CN113485513A - 具温度补偿的电源启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具温度补偿的电源启动电路，包含一第一电流源、一电流放大器以及一温度补偿电路。该第一电流源耦接于一第一***电压，用于根据一内部操作电压，产生一内部操作电流。该电流放大器耦接于该第一电流源和该第一***电压，用于根据该内部操作电流和一参数，产生一放大电流和对应于该放大电流的一参考电压；其中该内部操作电压和该参考电压具有正温度系数，且该内部操作电流和该放大电流具有负温度系数。该温度补偿电路耦接于该电流放大器，用于根据该参考电压，产生具温度补偿的一输出电压。利用本发明，能够产生稳定的输出电压，进而确保后续电路能够正常操作。

Description

具温度补偿的电源启动电路

技术领域

本发明涉及电源启动电路技术领域，尤其涉及一种具温度补偿的电源启动电路。

背景技术

传统的电源启动电路可由多个金属氧化物半导体场效电晶体（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，以下简称MOSFET）所组成，其中MOSFET的电阻值具有负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）。当操作温度上升时，会使得MOSFET的载子浓度上升而提高导电率；意即MOSFET的导电率在高温时上升，使得MOSFET的电阻值下降，故MOSFET的电阻值具有负温度系数。因此，传统的电源启动电路产生的输出电压也具有负温度系数。在实际应用中，当操作温度上升时，MOSFET的电阻值和临界电压（Threshold Voltage，Vth）下降，造成传统的电源启动电路的操作也随之变动，进而改变输出电压的大小。在某些情况下，由于电源启动电路产生的输出电压随着温度变动，将会导致后续电路无法正常操作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中的电源启动电路的输出电压受温度影响较大，导致后续电路无法正常工作的技术问题。本发明提供一种具温度补偿的电源启动电路，能够稳定输出电压，进而确保后续电路能够正常工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电源启动电路，包含：一第一电流源，耦接于一第一***电压，用于根据一内部操作电压，产生一内部操作电流；一电流放大器，耦接于所述第一电流源和所述第一***电压，用于根据所述内部操作电流和一参数，产生一放大电流和对应于所述放大电流的一参考电压；其中所述内部操作电压和所述参考电压具有正温度系数，且所述内部操作电流和所述放大电流具有负温度系数；以及一温度补偿电路，耦接于所述电流放大器，用于根据所述参考电压，产生具温度补偿的一输出电压。

进一步地，所述第一电流源包含：一第一电晶体，包含一第一端，耦接于所述第一***电压；一第二端，耦接于一第一节点；以及一控制端，耦接于一第二节点；一第二电晶体，包含一第一端，耦接于所述第一节点；一第二端，耦接于一第二***电压；以及一控制端，耦接于所述第一节点；一第三电晶体，包含一第一端，耦接于所述第一***电压；一第二端，耦接于所述第二节点；以及一控制端，耦接于所述第二节点；一第四电晶体，包含一第一端，耦接于所述第二节点；一第二端；以及一控制端，耦接于所述第一节点；以及一第一电阻，包含一第一端，耦接于所述第四电晶体的所述第二端；以及一第二端，耦接于所述第二***电压；其中，所述内部操作电压为所述第一电阻的所述第一端和所述第四电晶体的所述第二端的电压，且所述内部操作电流为流经所述第一电阻的电流。

进一步地，所述电流放大器包含： 一第五电晶体，包含一第一端，耦接于所述第一***电压；一第二端，耦接于一参考电压；以及一控制端，耦接于所述第二节点；以及一第二电阻，包含一第一端，耦接于所述参考电压；以及一第二端，耦接于所述第二***电压；其中，所述放大电流为流经所述第二电阻的电流。

进一步地，所述第三电晶体与所述第五电晶体之间的纵横比为1：k，且k是所述参数。

进一步地，所述参考电压是以如下方程式表示：

；其中， VREF是所述参考电压，k是所述参数，I是所述内部操作电流，m*R是所述第二电阻的电阻值， VI是所述内部操作电压，且n*R是所述第一电阻的电阻值。

进一步地，所述第一电晶体、所述第三电晶体及所述第五电晶体是P型电晶体，所述第一电晶体、所述第三电晶体及所述第五电晶体的所述第一端是源极，所述第一电晶体、所述第三电晶体及所述第五电晶体的所述第二端是汲极，且所述第一电晶体、所述第三电晶体及所述第五电晶体的所述控制端是闸极。

进一步地，所述第二电晶体及所述第四电晶体是N型电晶体，所述第二电晶体及所述第四电晶体的所述第一端是汲极，所述第二电晶体及所述第四电晶体的所述第二端是源极，所述第二电晶体及所述第四电晶体的所述控制端是闸极。

进一步地，所述内部操作电压是所述第四电晶体的所述源极的电压。

进一步地，所述温度补偿电路，包含：一第二电流源，耦接于所述第一***电压与所述输出电压之间，用于根据所述第一***电压，产生一正温度系数电流；以及一第六电晶体，包含一第一端，耦接于所述第二电流源和所述输出电压；一第二端，耦接于所述第二***电压；以及一控制端，耦接于所述参考电压；其中所述第六电晶体根据所述参考电压，产生一负温度系数电流；其中，当所述电源启动电路的一操作温度上升时，所述负温度系数电流下降以使所述输出电压下降，且所述正温度系数电流上升以补偿所述输出电压；以及其中，当所述电源启动电路的所述操作温度下降时，所述负温度系数电流上升以使所述输出电压上升，且所述正温度系数电流下降以补偿所述输出电压。

进一步地，所述第六电晶体是N型电晶体，所述第六电晶体的所述第一端是汲极，所述第六电晶体的所述第二端是源极，且所述第六电晶体的所述控制端是闸极。

本发明的有益效果如下：

相比于现有技术，本发明的具温度补偿的电源启动电路，利用电阻来产生具正温度系数的参考电压，再将具正温度系数的参考电压输入到温度补偿电路，使得温度补偿电路随着温度变化来适应性地补偿输出电压，如此产生了稳定的输出电压，进而确保后续电路能够正常操作。除此之外，本发明具温度补偿的电源启动电路不须设置带隙电路和偏差电路，具备了设计精简的优势，进而降低了生产成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为电源启动电路的示意图。

图2为具温度补偿的电源启动电路的示意图。

图3为图2的具温度补偿的电源启动电路的电压对时间曲线的示意图。

图4为根据本发明实施例的电源启动电路的示意图。

图5为根据本发明实施例的温度补偿电路的示意图。

图中：

1：电源启动电路一

2：电源启动电路二

4: 电源启动电路三

5: 温度补偿电路

20: 比较器

21: 带隙电路

22: 偏差电路

40：第一电流源，50: 第二电流源

41: 电流放大器

I: 内部操作电流

I*k: 放大电流

I_BS: 正温度系数电流

I_M6: 负温度系数电流

M1、M2、M3、M4、M5、M6: 第一至第六电晶体

N1：第一节点，N2: 第二节点

+TC: 正温度系数

-TC: 负温度系数

R: 电阻值

R1、R2、R3、R4: 电阻

k、m、n: 参数

VBG: 带隙电压

VDD: 第一***电压

VREF、VCOMP: 参考电压

VI: 内部操作电压

Vth: 临界电压

OUT、OUT_COMP:输出电压。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，电源启动电路一1的电路结构包含前级与后级的互补式金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，以下简称CMOS）电路，前级CMOS电路包含彼此串接的一P型电晶体和多个N型电晶体，而后级CMOS电路包含彼此串接的一P型电晶体和一N型电晶体。前级和后级CMOS电路可分别透过彼此串接的电晶体来对第一***电压VDD进行分压。在操作上，当第一***电压VDD大于前级CMOS电路的多个N型电晶体的临界电压（Threshold Voltage，Vth）的总和时，表示***供电已稳定，即可启动后级CMOS电路来提供具有高电压的参考电压VCOMP。

在电源启动电路一1的电路结构下，参考电压VCOMP会随着电路本身的操作温度或所处的环境温度的变动而变动。具体而言，由于电源启动电路一1是由具有负温度系数的多个电晶体所组成的，故参考电压VCOMP也具有负温度系数。举例来说，当操作温度上升时，MOSFET的电阻值和临界电压Vth下降，造成前级和后级CMOS电路的分压比例变动，进而改变后级CMOS电路提供参考电压VCOMP的判断条件与时机，同时也会改变参考电压VCOMP的大小。不幸地，若电源启动电路一1不能在正确的判断条件与时机提供参考电压VCOMP，或是不能提供正确的参考电压VCOMP，可能导致后续电路无法正常操作。

图2展示了一种具温度补偿的电源启动电路结构。图2中的具温度补偿的电源启动电路二2包含比较器20、带隙（Bandgap）电路21、偏差（Bias）电路22和电阻R3、R4。在操作上，偏差电路22用于提供带隙电路21的偏差电流；带隙电路21用于根据偏差电流，以产生带隙电压VBG到比较器20的负输入端。电阻R3、R4可等效为电源启动电路一1的后级COMS电路，用于对第一***电压VDD进行分压，以产生参考电压VCOMP到比较器20的正输入端。接着，比较器20用于比较参考电压VCOMP和带隙电压VBG，以产生输出电压OUT。

图3为图2的具温度补偿的电源启动电路二2的电压对时间曲线的示意图。在图3中，当参考电压VCOMP小于带隙电压VBG时，输出电压OUT为低电压；当参考电压VCOMP大于带隙电压VBG时，输出电压OUT为高电压。简单来说，由于带隙电路21可产生稳定的带隙电压VBG，即使参考电压VCOMP随着温度变动而变动，透过比较器20来比较参考电压VCOMP和带隙电压VBG，可于比较器20的输出端产生稳定的输出电压OUT。如此一来，电源启动电路二2产生的输出电压OUT不会随着温度变动，进而确保后续电路可正常操作。

然而，申请人注意到，带隙电路21和偏差电路22的电路设计较为复杂，导致了较高的生产成本。如何提供一种设计精简并且具温度补偿的电源启动电路，进而降低生产成本，亦为本领域的重要课题之一。

进一步地，图4展示了另一种具温度补偿的电源启动电路结构。图4中的具有温度补偿的电源启动电路三4优化了图2的具温度补偿的电源启动电路二2中存在的缺陷。具温度补偿的电源启动电路三4包含第一电流源40、电流放大器41以及温度补偿电路5。第一电流源40耦接于一第一***电压VDD，用于根据一内部操作电压VI，产生一内部操作电流I。电流放大器41耦接于第一电流源40和第一***电压VDD，用于根据内部操作电流I和一参数k，产生一放大电流I*k和对应于放大电流I*k的一参考电压VREF。于本实施例中，内部操作电压VI和参考电压VREF具有正温度系数，且内部操作电流I和放大电流I*k具有负温度系数。温度补偿电路5耦接于电流放大器41，用于根据参考电压VREF，产生具温度补偿的一输出电压OUT_COMP。

在结构上，第一电流源40包含第一电晶体M1、第二电晶体M2、第三电晶体M3、第四电晶体M4以及一电阻R1。第一电晶体M1包含一第一端，耦接于第一***电压VDD；一第二端，耦接于一第一节点N1；以及一控制端，耦接于一第二节点N2。第二电晶体M2包含一第一端，耦接于第一节点N1；一第二端，耦接于一第二***电压；以及一控制端，耦接于第一节点N1。第三电晶体M3包含一第一端，耦接于第一***电压VDD；一第二端，耦接于第二节点N2；以及一控制端，耦接于第二节点N2。第四电晶体M4包含一第一端，耦接于第二节点N2；一第二端，耦接于电阻R1；以及一控制端，耦接于第一节点N1。电阻R1包含一第一端，耦接于第四电晶体M4的第二端；以及一第二端，耦接于第二***电压（例如但不限于接地电压）。于本实施例中，内部操作电压VI为电阻R1的第一端和第四电晶体M4的第二端的电压，且内部操作电流I为流经电阻R1的电流。

电流放大器41包含第五电晶体M5以及一电阻R2。第五电晶体M5包含一第一端，耦接于第一***电压VDD；一第二端，耦接于一参考电压VREF；以及一控制端，耦接于第二节点N2。电阻R2包含一第一端，耦接于参考电压VREF；以及一第二端，耦接于第二***电压（例如但不限于接地电压）。于本实施例中，放大电流I*k为流经电阻R2的电流。

在操作上，在第一电流源40中，第一电晶体M1、第二电晶体M2、第三电晶体M3及第四电晶体M4可视为一电流镜，当第一***电压VDD导通第一电晶体M1及第二电晶体M2而产生一电流时，第三电晶体M3及第四电晶体M4可产生与该电流具有相同大小的镜像电流（即内部操作电流I）。接着，由于第三电晶体M3的控制端耦接到第五电晶体M5的控制端，且第三电晶体M3及第五电晶体M5的第一端耦接到第一***电压VDD，故在相同的半导体制程条件下，第三电晶体M3及第五电晶体M5的电压对电流转换特性可视为线性相关的（LinearlyCorrelated）。在一实施例中，第三电晶体M3与第五电晶体M5之间的纵横比（W/L Ratio）为1：k，在此情况下，第五电晶体M5的导通电流大小理论上为第三电晶体M3的导通电流大小的k倍。因此，在电流放大器41中，第五电晶体M5产生的放大电流I*k为第三电晶体M3产生的内部操作电流I的k倍。

进一步地，由于内部操作电压VI是内部操作电流I流经电阻R1所产生的跨压，且参考电压VREF是放大电流I*k流经电阻R2所产生的跨压，因此根据欧姆定律可分别推导出内部操作电流I和参考电压VREF的大小。据此，内部操作电流I和参考电压VREF可由如下方程式（1）、（2）表示：

（1）；

（2）；

其中VREF是参考电压，k是参数，I是内部操作电流，m*R是电阻R2的电阻值，VI是内部操作电压，且 n*R是电阻R1的电阻值。于一实施例中，电阻R1与电阻R2之间的电阻值比例为n：m，且电阻R1、R2的单位电阻值是R。

根据方程式（1）可知，由于内部操作电压VI是电阻R1的跨压，故内部操作电压VI具有正温度系数，即内部操作电压VI会随着温度上升而上升。根据方程式（2）可知，参考电压VREF是内部操作电压VI与参数k、m的乘积与n的比值，故参考电压VREF具有正温度系数，也会随着温度上升而上升。在实际应用中，本领域具通常知识者可针对不同的应用需求，选择适当的参数k、m及n的大小，以获取适当的参考电压VREF。

在一实施例中，第一电晶体M1、第三电晶体M3及第五电晶体M5是P型电晶体，第一电晶体M1、第三电晶体M3及第五电晶体M5的第一端是源极（Source），第一电晶体M1、第三电晶体M3及第五电晶体M5的第二端是汲极（Drain），且第一电晶体M1、第三电晶体M3及第五电晶体M5的控制端是闸极（Gate）。于一实施例中，第二电晶体M2及第四电晶体M4是N型电晶体，第二电晶体M2及第四电晶体M4的第一端是汲极，第二电晶体M2及第四电晶体M4的第二端是源极，第二电晶体M2及第四电晶体M4的控制端是闸极，且内部操作电压VI是第四电晶体M4的源极的电压。

如图5所示，温度补偿电路5包含一第二电流源50以及一第六电晶体M6。在结构上，第二电流源50耦接于第一***电压VDD与输出电压OUT_COMP之间，用于根据第一***电压VDD，产生一正温度系数电流I_BS，于此正温度系数以+TC表示。于一实施例中，第二电流源50可耦接不同于第一***电压VDD的另一***电压，并根据该另一***电压，产生正温度系数电流I_BS。第六电晶体M6包含一第一端，耦接于第二电流源50和输出电压OUT_COMP；一第二端，耦接于第二***电压（例如但不限于接地电压）；以及一控制端，耦接于参考电压VREF；其中第六电晶体M6根据参考电压VREF，产生一负温度系数电流I_M6，于此负温度系数以-TC表示。于一实施例中，第六电晶体M6是N型电晶体，第六电晶体M6的第一端是汲极，第六电晶体M6的第二端是源极，且第六电晶体M6的控制端是闸极。

在操作上，当电源启动电路三4的操作温度上升时，参考电压VREF上升以导通第六电晶体M6，使得第六电晶体M6将输出电压OUT_COMP拉至第二***电压（例如但不限于接地电压）的大小；同时，第一***电压VDD上升以使得第二电流源50产生的正温度系数电流I_BS上升，借此拉高输出电压OUT_COMP的大小。也就是说，当电源启动电路三4的操作温度上升时，负温度系数电流I_M6下降以使输出电压OUT_COMP下降，且正温度系数电流I_BS上升以补偿输出电压OUT_COMP。另一方面，当电源启动电路三4的操作温度下降时，负温度系数电流I_M6上升以使输出电压OUT_COMP上升，且正温度系数电流I_BS下降以补偿输出电压OUT_COMP。

简单来说，于本发明图4和图5的实施例中，电源启动电路三4利用电阻R1、R2来产生具正温度系数的参考电压VREF（其中参考电压VREF的实际大小可透过参数k、m、n来设定），再将具正温度系数的参考电压VREF输入到温度补偿电路5，使得温度补偿电路5随着温度变化来适应性地补偿输出电压OUT_COMP，如此产生了稳定的输出电压OUT_COMP，进而确保后续电路能够正常操作。值得注意的是，相较于图2的具温度补偿的电源启动电路二2，图4的具温度补偿的电源启动电路三4不须设置比较器20、带隙电路21和偏差电路22，具备了设计精简的优势，进而降低了生产成本。

综上所述，在图1的电源启动电路一1中，其具备电路设计精简并且成本低廉的优势，然而其不具温度补偿功能，将会导致后续电路无法正常操作。在图2的电源启动电路二2中，其具温度补偿功能，然而其存有电路设计复杂并且成本昂贵的劣势。相较之下，本发明具温度补偿的电源启动电路可产生稳定的输出电压，进而确保后续电路能够正常操作，也具备了设计精简的优势，进而降低了生产成本。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种电源启动电路，其特征在于，包含：

一第一电流源，耦接于一第一***电压，用于根据一内部操作电压，产生一内部操作电流；

一电流放大器，耦接于所述第一电流源和所述第一***电压，用于根据所述内部操作电流和一参数，产生一放大电流和对应于所述放大电流的一参考电压；其中所述内部操作电压和所述参考电压具有正温度系数，且所述内部操作电流和所述放大电流具有负温度系数；以及

一温度补偿电路，耦接于所述电流放大器，用于根据所述参考电压，产生具温度补偿的一输出电压。

2.如权利要求1所述的电源启动电路，其特征在于，所述第一电流源包含：

一第一电晶体，包含一第一端，耦接于所述第一***电压；一第二端，耦接于一第一节点；以及一控制端，耦接于一第二节点；

一第二电晶体，包含一第一端，耦接于所述第一节点；一第二端，耦接于一第二***电压；以及一控制端，耦接于所述第一节点；

一第三电晶体，包含一第一端，耦接于所述第一***电压；一第二端，耦接于所述第二节点；以及一控制端，耦接于所述第二节点；

一第四电晶体，包含一第一端，耦接于所述第二节点；一第二端；以及一控制端，耦接于所述第一节点；以及

一第一电阻，包含一第一端，耦接于所述第四电晶体的所述第二端；以及一第二端，耦接于所述第二***电压；

其中，所述内部操作电压为所述第一电阻的所述第一端和所述第四电晶体的所述第二端的电压，且所述内部操作电流为流经所述第一电阻的电流。

3.如权利要求2所述的电源启动电路，其特征在于，所述电流放大器包含：

一第五电晶体，包含一第一端，耦接于所述第一***电压；一第二端，耦接于一参考电压；以及一控制端，耦接于所述第二节点；以及

一第二电阻，包含一第一端，耦接于所述参考电压；以及一第二端，耦接于所述第二***电压；

其中，所述放大电流为流经所述第二电阻的电流。

4.如权利要求3所述的电源启动电路，其特征在于，所述第三电晶体与所述第五电晶体之间的纵横比为1：k，且k是所述参数。

5.如权利要求3所述的电源启动电路，其特征在于，所述参考电压是以如下方程式表示：

；

其中，VREF是所述参考电压，k是所述参数，I是所述内部操作电流，m*R是所述第二电阻的电阻值，VI是所述内部操作电压，且n*R是所述第一电阻的电阻值。

6.如权利要求3所述的电源启动电路，其特征在于，所述第一电晶体、所述第三电晶体及所述第五电晶体是P型电晶体，所述第一电晶体、所述第三电晶体及所述第五电晶体的所述第一端是源极，所述第一电晶体、所述第三电晶体及所述第五电晶体的所述第二端是汲极，且所述第一电晶体、所述第三电晶体及所述第五电晶体的所述控制端是闸极。

7.如权利要求2所述的电源启动电路，其特征在于，所述第二电晶体及所述第四电晶体是N型电晶体，所述第二电晶体及所述第四电晶体的所述第一端是汲极，所述第二电晶体及所述第四电晶体的所述第二端是源极，所述第二电晶体及所述第四电晶体的所述控制端是闸极。

8.如权利要求7所述的电源启动电路，其特征在于，所述内部操作电压是所述第四电晶体的所述源极的电压。

9.如权利要求2所述的电源启动电路，其特征在于，所述温度补偿电路，包含：

一第二电流源，耦接于所述第一***电压与所述输出电压之间，用于根据所述第一***电压，产生一正温度系数电流；以及

一第六电晶体，包含一第一端，耦接于所述第二电流源和所述输出电压；一第二端，耦接于所述第二***电压；以及一控制端，耦接于所述参考电压；其中所述第六电晶体根据所述参考电压，产生一负温度系数电流；

其中，当所述电源启动电路的一操作温度上升时，所述负温度系数电流下降以使所述输出电压下降，且所述正温度系数电流上升以补偿所述输出电压；以及

其中，当所述电源启动电路的所述操作温度下降时，所述负温度系数电流上升以使所述输出电压上升，且所述正温度系数电流下降以补偿所述输出电压。

10.如权利要求9所述的电源启动电路，其特征在于，所述第六电晶体是N型电晶体，所述第六电晶体的所述第一端是汲极，所述第六电晶体的所述第二端是源极，且所述第六电晶体的所述控制端是闸极。

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