专利名称：一种开关电源的欠压保护电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及模拟集成电路的开关电源，尤其涉及一种开关电源的欠压保护电路，适用于各种电源管理芯片中的启动保护。
背景技术：
评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。开关电源不仅要在电器技术指标满足设备正常使用要求的条件下工作，还要在满足外界、自身电路或负载电路出现故障的条件下也能安全可靠的工作，当电源电压低于芯片的正常工作范围时，芯片内部某些电路会无法正常工作，并产生内部逻辑错误，从而使 外部开关管处于不确定状态，有可能对外部电路和芯片造成损坏，因此必须设计欠压保护电路。欠压保护可以提高芯片可靠性、安全性、通过对芯片输入电压进行检测，在输入电源电压过小时，可以将芯片关断，芯片不工作，保持在安全状态。目前国内外的欠压保护电路分为两种，一种是外接基准电压的欠压保护电路，一种是自启动的欠压锁存电路。图I给出了电源管理类集成电路的一种欠压锁存电路，其中包括电源分压电路、比较器、用于提供带隙基准参考电压的基准电压源和由一些逻辑器件组成的逻辑电路，电源分压电路的输入端接电源电压，电源分压电路输出端接比较器的正向输入端，基准电压源的输出端接比较器的反向输入端，比较器的输出端接逻辑电路的输入端，逻辑电路的输出端输出欠压锁存电压信号。这种欠压锁存电路主要由比较器和基准电压源组成，所使用的元器件较多、占用面积较大、且响应时间较慢。201010508409. 6 “带有带隙基准结构的欠压锁存电路”提出一种以分压器、带隙基准电路、比较器和逻辑电路为核心的欠压锁存电路，其基本思想是将分压器采样的电源电压输入带隙基准比较器的比较电压输入端，带隙基准比较器输出经逻辑电路整形后构成欠压锁存电路的控制输出端；逻辑电路与分压器间设有反馈控制回路。该项申请的欠压锁存电路存在的不足是其输出欠压锁存信号摆幅较小，不利于驱动更多的负载，在电源电压较低时带隙基准比较器工作不稳定容易导致输出发生误翻转，且不能用CMOS工艺实现。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种开关电源的欠压保护电路，基于自启动欠压锁存，具有较快响应速度及欠压锁存功能，采用了防止误翻转电路，提高了输出的稳定性，电路结构简单明了，具有较小的功耗，能够集成在电路内部实现，并能在所有时间段，包括启动阶段达到保护整个电源芯片的作用。为实现上述目的，采用以下技术方案一种开关电源的欠压保护电路，其特征是，包括自启动偏置电流源、采样电路、比较器、放大器、整形电路及反馈电路，自启动偏置电流源的输出连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接比较器的输入端，比较器的输出端连接放大器的输入端，放大器的输出端连接整形电路的输入端，整形电路的输出中，一路经反馈电路后连接采样电路，另一路连接被保护的开关电源，其中，自启动偏置电流源与采样电路系一个电路模块；自启动偏置电流源与采样电路包括三个电阻Rl、R2及R3、NMOS管M4及一个PNP三极管，电阻Rl、R2及R3依次串联，电阻Rl的另一端接电源VDD，电阻R3的另一端连接NMOS管M4的栅极和漏极，NMOS管M4的源极连接PNP三极管的发射极，PNP三极管的集电极和基极接地；比较器包括两个PMOS管M5及M6、三个NMOS管M7、M8及M9，NM0S管M7的栅极连接自启动偏置电流源与采样电路中电阻R2与R3的串接点，NMOS管M7的源极、NMOS管M8的源极以及NMOS管M9的漏极连接在一起，NMOS管M9的栅极连接自启动偏置电流源与采样电路中NMOS管M4的源极，NMOS管M9的源极接地，NMOS管M8的栅极连接自启动偏置电流源与采样电路中电阻R3与NMOS管M4栅极的串接点，NMOS管M7的漏极及NMOS管M8的的漏极分别连接NMOS管M5及NMOS管M6的漏极，NMOS管M5的栅极、NMOS管M6的栅极以及NMOS管M6的漏极连接在一起，NMOS管M5的源极及NMOS管M6源极均接电源VDD，NMOS管M6的源极与漏极之间连接电容C2 ；放大器包括PMOS管Ml和NMOS管M2，PMOS管Ml的源极接电源VDD，PMOS管Ml的栅极连接比较器中NMOS管M7的漏极，PMOS管Ml的漏极连接NMOS管M2的漏极，NMOS管M2的栅极连接自启动偏置电流源与采样电路中NMOS管M4的源极，NMOS管M2的源极接地，NMOS管M2的源极与漏极之间连接电容Cl ；整形电路包括三个依次串接的反相器INV1、反相器INV2及反相器INV3，反相器INVl输入端连接放大器中PMOS管Ml的漏极，反相器INV2与反相器INV3之间的串接点连接到被保护的开关电源；反馈电路设有一个PMOS管M3，PMOS管M3的栅极连接整形电路中反相器INV3的输出端，PMOS管M3的源极接电源VDD，PMOS管M3的漏极连接自启动偏置电流源与采样电路中电阻Rl与R2的串接点。本发明的优点及显著效果I)本发明电路在CMOS工艺下就可以实现，对工艺的要求低，应用广泛。2)本发明电路中电流偏置和采样电路合二为一，简化了电路的结构，降低了整个欠压锁存电路的功耗。3)本发明电路中增加了迟滞电路的设计，能够防止欠压锁存电路的误翻转。4)本发明比较器中的电流镜使用的是非对称结构的电流镜，这样可以使输出电压的变化较大，使得输出电压对输入电压的响应速度变快。
图I为现有技术的一种欠压保护电路的原理框图；图2为本发明的原理框图；图3为本发明的一种具体实现电路图。
具体实施例方式参看图2，本发明保护电路包括自启动偏置电流源、采样电路、比较器、放大器、整形电路和反馈电路，其中偏置电流源和采样电路是一个模块电路同时实现。采样电路输出、采样电压(包含两个采样电压)送入到比较器进行比较，比较器的输出接到放大器将信号放大，放大出来的信号接到一组反相器进行整形，整形输出的其中一路电压通过一个反馈开关管控制采样电压，另外一路整形输出Vwt连接DC-DC变换器使能的一个端口，使能的另一输入端ENl是人工开启使能信号，只有ENl和欠压保护电路使能同时为“I”时，使能EN才开启，DC-DC变换器的核心电路才开始工作，达到欠压保护目的。图3是图2的具体电路。自启动偏置电流源与采样电路I中，电阻R1、R2及R3依次串联，Rl的上端接电源VDD，R3的下端连接NMOS管M4的栅极和漏极，NMOS管M4的源极连接PNP三极管的发射极，PNP三极管的集电极和基极接地。电阻R2与R3的串接点作为第一采样电压，M4的栅极与R3的连接点作为第二采样电压。自启动偏置电流源与采样电路的输入端为电路电源信号，电阻Rf R3以及二极管连接形式的PNP三极管和NMOS管M4组成自启动的偏置电路，给比较器和放大器提供尾电流。比较器3采用非对称电流镜结构，PMOS管M5、M6以及NMOS管M7、M8、M9构成差分放大器，M5、M6为电流镜负载，M7的漏极作为比较器的输出电压，M9为比较器提供尾电流，M9的栅极接到PNP三极管的发射极，为M9提供尾电流。电容C2连接M6的漏、源两极起稳 压作用。自启动偏置电流源与采样电路中的电阻R3上下两端分别作为比较器的反向输入端和正向输入端。当电源电压变化时，电阻R3上下端压差会跟随变化，导致比较器输出翻转，表征电源电压满足系统工作条件，系统使能开启。欠压保护(锁存)电路的输入信号为电源电压，输出信号表征电源电压是否满足工作条件电源电压从低电位到高电位上升时，高于xV(x为设定的正向翻转电压)时输出“I”信号，否则为“0”；电源电压从高电位到低电位下降时，低于yV (y为设定的反向翻转电压)时输出“0”信号，否则为“I”。通过自启动偏置电流源与采样电路中串联电阻RfR3与一个以二极管连接的NMOS管M4和一个以二极管连接的PNP三极管，流经电阻R3的电流为
V -V -V
I — r dd f GS r BE 1 一 R'+R2+R3其中Vffi为M4的漏、源极压降，Vbe为PNP三极管的集电极发射极压降，对于电流I1在较小范围变化时，和Vbe变化较缓慢，即电阻R3的下端，也就是比较器的正向输入端随电源电压变化较缓慢山是随着电源电压的升高而增大的，R3的上下压差满足Ve3=I1XR3R3是不变的，I1是随着电源电压的升高而增大的，那么可知随着电源电压逐渐升高，R3的上下压差将会增大，电阻R3两端的电压作为第一、第二采样电压输入到比较器的两端，R3的上下压差决定了构成比较器的差分放大器的输出信号。由于差分放大器输入端信号始终V-大于V+，输出信号变化较慢，因此设计电流镜负载不对称，这样可以实现输出电压变化较大，当R3两端的电压差大到一定电压值时，输出电压发生翻转，这种不对称的比较器可以使得输出电压的变化大从而使得输出电压对输入电压的响应变快。放大器4中的PMOS管Ml和NMOS管M2构成带有有源负载的共源放大器，Ml为放大管，Ml的栅极连接比较器的输出电压(M7的漏极)，将比较器输出信号放大，有源负载M2的栅极由PNP三极管的发射极提供尾电流作为稳定的偏置电压，电容Cl连接M2的漏、源两极起稳压作用。Ml的漏极为放大器4的输出，连接到作为整形电路5中的反相器INVl输入端，经过反相器INVl和INV2整形后，反相器INV2的输出信号Vrat连接到被保护的开关电源，Vout经反相器INV3后的输出信号\连接反馈电路6的PMOS开关管M3栅极，控制开关管M3的开启、关断，进而对自启动偏置电流源与采样电路中的电阻Rl进行控制，实现比较器的迟滞功能，能够防止欠压保护(锁存)电路的误翻转。其关键在于，由于开关管M3由输出电压V,控制，当电压从低往高变化，低于正向翻转电压时，V,信号为1，M3关闭，电阻Rl被导通，这时相同电流I1T的输 入电压就会较大，这样就会在较大的正向电压下发生翻转，反之，当电压从高向低变化时，当高于翻转电压时，V,信号为0，M3导通，这时电阻Rl被短路，这时相同电流I1下的输入电压较小，这样就会在较小的反向电压下翻转，正向翻转电压和反向翻转电压之间存在一个迟滞范围，可以有效的防止误关断。开关管M3也可以采用N型MOS管。
权利要求
1. 一种开关电源的欠压保护电路，其特征是，包括自启动偏置电流源、采样电路、比较器、放大器、整形电路及反馈电路，自启动偏置电流源的输出连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接比较器的输入端，比较器的输出端连接放大器的输入端，放大器的输出端连接整形电路的输入端，整形电路的输出中，一路经反馈电路后连接采样电路，另一路连接被保护的开关电源，其中，自启动偏置电流源与采样电路系ー个电路模块； 自启动偏置电流源与采样电路包括三个电阻Rl、R2及R3、NMOS管M4及ー个PNP三极管，电阻R1、R2及R3依次串联，电阻Rl的另一端接电源VDD，电阻R3的另一端连接NMOS管M4的栅极和漏极，NMOS管M4的源极连接PNP三极管的发射极，PNP三极管的集电极和基极接地； 比较器包括两个PMOS管M5及M6、三个NMOS管M7、M8及M9，NM0S管M7的栅极连接自启动偏置电流源与采样电路中电阻R2与R3的串接点，NMOS管M7的源极、NMOS管M8的源极以及NMOS管M9的漏极连接在一起，NMOS管M9的栅极连接自启动偏置电流源与采样电路中NMOS管M4的源极，NMOS管M9的源极接地，NMOS管M8的栅极连接自启动偏置电流源与采样电路中电阻R3与NMOS管M4栅极的串接点，NMOS管M7的漏极及NMOS管M8的的漏极分别连接NMOS管M5及NMOS管M6的漏极，NMOS管M5的栅极、NMOS管M6的栅极以及NMOS管M6的漏极连接在一起，NMOS管M5的源极及NMOS管M6源极均接电源VDD，NM0S管M6的源极与漏极之间连接电容C2 ； 放大器包括PMOS管Ml和NMOS管M2，PMOS管Ml的源极接电源VDD，PMOS管Ml的栅极连接比较器中NMOS管M7的漏极，PMOS管Ml的漏极连接NMOS管M2的漏极，NMOS管M2的栅极连接自启动偏置电流源与采样电路中NMOS管M4的源极，NMOS管M2的源极接地，NMOS管M2的源极与漏极之间连接电容Cl ； 整形电路包括三个依次串接的反相器INV1、反相器INV2及反相器INV3，反相器INVl输入端连接放大器中PMOS管Ml的漏极，反相器INV2与反相器INV3之间的串接点连接到被保护的开关电源； 反馈电路设有ー个PMOS管M3，PMOS管M3的栅极连接整形电路中反相器INV3的输出端，PMOS管M3的源极接电源VDD，PMOS管M3的漏极连接自启动偏置电流源与采样电路中电阻Rl与R2的串接点。
全文摘要
一种开关电源的欠压保护电路，其特征是，包括自启动偏置电流源、采样电路、比较器、放大器、整形电路及反馈电路，自启动偏置电流源的输出连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接比较器的输入端，比较器的输出端连接放大器的输入端，放大器的输出端连接整形电路的输入端，整形电路的输出中，一路经反馈电路后连接采样电路，另一路连接被保护的开关电源；其中，自启动偏置电流源与采样电路系一个电路模块。
文档编号H02H3/24GK102709883SQ20121014666
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者孙伟锋, 孙锋锋, 徐申, 时龙兴, 杨淼, 陆晓霞, 陆生礼 申请人:东南大学