低功耗精密電源監(jiān)控電路設(shè)計與開發(fā)

李虎群　張哲　吳飛龍　徐墨

關(guān)鍵詞：電源監(jiān)控；上電復(fù)位；欠壓保護

中圖分類號：TN86；TP277 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著集成度的提高，單個芯片上包含了越來越多的復(fù)雜功能模塊。其中一些模塊必須在上電或者從節(jié)電模式恢復(fù)時，處于一定的已知初始狀態(tài)，從而保證能夠正確地執(zhí)行操作。因此需要采用上電復(fù)位和欠壓復(fù)位信號對諸如觸發(fā)器、鎖存器和寄存器等存儲器件進行復(fù)位或置位[1]。作為數(shù)字電路核心的時鐘發(fā)生器，可能輸出不確定的時鐘，導(dǎo)致系統(tǒng)處于未知狀態(tài)。因此，需要上電復(fù)位電路和欠壓保護對電源和系統(tǒng)時鐘同時進行監(jiān)控，保證在模擬電路能正常工作的電源電壓下，輸出波形、占空比和頻率正確穩(wěn)定的時鐘[2]。

1 電源監(jiān)控電路的原理

1.1 電源監(jiān)控電路的電壓檢測構(gòu)架

本文設(shè)計了一種高精度的電源電壓監(jiān)控電路， 內(nèi)部包括低溫票帶隙基準(zhǔn)（bandgap） 電路、電源比較電路（AMP）、可調(diào)電壓失效比較器（CMP）、振蕩器、計數(shù)器和數(shù)字控制邏輯5 個模塊。低溫票帶隙基準(zhǔn)電路為芯片提供一個低溫漂的基準(zhǔn)電壓，電源放大器、電源錯誤指示輸入（PFI）比較器利用這個基準(zhǔn)電壓來判斷電源電壓是否處于正常工作范圍內(nèi)。電源比較電路和可調(diào)電壓失效比較器設(shè)計為低失調(diào)的，確保能精確判斷電源電壓是否正常；振蕩器用于產(chǎn)生基準(zhǔn)時鐘信號，提供給計數(shù)器計數(shù)以產(chǎn)生固定寬度的復(fù)位脈沖。

1.2 電源監(jiān)控電路設(shè)計原理

本文設(shè)計的監(jiān)控電路，用于監(jiān)測3 ～ 5 V 微處理器系統(tǒng)中的3 V 電源，同時具有復(fù)位和電源錯誤指示等功能。

復(fù)位電路用于保持微處理器為已知狀態(tài)，防止在系統(tǒng)掉電時出現(xiàn)代碼執(zhí)行錯誤。在系統(tǒng)上電過程中，一旦電路供電電壓（VCC）達到1.2 V，復(fù)位信號（RESET）將保證為低電平。隨著VCC 繼續(xù)上升，一旦VCC 大于RESET 閾值，內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)200 ms 后，RESET 變?yōu)楦唠娖健ESET 有低電平有效和高電平有效兩個輸出。

1.3 電源監(jiān)控電路設(shè)計

1.3.1 低溫票帶隙基準(zhǔn)設(shè)計與實現(xiàn)

低溫票帶隙基準(zhǔn)通過將一個正溫度系數(shù)的電壓和一個負(fù)溫度系數(shù)的電壓以合適的比例進行疊加，得到一個接近零溫度系數(shù)的電壓[1]。負(fù)溫度系數(shù)一般由一個正向偏置PN 結(jié)決定，在維持通過結(jié)的電流不變的情況下，結(jié)兩端的電壓有負(fù)溫度系數(shù)，大約為-2 mV/℃。而正溫度系數(shù)由不同電流密度的兩個正向偏置PN 結(jié)決定，其結(jié)電壓的差值可實現(xiàn)具有正溫度系數(shù)的電壓[3]。

如圖2 所示，由于運放的反饋作用，A 點和B點的電壓相等，同時R₁和R₂的另一端接在一起，所以R₁和R₂兩端的電壓相等；由于它們的阻值成比例，且運放不吸收電流，所以流過Q₀ 和Q₁的電流可根據(jù)R1 和R2 的阻值比例進行計算[4]。

作用在R₀兩端的電壓是具有不同電流密度的雙極型晶體管（BJT）的Vbe 電壓的差值，它具有正溫度系數(shù)。決定Q₀和Q₁不同電流密度的因素如下：一是R₁和R₂的電阻比；二是Q₁/Q₀的并聯(lián)個數(shù)比m。R₀兩端電壓的計算方法是：

△Vbe=VT×ln（mn）。 （ 1）

其中，n 是R₁/R₂的電流比。VT 是熱電壓（thermalvoltage），在室溫下大概為28 mV。在面積開銷合理的情況下，應(yīng)讓△Vbe 盡量大一些，它可以減少低溫票帶隙基準(zhǔn)電路對于運放輸入失調(diào)電壓的敏感度。流過R₀和R₂的電流是一樣的，所以只需要調(diào)節(jié)R₂和R₀的電阻比，就能將正溫度系數(shù)電壓放大一倍，同時這個正溫度系數(shù)又是疊加在Q₁具有負(fù)溫度系數(shù)的Vbe 上，所以得出結(jié)論：只要合理地選擇了BJT 的電流密度以及電阻阻值的比例，就可以在Vref_out 處得到一個幾乎不隨溫度變化的帶隙電壓[5]。

1.3.2 低功耗振蕩電路及定時器的設(shè)計與實現(xiàn)

芯片復(fù)位信號寬度需要用定時器確定，而定時器的時鐘需要振蕩器來產(chǎn)生。當(dāng)芯片檢測到電壓過低時，需恢復(fù)到正常振蕩器才開始工作，因此振蕩器需要快速響應(yīng)、快速起振并達到所需的頻率。快速起振并實現(xiàn)低功耗的振蕩電路和定時器是本設(shè)計中的一個重點要求[6]。

2 電源監(jiān)控電路的仿真

2.1 電源監(jiān)控電路前仿真

2.1.1 電源電壓

圖3 是RESET 和RESET1 引腳有效最小電壓值前仿真圖。圖中介紹了RESET 引腳和RESET1引腳的前仿真的具體連接方式。表1 為RESET 和RESET1 引腳有效最小電壓值。

2.1.2 靜態(tài)電流

靜態(tài)電流前仿真圖如圖3 所示。電源監(jiān)控電路靜態(tài)電流的前仿真結(jié)果如表2 所示。

從前仿真圖以及靜態(tài)電流的前仿真結(jié)果來看，當(dāng)VCC 介于復(fù)位閾值電壓（V_RST）和5.5 V 之間時，靜態(tài)電流的最大值為37 μA，符合設(shè)計要求。

2.1.3 復(fù)位閾值電壓及遲滯電壓

表3 為復(fù)位閾值電壓及遲滯電壓（V_HYS）的前仿真結(jié)果。從表3 中可以得出，前仿真中復(fù)位閾值電壓V_RST和遲滯電壓V_HYS 均符合設(shè)計要求。

從前仿真圖以及前仿真結(jié)果來看，RESET 和RESET1 的引腳有效最小電壓值為970 mV，滿足設(shè)計要求。

2.1.4 復(fù)位信號脈沖寬度

表4 為復(fù)位信號脈沖寬度前仿真結(jié)果。從表4的前仿真結(jié)果可以看出，VRST 和VHYS 復(fù)位信號脈沖寬度均滿足設(shè)計要求。

2.1.5 輸出高低電平

輸出高低電平前仿真結(jié)果如表5 所示。從表5 可以得出，輸出高低電平的前仿真結(jié)果均符合設(shè)計要求。

2.2 電源監(jiān)控電路后仿真

與前仿真類似，對電源監(jiān)控電路也分別做了關(guān)于“電源電壓”“靜態(tài)電流”“復(fù)位閾值電壓及遲滯電壓”“復(fù)位信號脈沖寬度”“輸出高低電平”的后仿真測試，其中這些后仿真結(jié)果均符合設(shè)計要求。

3 版圖設(shè)計

版圖（layout）集成電路設(shè)計者將設(shè)計并模擬優(yōu)化的電路轉(zhuǎn)化成一系列幾何圖形，其包含了集成電路尺寸大小等有關(guān)器件的所有物理信息。集成電路制造廠家根據(jù)這些信息來制造。

3.1 版圖概述

本電源監(jiān)控電路的工藝流片選擇華潤上華“0.25 μm BCD”工藝加工，該工藝經(jīng)過大規(guī)模量產(chǎn)，工藝穩(wěn)定，可靠性高。根據(jù)上述設(shè)計結(jié)果，設(shè)計版圖。

3.2 芯片面積

本電源監(jiān)控電路設(shè)計的芯片面積如表6。

3.3 電源監(jiān)控電路芯片示意圖

按照上述方案開展了電源監(jiān)控電路芯片的原理設(shè)計、仿真驗證和版圖設(shè)計，完成了電路的設(shè)計工作。圖4 為電源監(jiān)控電路芯片示意。

4 結(jié)論

本電路通過低溫票帶隙基準(zhǔn)設(shè)計，其上電復(fù)位和欠壓保護的精度和溫度特性良好。在-55 ～ 125℃全溫度范圍內(nèi)在上電、斷電和掉電過程中提供一個復(fù)位信號，兼容TTL/CMOS 手動復(fù)位輸入，兼容高/ 低電平有效（RESET/ ?RESET）。仿真證明該電路閾值電壓隨溫度變化極小，性能更加穩(wěn)定可靠，相較于分離元器件，其能夠顯著提高系統(tǒng)的可靠性和精度，并且實現(xiàn)了更低的功耗。