一种欠压锁定电路的制作方法

1.本实用新型涉及电路技术领域，尤其涉及一种欠压锁定电路。


背景技术：

2.欠压锁定(undervoltage-lockout，uvlo)电路的作用是实时监测芯片的电源电压，确保芯片在电源电压达到启动电压前不会被激活，只有当电源电压达到启动电压时，芯片方可启动工作；当电源电压低于欠压锁定电压时直接切断供电电源，防止芯片因电源电压过低而损坏。通常欠压锁定电路的启动电压和欠压锁定电压之间设有一定的迟滞量，以保证芯片能够正常进入启动状态并且稳定工作，同时确保电源电压的波动不会造成芯片工作异常。例如电子设备在工作时，若携带的负载较大，设备在启动瞬间会将芯片的电源电压拉低至启动电压以下，为了避免出现设备一开启就关断的情况，则需要采用欠压锁定电路对芯片的电源电压进行实时监测和锁定，以提高设备工作的稳定性和可靠性，因此欠压锁定电路是电源管理芯片中不可或缺的一部分。
3.一种常见的欠压锁定电路的实现方案如图1所示。图1中，vdd是供电电源，vddon_n为欠压锁定信号，vddon_n经过高压反相器inv1输出反相信号vddon_p。稳压二极管d1对高压开关管pm1的v
gs
电压进行钳位，防止vdd电压过高将pm1栅极击穿。开关管pm1、稳压二极管d1、d2、d3、d4和电阻r2、r4、r6构成vdd电压采样电路，vc为采样电压，通过vc控制开关管nm1的开启和关断，从而控制欠压锁定信号进行状态切换。稳压二极管d7对采样电压vc进行钳位，防止vc过高将nm1栅极击穿。
4.该方案的uvlo电路工作原理如下所述：vdd从0v开始逐渐升高，当vdd小于两个稳压二极管的反向击穿电压2v
dz
时(v
dz
为一个稳压二极管的反向击穿电压)，uvlo电路未启动工作。当vdd＝2v
dz
时，电阻r1和稳压二极管d5、d6构成的支路开始导通，此时欠压锁定信号vddon_n被d5、d6钳位，有vddon_n＝vdd＝2v
dz
，则反相器inv1输出信号vddon_p为低电平。由于此时vdd未达到三个稳压二极管的反向击穿电压，电阻r2、r4、r6和稳压二极管d2、d3和d4所在支路未导通，vc被电阻r6下拉到地，此时开关管nm1处于关断状态，稳压二极管d1、电阻r3和nm1管所构成的支路无法导通，因此有va＝vddon_n＝2v
dz
，则pm1管的v
gs
电压为0v，pm1管处于关断状态。
5.vdd电压继续升高，当vdd升高至使pm1管的v
gs
电压达到pm1管的开启阈值电压v
th_pm1
时，pm1管导通，vb被pm1上拉到pm1漏极电位v
d_pm1
(v
d_pm1
＝vdd-v
ds_pm1
)，pm1管、稳压二极管d4和电阻r4、r6构成的支路导通，采样电压vc开始随vdd电压升高而增大。
6.当vdd升高至使vc达到nm1管的开启阈值电压v
th_nm1
时，nm1管开启，vddon_n被下拉到地，反相器inv1输出信号vddon_p翻转为高电平，控制内部电路启动工作，则称此时的vdd电压为启动电压vdd_on。包括于vdd达到开启电压后，vddon_n被下拉到地，此时稳压二极管d1对pm1管的v
gs
电压进行钳位，则pm1管的v
gs
电压始终保持为一个稳压管的反向击穿电压v
dz
，因此pm1管保持开启状态。
7.当vdd电压从vdd_on以上开始逐渐下降，vc随之减小，直到vc＜v
th_nm1
时，nm1管关
断，vddon_n重新被上拉到vdd，反相器inv1输出信号vddon_p再次翻转为低电平，输出欠压锁定信号，控制内部电路停止工作，因此称此时的vdd电压为欠压锁定电压vdd_off。
8.另一种常见的欠压锁定电路结构如图2所示。图2中所示的uvlo电路方案由vdd_on电压检测电路、vdd_off电压检测电路和欠压锁定信号输出支路构成。vdd_on电压检测电路包括高压pmos管pm1、pm2，高压nmos管nm1、nm2、稳压二极管d1、电阻r1、r2、r3、r6、r7、r8、r9、r12、r13、r14、r15、开关管nm4、nm6、nm8、nmos管nm9、nm10、nm11和电容c1构成。nmos管nm9、nm10和nm11接成二极管形式并串联，对vh信号进行钳位。vdd_off电压检测电路包括高压pmos管pm3与电阻r4、r10、r16、电容c2和uvlo比较器电路构成。欠压锁定信号输出支路包括开关管nm3、nm12、nm13和电阻r11构成。
9.该电路工作原理如下：当vdd电压从0v逐渐升高至一个稳压二极管的反向击穿电压v
dz
时，电阻r5与稳压二极管d2构成的支路导通，vf被d2钳位，有vf＝v
dz
，此时nm2导通，信号vd被电阻r7上拉到nm2源级电位v
s_nm2
(v
s_nm2
＝v
dz-v
gs_nm2
)，控制开关管nm6、nm8开启，nm6管将信号vg下拉到地，电阻r12、r15被短路。nm8管将vj下拉到地，同时vk被下拉到地，开关管nm12关断，同时nm13处于关断状态，vddon_n被上拉到高电平。
10.当vdd升高到vdd＝v
dz
+v
ds_nm1
(v
ds_nm1
为nm1导通压降)，vdd_on电压检测电路导通。当vdd电压继续升高至使采样电压vh达到开关管nm4的开启阈值电压v
th_nm4
时，nm4管导通，将vd下拉至地，此时开关管nm6、nm8关断，vj被电阻r13上拉到vh，则vk也被上拉到vh，即vk＝vj＝vh＝v
th_nm4
，控制开关管nm12导通，将vddon_n下拉到地，此时内部电路开始工作。电路启动后，pm3开启，vdd_off电压检测电路导通工作，此时vdd电压较大，采样电压vm大于内部参考电压vref，因此uvlo比较器输出信号vddoff_n为高电平，控制开关管nm5和nm13开启。
11.当vdd电压从vdd_on开始逐渐下降，采样电压vm随之减小，当vdd减小至使vm小于vref时，比较器输出信号vddoff_n翻转为低电平，开关管nm5和nm13关断。同时，采样电压vh随vdd下降也逐渐减小，当vh小于v
th_nm4
时，开关管nm4关断，vd重新被上拉，使得开关管nm6和nm8开启，nm8管将vj下拉到地，即vk被下拉到地，控制开关管nm12关断，此时vddon_n重新被上拉到高电平，控制电路停止工作。
12.上述方案1的uvlo电路缺点如下：
13.(1)此方案必须采用厚栅氧bcd工艺，工艺选择的局限性较大。该电路在高压供电电源vdd达到启动电压vdd_on前，高压反相器inv1中的nmos管的v
gs
电压为电源vdd，因此nmos管的v
gs
有高耐压要求；在vdd达到vdd_on以后，vddon_n信号被下拉到地，此时高压反相器inv1中的pmos管所承受的v
gs
电压为高压供电电源vdd，这就要求pmos管的v
gs
耐压要达到芯片的极限工作电压，因此该电路必须采用厚栅氧bcd工艺进行设计，以保证器件v
gs
耐压能力满足设计要求。厚栅氧工艺更容易在0.18um以上(制程线宽大于0.18um)的工艺上实现，在0.18um及以下的制程工艺上制作高v
gs
耐压器件具有一定的难度，只有少数晶圆制造厂能够实现，因此该电路在工艺选择上具有很大的局限性。
14.(2)此方案使用的稳压二极管数量较多，占用电路版图面积大，芯片制造成本高。该电路中稳压二极管d1和d2阴极承受的电压为高压供电电源vdd，d4阴极也需承受高压(vdd-v
ds_pm1
)，为了避免出现vdd电压过高将稳压二极管的隔离环与衬底之间的pn结击穿的情况，需采用高压稳压二极管进行设计。通常稳压二极管的结耐压越高，版图面积越大，因
此高压稳压二极管的版图面积远大于低压稳压二极管，该方案中共计需使用4个高压稳压二极管和3个低压稳压二极管，使用的稳压二极管数量较多，将使得电路面积显著增大，大大提高了芯片制造成本。
15.上述方案2的uvlo电路缺点如下：
16.(1)此方案的uvlo功能实现形式复杂，部分功能冗余。此方案分别设计了vdd_on电压检测电路和vdd_off电压检测电路，当vdd＝vdd_on时，vdd_on电压检测电路中的nm4开启将vd下拉到地，信号vk控制nm12开启将vddon_n下拉到地，vdd_off电压检测电路工作后再次对vd和vddon_n进行下拉，此部分功能冗余。另外，当vdd＝vdd_off时，vdd_off电压检测电路输出信号控制nm13关断，同时需要保证vdd_on电压检测电路中的vk信号能控制nm12关断，才能使vddon_n再次翻转为高电平，控制电路停止工作，此部分功能冗余，使得欠压锁定功能实现方式愈加复杂。
17.(2)此方案需使用数量较多的大阻值电阻进行限流，大阻值电阻所占用的版图面积较大，不适用于0.18um以上的制程工艺(工艺制程线宽大于0.18um)。该方案中的vdd_on电压检测电路采用电阻分压结构，在电路启动过程中需要使用大阻值电阻进行限流，同时r5也需要设计成大阻值电阻对其所在支路进行限流。该方案使用的大阻值电阻数量较多，大大增加了电路版图面积。在相同电阻值要求下，工艺制程线宽越大，制造出的电阻器件尺寸越大，若该方案使用0.18um以上的制程工艺进行设计，那么电阻器件占用的版图面积将会显著增大，使得芯片制造成本增加，因此该电路不适用于0.18um以上的制程工艺。


技术实现要素：

18.为此，需要提供一种欠压锁定电路，解决现有欠压锁定电路结构复杂、电路版图面积占用较大的问题。
19.为实现上述目的，本实用新型提供了一种欠压锁定电路，包括电阻r2、稳压二极管d3、稳压二极管d2和开关管nm3，电阻r2的一端连接高压供电电源vdd、电阻r1的一端、开关管nm1的漏级和开关管nm2的漏级，电阻r2的另一端与稳压二极管d3的阴极、开关管nm1的栅级和开关管nm2的栅级连接，电阻r1的另一端与稳压二极管d1的阴极连接，开关管nm1的源级与电阻r5的一端连接，开关管nm2的源级与电阻r6的一端连接，电阻r6的另一端与欠压锁定信号vddon_n、开关管nm10的漏级和开关管nm4的栅级连接，开关管nm4的漏级通过电阻r4以及稳压二极管d2后连接到稳压二极管d1的阳极，稳压二极管d2的阴极与稳压二极管d1的阳极连接；开关管nm4的源级与电阻r8的一端和开关管nm5的栅极连接，开关管nm5的漏极与电阻r5的另一端和开关管nm6的栅极连接，开关管nm6的漏极与电阻r8的另一端和开关管nm10的栅极连接，开关管nm6的源极、开关管nm5的源极、开关管nm10的源极和稳压二极管d3的阴极与接地端gnd连接；开关管nm3的源极与开关管nm4的源极和电阻r7的一端连接，开关管nm3的漏极与电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与稳压二极管d1的阳极连接，电阻r7的另一端与接地端gnd连接，开关管nm3的栅极与低压供电电源vcca连接；
20.所述开关管nm1、所述开关管nm2、所述开关管nm3、所述开关管nm4、所述开关管nm5、所述开关管nm6和所述开关管nm10为nmos管。
21.进一步地，所述稳压二极管d2的反向击穿电压和所述稳压二极管d1的反向击穿电压和稳压二极管d3的反向击穿电压相同。
22.进一步地，还包括钳位器件，所述钳位器件的一端与开关管nm5的栅极连接，所述钳位器件的另一端与接地端gnd连接。
23.进一步地，所述钳位器件包括两个以上的nmos管，开关管nm5的栅极与第一个的nmos管的漏极和栅极连接，相邻的两个nmos管中的前一个nmos管的源极与下一个nmos管的栅极和漏极连接，最后一个nmos管的源极与接地端gnd连接。
24.进一步地，所述钳位器件包括nmos管nm7、nmos管nm8和nmos管nm9，nmos管nm7的漏极和nmos管nm7的栅极与nmos管nm5的栅极连接,nmos管nm7的源极与nmos管nm8的漏极和nmos管nm8的栅极连接，nmos管nm8的源极与nmos管nm9的漏极和nmos管nm9的栅极连接，nmos管nm9的源极与接地端gnd连接。
25.进一步地，所述钳位器件的nmos管具有相同开启阈值电压。
26.进一步地，还包括电阻r9，电阻r8的另一端通过电阻r9和开关管nm10的栅极连接。
27.进一步地，还包括电容c1，所述电容c1的一端与开关管nm10的栅极连接，所述电容c1的另一端与接地端gnd连接。
28.进一步地，所述开关管nm5和所述开关管nm10具有相同开启阈值电压。
29.区别于现有技术，上述技术方案具有如下优点：
30.1、本实用新型所述的欠压锁定电路实现形式简单。该欠压锁定电路采用稳压二极管和电阻构成vdd电压检测电路，利用采样电压vc控制开关管nm5的开启和关断，从而控制欠压锁定信号的输出，以此达到实时监测vdd电压的目的，其中通过开关管nm4的控制即可实现vdd_on电压检测功能，进一步采用nm3可实现vdd_off电压检测功能的切换，无需单独设计内部参考电压和比较器电路，电路结构简单。
31.2、本实用新型所述的欠压锁定电路，其工艺选择的局限性小，通用性好。本实用新型电路中所有的mos器件均无vgs高耐压要求，无需使用厚栅氧bcd工艺进行设计，采用薄栅氧bcd工艺即可满足设计要求，降低了电路设计时工艺选择的局限性。
32.3、本实用新型所述的欠压锁定电路版图面积小，节约芯片制造成本。该电路只需三个稳压二极管，占用电路版图面积较小。同时，该电路在实现vdd_on电压检测功能时使用了两个稳压二极管，使得电路在启动过程中无需采用大阻值电阻进行限流，大大减少了大阻值电阻的使用，进一步减小了电路版图面积，有利于降低芯片制造成本。
附图说明
33.图1为背景技术一种的欠压锁定电路的电路结构图；
34.图2为背景技术另一种欠压锁定电路的电路结构图；
35.图3为一实施方式所述的欠压锁定电路的电路结构图；
36.图4为另一实施方式所述的欠压锁定电路结构的电路结构图；
37.图5为再一实施方式所述的欠压锁定电路结构的电路结构图。
具体实施方式
38.为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
39.请参阅图3到图5，本实施例提供一种欠压锁定电路，包括电阻r2和稳压二极管d3、
稳压二极管d2和开关管nm3，电阻r2的一端连接高压供电电源vdd、电阻r1的一端、开关管nm1的漏级和开关管nm2的漏级，电阻r2的另一端与稳压二极管d3的阴极、开关管nm1的栅级和开关管nm2的栅级连接，电阻r1的另一端与稳压二极管d1的阴极连接，开关管nm1的源级与电阻r5的一端连接，开关管nm2的源级与电阻r6的一端连接，电阻r6的另一端与欠压锁定信号vddon_n、开关管nm10的漏级和开关管nm4的栅级连接，开关管nm4的漏级通过电阻r4连接到稳压二极管d2的阳极，稳压二极管d2阴极连接到稳压二极管d1的阳极，开关管nm4的源级与电阻r8、r7的一端和开关管nm3的源级、开关管nm5的栅极连接，开关管nm3的漏极与电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与稳压二极管d1的阳极连接，开关管nm3的栅极与低压供电电源vcca连接，开关管nm5的漏极与电阻r5的另一端和开关管nm6的栅极连接，开关管nm6的漏极与电阻r8的另一端和开关管nm10的栅极连接，电阻r7的另一端、开关管nm6的源极、开关管nm5的源极、开关管nm10的源极和稳压二极管d3的阴极与接地端gnd连接；所述开关管nm1、所述开关管nm2、所述开关管nm3、所述开关管nm4、所述开关管nm5、所述开关管nm6和所述开关管nm10为nmos管。
40.其中，高压供电电源vdd是外部供电电源，给内部工作电路提供电源的，高压供电电源vdd中的高压并不是指电压是高压电，而是为了与下面提到的低压供电电源vcca进行区分。一般地，低压供电电源vcca是由内部工作电路中的regulator电路产生的，将高压供电电源vdd的电压转换为低压供电电源vcca，由于vdd的电压一般是高于vcca，则通过高压和低压对两个电源进行区分。欠压锁定信号vddon_n用于控制内部工作电路是否开始工作，当欠压锁定信号vddon_n下拉到地时，控制内部工作电路开始工作。本实用新型电路中，信号vc为采样电压，控制开关管nm5的开启和关断。vdd检测电路产生的信号vf控制开关管nm10的开启和关断，从而控制欠压锁定信号vddon_n的输出。开关管nm1、nm2的开启和关断受信号vb控制，稳压二极管d3对vb进行钳位，从而保证nm1、nm2的v
gs
电压在其耐压范围内。电阻r2、电阻r5和电阻r6为限流电阻。
41.本实用新型的欠压锁定电路工作原理如下所述：
42.当高压供电电源vdd小于一个稳压二极管反向击穿电压v
dz，
时(本实用新型电路中稳压二极管d1、d2和d3的反向击穿电压相同)，该电路中各支路无法导通，此时电路无法启动工作；当高压供电电源vdd升高到v
dz
时，电阻r2和稳压二极管d3构成的支路开始导通，此时信号vb被d3钳位，有vb＝v
dz
，则vb控制开关管nm1和nm2开启，开关管nm1和nm2分别通过电阻r5、r6将vd和vddon_n上拉，从而控制开关管nm4和nm6开启；当vdd继续升高至两个稳压二极管反向击穿电压2v
dz
时，稳压二极管d1、d2、电阻r1、r4、r8和开关管nm4、nm6构成的vdd_on电压检测电路开始工作，采样电压vc开始随vdd电压升高而增大；当vdd升高至使vc达到开关管nm5的开启阈值电压v
th_nm5
时，nm5管开启，将信号vd下拉到地，因此受信号vd控制的开关管nm6关断，ve电压被电阻r8上拉至vc，同时信号vf也被上拉到vc，此时有vf＝ve＝vc＝v
th_nm5
。一般地，可以将所述开关管nm5和所述开关管nm10设置为同类型的开关管，即所述开关管nm5和所述开关管nm10具有相同开启阈值电压。此时vf也达到开关管nm10的开启阈值电压v
th_nm10
，nm10管开启，将欠压锁定信号vddon_n下拉至地，控制内部工作电路开始工作，因此称此时的vdd电压为启动电压vdd_on，此时电路实现vdd_on电压检测功能。
43.则在图3的实施例中，有启动电压vdd_on表达式如下式所示：
[0044][0045]
其中v
th_nm5
为开关管nm5的开启阈值电压，v
d1
为稳压二极管d1的反向击穿电压。上述实施例的欠压锁定电路实现形式简单，无需单独设计内部参考电压和比较器电路，电路版图面积小，节约芯片制造成本。且工艺选择的局限性小，通用性好。本实用新型电路中所有的开关管器件均无vgs高耐压要求，无需使用厚栅氧bcd工艺进行设计，采用薄栅氧bcd工艺即可满足设计要求，降低了电路设计时工艺选择的局限性。
[0046]
vdd_off电压检测功能的工作过程如下：当高压供电电源vdd电压升高到启动电压vdd_on后，欠压锁定信号vddon_n被下拉至地，控制内部工作电路开始工作，此时内部的regulator电路开始启动工作，输出低压供电电源vcca为高电平，则开关管nm3开启，开关管nm4受vddon_n控制而关断，此时电路切换为vdd_off电压检测电路。
[0047]
当vdd电压下降，并低于vdd_on且进一步逐渐下降时，采样电压vc随之减小。当vdd降低至使vc小于开关管nm5的开启其阈值电压v
th_nm5
时，nm5管关断，vd重新被电阻r5上拉，此时开关管nm6开启，将ve下拉至地，有vf＝0v，因此受vf控制的开关管nm10关断，欠压锁定信号vddon_n重新被上拉至高电平，控制内部电路停止工作，称此时的vdd电压为关断电压vdd_off。有欠压锁定电压vdd_off表达式如下所示：
[0048][0049]
其中，v
dz
即稳压二极管d1的反向击穿电压。本实用新型的欠压锁定电路通过开关管nm3,实现了vdd_off的电压检测功能，这样通过开关管nm3和nm4的控制即可实现vdd_on和vdd_off电压检测功能切换，无需单独设计内部参考电压和比较器电路，电路结构简单。
[0050]
为了避免开关管nm5的栅极电压过高，如图4所示，本实用新型的欠压锁定电路还包括钳位器件，所述钳位器件的一端与开关管nm5的栅极连接，所述钳位器件的另一端与接地端gnd连接。这样，开关管nm5栅极电压被钳位器件钳位，钳位电压低于内部低压供电电源电压。本实用新型的开关管nm1和开关管nm2的栅极电压被稳压二极管d3钳位，开关管nm3和nm4栅极电压最高为内部低压供电电源电压，因此本实用新型电路中所有的mos器件均无v
gs
高耐压要求，无需采用厚栅氧bcd工艺进行设计。
[0051]
在某些实施例中，钳位器件可以采用稳压二极管实现。在本实用新型中，如图5所示，钳位器件由nmos管采用二极管连接形式构成。本实施例的所述钳位器件包括两个以上的nmos管，开关管nm5的栅极与第一个nmos管的漏极和栅极连接，相邻的两个nmos管中的前一个nmos管的源极与下一个nmos管的栅极和漏极连接，最后一个nmos管的源极与接地端gnd连接。通过钳位nmos管，可以将开关管nm5的栅极电压进行钳位，使得开关管nm5无v
gs
高耐压要求。作为具体的实施方式，钳位器件的nmos管可以为三个，包括nmos管nm7、nmos管nm8和nmos管nm9，nmos管nm7的漏极和nmos管nm7的栅极与nmos管nm5的栅极连接,nmos管nm7的源极与nmos管nm8的漏极和nmos管nm8的栅极连接，nmos管nm8的源极与nmos管nm9的漏极和nmos管nm9的栅极连接，nmos管nm9的源极与接地端gnd连接。通过nmos管nm7、nmos管nm8和nmos管nm9分别接成二极管连接形式并串联，对vc进行钳位，防止vc电压过高将nm5栅极击穿。
[0052]
本实用新型电路中还包括电阻r9和电容c1构成的rc滤波电路，该滤波电路对信号
vf进行滤波，所述电阻r9的一端与电阻r8的另一端连接，所述电阻r9的另一端与电容c1的一端和开关管nm10的栅极连接，所述电容c1的另一端与接地端gnd连接。
[0053]
上述所有实施例中，所述开关管nm1或者所述开关管nm2优选采用为nmos管，其他开关管也可以采用nmos管实现。
[0054]
本实用新型的一种欠压锁定电路相对于现有技术有如下优点：
[0055]
1、本实用新型所述的欠压锁定电路实现形式简单。该uvlo电路采用稳压二极管和电阻构成vdd电压检测电路，利用采样电压vc控制开关管nm5的开启和关断，从而控制欠压锁定信号的输出，以此达到实时监测vdd电压的目的，其中通过开关管nm3和nm4的控制即可实现vdd_on和vdd_off电压检测功能切换，无需单独设计内部参考电压和比较器电路，电路结构简单。
[0056]
2、本实用新型所述的欠压锁定电路，其工艺选择的局限性小，通用性好。本实用新型电路中所有的mos器件均无v
gs
高耐压要求，无需使用厚栅氧bcd工艺进行设计，采用薄栅氧bcd工艺即可满足设计要求，降低了电路设计时工艺选择的局限性。
[0057]
3、本实用新型所述的欠压锁定电路版图面积小，节约芯片制造成本。该电路只需三个稳压二极管，占用电路版图面积较小。同时，该电路在实现vdd_on电压检测功能时使用了两个稳压二极管，使得电路在启动过程中无需采用大阻值电阻进行限流，大大减少了大阻值电阻的使用，进一步减小了电路版图面积，有利于降低芯片制造成本。
[0058]
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本实用新型的专利保护范围。因此，基于本实用新型的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本实用新型的专利保护范围之内。