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    CMOS欠壓保護電路的設(shè)計方案分析

    作者: 時間:2016-12-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

      1.引言

    本文引用地址:http://www.biyoush.com/article/201612/327525.htm

      在電機驅(qū)動、UPS等系統(tǒng)中電壓的穩(wěn)定尤為重要,欠壓、過壓保護是必不可少的,因此通過在芯片內(nèi)部集成過壓、欠壓保護電路來提高電源的可靠性和安全性。對功率集成電路,為提高電路的可靠性,保護電路同樣必不可少。保護電路的設(shè)計要簡單、實用,本文設(shè)計了一種CMOS 工藝下的欠壓保護電路,此電路結(jié)構(gòu)簡單,工藝實現(xiàn)容易,可用做高壓或功率集成電路等的電源保護電路。

      2.工作原理分析

      欠壓保護的電路原理圖如圖1 所示。共由五部分組成:偏置電路、基準電壓產(chǎn)生、欠壓檢測輸入、比較器、反饋回路。

      

      本電路的電源電壓是15V,M1、M2、M4、R1 是電路的偏置部分,給后級電路提供偏置,電阻R1 決定了電路的工作點,M1、M2、M4 是電流鏡;M3、D1產(chǎn)生基準電壓,輸入比較器的同相端;分壓電阻R2、R3、R4是欠壓檢測輸入,輸入比較器的反相端;R4、M5是欠壓信號的反饋回路;其余M6~M16 組成四級放大比較器。

      M3、D1 產(chǎn)生基準電壓,輸入比較器的同相端,固定不變是11V,當電源電壓正常工作時,反相端的欠壓檢測輸給比較器的反相端的電壓大于11V,比較器輸出為低,M5截止,反饋電路不起作用;當欠壓發(fā)生時,分壓電阻R2、R3、R4 反映比較敏感,當電阻分壓后輸給反相端的電壓小于11V,比較器的輸出電壓為高,此信號將M5 開啟,使得R4兩端的電壓變?yōu)镸5兩端的飽和電壓,趨近于0V,從而進一步拉低了R2、R3 分壓后得輸出電壓,形成了欠壓的正反饋。輸出為高,欠壓鎖定,起到了保護作用。

      3.參數(shù)計算

      對于MOS模擬集成電路,各MOS管的工作狀態(tài)和管子尺寸及寬長比決定了電路的功能和性能,下面結(jié)合0.6μm工藝,對電路的電阻及各管寬長比進行估算。設(shè)定電路的總功耗Pm《3mW,VCC是15V,將Uth近似為1V。根據(jù)總功耗可得總電流:

      

      電路共有八條回路(200/8),可大致分配各路電流20 μ A 左右:故偏置電流20 μ A,即:電阻R1 的阻值大致約;

      

      電路中MOS 管均工作在飽和區(qū),MOS 管的飽和區(qū)的公式:

      

      可以估算出M1 的寬長比,進而由電流鏡和PMOS 、NMOS的寬長比與遷移率的關(guān)系

      

      可得M2、M3、M4 的比值,即:

      

      穩(wěn)壓管的電壓值的設(shè)定要考慮工藝的實現(xiàn)并且要滿足M3 工作在飽和區(qū)的條件下選定,這里電壓值選為11V;而電阻的設(shè)計要考慮面積因素。電阻R2、R3、R4 構(gòu)成分壓器,設(shè)定此路中電流是30 μ A,忽略M5 的電阻,可得

      

      其中,R3=300KΩ,R4=70KΩ

      比較器的增益要足夠的大,設(shè)定比較器的開環(huán)增益在80dB(104 倍)以上,由于實際制作出的產(chǎn)品往往比理論計算出的放大倍數(shù)小很多。因此,我們分配各級的放大倍數(shù)分別: Aμ1=50,Aμ2=20,Aμ3=10.總共的放大倍數(shù)為各級放大倍數(shù)的乘積,即為:

      

      分配各級電流的四路總和不超過110μA(200μA-20×3μA-30μA)。故分配各級電流分別為30 μ A、20 μA、30 μA 和30 μA。這樣,我們就可以根據(jù)放大倍數(shù)和偏置電流來計算出各個管子的寬長比。

      對于差分放大級。放大倍數(shù)Aμ1=50, 偏置電流為30μA,則兩個支路的電流為1 5 μ A 。根據(jù)計算公式:

      

      第二級,共源放大級。放大倍數(shù)A μ2=20,流過的電流為20 μ A,根據(jù)

      

      第三級和第四級推挽CMOS 放大級,由公式:

      

      出M13~M15 各管的寬長比為:

      

      差分對的有源負載管寬長比的計算。從電壓角度出發(fā),為了保證所有的管子在信號范圍內(nèi)都工作在恒流區(qū)或臨界恒流區(qū),而不進入深度線性區(qū),根據(jù)總電源電壓VDD =15V,我們可以大致分配M9、M10 的靜態(tài)。則:

      

      計算可得:

      


      4.模擬仿真結(jié)果分析

      通過上面的計算所得, 利用pspice 對電路進行模擬,在模擬仿真過程中,各管的尺寸有調(diào)整,在仿真時,分別增大和減小電源電壓來進行電源掃描,波形見圖2。 從仿真的波形中可以看出:當增大電源電壓時,電壓低于14.78V時,欠壓鎖定;當減小電源電壓時,電壓低于14.5V 時,欠壓鎖定。仍可進一步調(diào)整參數(shù),來改善增大電源電壓時的欠壓曲線。

      

     ?。╝)電源掃描的波形(增大電源電壓)

      

     ?。╞)電源掃描的波形(減小電源電壓)

      圖2電源掃描的波形圖

      5.結(jié)論

      此欠壓保護電路結(jié)構(gòu)簡單,工藝易實現(xiàn),可用于功率ic 穩(wěn)壓電源保護中,當采用不同的工藝時,計算參數(shù)的方法相同,也可以采用等比例縮小的原則確定參數(shù)。對于一般的欠壓保護,本電路已經(jīng)足夠。如果對欠壓保護精度和靈敏度要求很高的電路,則可在此電路的基礎(chǔ)上將穩(wěn)壓輸入部分換成穩(wěn)壓源,將比較器選用精度更高的比較器,但這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜,功耗大,成本高。



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