠压保护电路的输出端UVLO，其源极接地；所述NMOS管M3的源极接地。
2.根据权利要求1所述的温度补偿型欠压保护电路，其特征在于，所述PMOS管M2为耗尽型PMOS管。
3.根据权利要求1所述的温度补偿型欠压保护电路，其特征在于，所述电阻R1、电阻R2和接地电阻R3为同类型的电阻。
4.一种温度补偿型欠压保护电路的使用方法，其特征在于，其为：构建输出端UVLO临界状态方程组，设置PMOS管M2和NMOS管M3的宽长比。
5.根据权利要求4所述的温度补偿型欠压保护电路的使用方法，其特征在于，所述输出端UVLO临界状态方程组为：
VHYS＝VH-VL＝VG(R1/R2-R1/(R2+R3)) (1)
VL＝VG(R1+R2+R3)/(R2+R3) (2)
VH＝VG(R1+R2)/R2 (3)
Figure FDA0002669887360000011
其中，VHYS为迟滞电压，VH为欠压保护开启阈值电压，VL为欠压保护关断阈值电压，R1为电阻R1的电阻值，R2为电阻R2的电阻值，R3为电阻R3的电阻值，VG为输出端UVLO处于临界状态时NMOS管M3的栅极电压，VTH30为T＝T0时NMOS管M3的阈值电压，VTH20为T＝T0时PMOS管M2的阈值电压，μp(T0)为T＝T0时的空穴迁移率，μn(T0)为T＝T0时的电子迁移率，
Figure FDA0002669887360000021
为PMOS管M2的宽长比，
Figure FDA0002669887360000022
为NMOS管M3的宽长比，T为热力学温度，T0为某个热力学温度，α为PMOS管M2的阈值电压一阶温度系数，β为NMOS管M3的阈值电压一阶温度系数，λ为电子迁移率的温度指数，π为空穴迁移率的温度指数。
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