有關統計數據表明，模塊電源在預期有效時間內失效的主要原因是外部故障條件所導致的損壞，正常使用發生失效的幾率很低^[1]。因此，延長模塊電源壽命、提高系統可靠性的重要環節是選擇保護功能完善的產品。一個電路系統在正常工作時的電源電壓穩定尤為重要^[2]。雖然芯片工作在低電壓狀態時不會燒毀，但低電壓工作有可能會對芯片內部邏輯電路產生影響，并且長時間低電壓工作不可避免地對芯片產生不良影響，系統穩定性也會變得很差，因此需要欠壓保護電路避免芯片工作在這種情況下^[3]。其設計的關鍵在于，當電源電壓低于保護閾值門限時保持芯片關斷，并且帶有一定量的遲滯，以防止電源電壓在恢復過程中抖動而造成系統不穩定。

        本文提出了一種溫度漂移小的欠壓保護電路，電路結構簡單，不需要額外的帶隙基準電路，同時也省去了電壓比較器電路。當溫度在-40 ℃~125 ℃范圍內變化以及在不同模型時，欠壓保護的閾值電壓和遲滯電壓變化很小，滿足電路的設計要求。

1 欠壓保護電路架構及工作原理

1.1 傳統欠壓保護電路

        圖1所示為傳統欠壓保護電路的架構圖，該電路通常采用電阻分壓與基準電壓進行比較來判斷系統是否工作正常^[4]。其工作原理為：V_DD在R₀、R₁和R_f上的分壓V₁與基準電壓V_ref進行比較，在V_DD逐漸升高的過程中，V₁<V_ref時，UVLO_OUT為高電平，M₀導通，將R_f短路；V₁>V_ref時，UVLO_OUT為低電平，M₀關斷，將R_f斷路。V_DD逐漸減小過程中，UVLO_OUT的變化與V_DD升高時的變化相同，但由于存在R_f的短路與否，產生了遲滯電壓，從而避免了電壓抖動帶來的誤觸發。

                                                                   圖1  傳統欠壓保護電路架構圖

        電路中的比較器可以采用成熟的比較器模塊和系統中已有的基準電壓實現，這就要求在欠壓保護電路工作時，帶隙基準電路已經可以正常工作，即要求帶隙基準電路在較低電壓情況下就開始正常工作，這樣就增加了電路的設計難度。

        鑒于上述傳統欠壓保護電路存在的缺點，在此提出了一種新型欠壓保護電路，在不使用額外的帶隙基準電壓和比較器的情況下，能夠達到欠壓保護電路的各項指標，其具有電路結構簡單、低溫度敏感以及門限電壓精準等特點。

1.2 新型欠壓保護電路

        圖2所示為本文所提出的欠壓保護電路結構圖。電路由三極管Q₁~Q₄、MOS管M₀~M₁、反相器I₁和電阻R₀~R₂組成。其中，R₀、R₁、Q₁和Q₂構成電源電壓V_DD的采樣電路；Q₂、Q₃和R₂構成微電流源(widlar電流源)；M₁和M₂形成電流鏡；NMOS管M₀和電阻R₀構成電路的遲滯回路；MOS管M₃~M₈和反相器I₁組成輸出級，具有一定的整形作用，同時提供滯回信號。

                                                                      圖2  新型欠壓保護電路結構圖

        V_DD逐漸增加的過程中，最初由于V_DD不能達到Q₁和Q₂的導通門限，電路不工作；當V_DD上升到使Q₁、Q₂均導通后，其所在支路開始形成電流通路，并將電流鏡像到Q₄，同時微電流源開始工作，此時設定Q₃集電極電流大于Q₄集電極電流，即I₁>I₂，M₂漏極被拉為高電平，經過輸出級得到UVLO_OUT為高電平，M₀關斷，將R₀斷路；當V_DD繼續增大時，I₀、I₂增大，當I₁=I₂時，M₂漏極被拉低，UVLO_OUT翻轉為低電平，M₀導通，將R₀短路，整個系統開始正常工作。V_DD減小時與上述原理相同，只是翻轉門限不同。UVLO_OUT信號提供給后續電路開啟或關斷關鍵模塊，可以起到保護電路的作用。

        對于一個正向偏置的三極管，有^[5]：

        假設Q₁和Q₂的導通電壓相等，均為V_BE，則電源電壓采樣支路電流為：

        Q₂、Q₃和R₂組成的微電流源產生的電流可以由式(3)得到^[6]。三極管Q₂、Q₃和Q₄的發射極面積之比為1:n:1。

        由分析可知，當電流I₁=I₂時，UVLO_OUT翻轉，即I₀=I₁所對應電壓即為該欠壓保護電路的閾值門限。將電流I₁帶入式（2），可得如式（4）的翻轉門限：

        此時I₀=I₁，由式（3）可得電流I₁為：

        將式（5）帶入式（4）中，可得：

其中，是與溫度無關的常數。V_T具有正溫度系數，V_BE具有負溫度系數，所以在整個溫度范圍內，翻轉閾值會具有類似帶隙的溫度特性^[7]。

        MOS管M₀和電阻R₀構成遲滯回路，當電源電壓V_DD超過閾值電壓后，UVLO_OUT由高變低，M₀管導通，電阻R₀被短路，因此當電源電壓由高變低時，需要降到比V_DDthresholdH更低的一個電壓V_DDthresholdL才能使邏輯輸出電平發生翻轉。

其中，是與溫度無關的常數。式（9）同樣具有類似帶隙的溫度特性，從而保證了該保護電路具有低溫漂的特性。

        在本電路的設計過程中，調節電阻R₀、R₁、R₂和三極管Q₂、Q₃和Q₄的發射極面積之比可以得到所需要的翻轉門限，改變電阻R₀可以調整欠壓保護的遲滯量。

2 仿真結果及分析

        采用0.5 &mu;m OKI工藝的器件模型參數，用Hspice軟件對所設計的電路進行仿真。

        圖3所示為溫度在-40 ℃~125 ℃范圍內變化時電路的仿真結果。結果顯示，在典型情況下，電源電壓從3.3 V變化到4 V時，該欠壓保護電路的翻轉閾值為3.79 V，遲滯量為0.19 V。

                                                         圖3  溫度在-40 ℃~125 ℃下輸出曲線

        表1針對溫度在-40 ℃~125 ℃的仿真結果進行總結?？梢钥闯觯撾娐返姆D閾值和遲滯量最大變化分別為30 mV和70 mV，滿足電路的設計。

        如圖4所示，在不同模型情況下，該電路的翻轉閾值和遲滯量最大變化均為30 mV。

                                                                       圖4  不同模型下的輸出曲線

        本文分析了傳統欠壓保護電路的缺點，基于0.5 &mu;m OKI工藝，設計并實現了一種隨溫度漂移小的欠壓保護電路。本設計電路結構簡單，省去了帶隙基準和比較器電路，大大減小了電路的復雜性。在設計中特別考慮了電路的溫度特性，從而減小了溫度對翻轉閾值電壓和遲滯量的影響。使用Hspice軟件對電路進行仿真，仿真結果顯示，該電路在不同模型和溫度變化時，翻轉閾值電壓和遲滯量均變化很小，完全滿足電路的設計要求。

參考文獻

[1] 劉宇星.BUCK型DC-DC變換器中保護電路的設計[D].成都：西南交通大學，2009.

[2] 孔令榮，曾子玉，鄒雪城.一種高速低壓靜態功耗欠壓鎖定電路[J].電子技術應用，2007，33(1)：46-48.

[3] 王銳，唐婷婷.一種BiCMOS欠壓保護電路的設計[J].電子科技，2006(10)：76-78.

[4] 湛衍，姚遠，黃武康，等.一種電機驅動芯片的欠壓保護電路的設計[J].電子器件，2013，36(5)：709-711.

[5] 畢查德&middot;拉扎維，著.模擬CMOS集成電路設計[M].陳貴燦，譯.西安：西安交通大學出版社，2003．

[6] GRAY P R，HURST P J，LEVIS S H，et al.Analysis and design of analog integrated circuits[M].New York：John Wiley & Sons，Inc，2000.

[7] 程帥.升壓式DC/DC白光LED驅動芯片的設計[D].武漢：華中科技大學，2006.