专利名称：一种形成用于欠压锁定电路的基准电压的方法以及该电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及欠压锁定电路，尤其涉及一种形成用于与电源采样电压相比较 的基准电压的方法及其欠压锁定电路。
背景技术：
在DC—DC电源的管理芯片中，电压的稳定尤为重要，因此需要在芯片 内部集成欠压锁定电路来提高电源的可靠性和安全性。对于其它集成电路，为 提高电路的可靠性和稳定性，欠压锁定电路同样十分重要。欠压锁定电路的本质就是通过比较一个基准电压和电源的采样电压，同时 输出一个控制信号。传统的欠压锁定电路的基本原理图如图1所示。电路包括 一电压采样电路； 一比较器； 一输出缓冲器，和一反馈回路。Vcc为待检测的 电源电压，电阻R2、 R3和R4组成Vcc的分压采样电路，实现对Vcc的采样。 NMOS开关管MN1和电阻Rl组成比较器，对采样电压Vref和MN1的VTH 进行比较，并输出比较结果。反向器INV1和INV2组成缓冲器电路，可对比 较器的输出波形进行整形和缓冲，提高电路的负载能力。PMOS开关管MP1 构成正反馈回路，可以实现电路的迟滞功能，防止电路在Vcc的阈值附近振荡， 增加系统的稳定性。因此，调整电阻R2、 R3和R4的大小可以实现不同阈值 和迟滞量的Vcc欠压保护。通过电阻R2、 R3和R4对电源电压VBAT取样，然后和VTH相比较， 判断是否达到了锁定阈值电压F^r(决)。<formula>formula see original document page 5</formula> (1)合理设置VREF、 R3和R4可以实现电源电压下降到锁定阈值电压时输出 VCON信号锁定VBAT的放电通路，关断系统同时阻止电源过放电。为了防 止噪声干扰使比较器在锁定阈值电压附近来回翻转，产生谐波振荡，比较器应 该具有一定的迟滞。传统的欠压锁定电路所产生的基准电压VREF将跟随温度的变化而变化，而所产生的偏置电流Il将随着电源电压VBAT产生变化，并且考虑到晶体管 参数受到温度和寄生参数的影响使比较器的内建迟滞发生较严重的漂移，直接 导致锁定阈值电压漂移，从而不能够严格地控制电源的工作电压范围。如果我们希望在各种温度下欠压锁定的控制信号输出时对应的VBAT变 化范围足够小，我们就需要一个在整个温度范围内都变化足够小的基准电压。发明内容本发明所要解决的技术问题在于提出一种形成基准屯压的方法以及欠压 锁定电路，利用一个带隙基准源以形成稳定的基准电压，进而通过与电源电压 的比较输出 一个稳定的控制信号。本发明的一种形成用于欠压锁定电路的基准电压的方法，包括在电源回路 中提供一个基础电流源；形成两个相互并联的第一和第二支路，其中该每一支 路至少包括一三极管，用于形成具有正温度系数的电流；将第"和第二三极管 的基极相连，用于输出该基准电Hi;提供一个用于嵌位的误差放大器，分别跨 接在该第一和第二支路之间，用于获得两个电势相等的第一和第二节点；提供 一用于该基准电压的补偿电阻，使得该并联支路输出的具有正温度系数的基础 电流在该补偿电阻上产生与温度成比例的电压降。本发明的一种欠压锁定电路，包括 一电源电压采样电路，用于跟踪电源 电压的变化； 一比较器，用于将采样电压与一基准电压相比较；一输出缓冲器，用于对该比较器的输出波形进行整形和缓冲，以提高电路 的负载能力，和一反馈回路，用于增加稳定性，其特征在于，该欠压锁定电路 还包括一基准电压输出电路，包括基础电流输出电路；相互并联的第一和第二 支路，其中该第一支路至少包括第一三极管； 一个用于嵌位的误差放大器，分 别跨接在该第一和第二支路之间，用于获得两个电势相等的第一和第二节点， 其中，该第一和第二三极管的基极相连后作为该基准电压的输出端； 一个用于 补偿该基准电压的补偿电阻，使得该基础电流源分别经并联的第一支路和第二 支路和该补偿电阻接地。根据本发明的一个方面，由于利用了带隙基准电压源自产生基准电压，通 过对该自产生基准电压进行温度补偿，确保了锁定阈值电压和迟滞量稳定。根据本发明的另一方面，本发明的带隙基准电压源还同时产生了一个与电 源电压无关的偏置电流，使得本发明的欠压锁定电路中振荡器的频率不随电源 电压的变化。
下面结合附图通过对本发明较佳实施例的描述，将使得本发明的上述技术 方案以及其它优点显而易见。图1示出了一种现有技术的欠压锁定电路； 图2是本发明的形成用于与采样电压比较的基准电压的方法； 图3A是本发明的欠压锁定电路的一个实施例，其中基础电流通过电流镜 像电路提供；图3B是图3A所示实施例的基准电压温度曲线；图4A是本发明的欠压锁定电路的又一个实施例，其中对所产生的基准电 压进行温度补偿；图4B是对本发明的锁定电路所产生基准电压的温度曲线；图4C示出了本发明的欠压锁定电路电压迟滞量的变化示意图；图5是本发明的具有曲率补偿功能的基准电压产生电路的另一个实施例；图6是本发明的具有曲率补偿功能的基准电压产生电路的的再一个实施例。
具体实施方式
下文将详细描述本发明的方法以及电路。参阅图2，首先，本发明需要提供一个基准电流源，如步骤SIO。其次，在步骤S12，将上述电流提供给两个并联的支路，其中，该两个支 路中，分别具有一个三极管元件，以利用它们的PN结上的压差来产生具有正 温度系数的电流。特别的是，本发明将两个三极管的基极连接后用作基准电压 的输出端，如步骤S14。同时，在步骤S16，本发明需要利用一个跨接在两个支路之间的误差放大 器保证在两个支路上能够获得相等的电势节点。为了能使本发明所形成的基准电压得到温度的补偿，使得本发明的基准电压随温度变化量尽可能小，在步骤S18，本发明还提供了补偿电阻，使得镜三 极管输出的具有正温度系数的电流在该电阻上产生一个补偿的电压量，以弥补 该基准电压随温度的升高而产生的损失。图3A是采用本发明的上述方法而形成的一个较佳的实施例，欠压锁定电 路100包括由电阻R1、 R2和R3组成的电压采样电路110，其中在电阻R3上形成采样电压输出端Vout; —基准电压输出电路120; —个欠压判断电路130，以根据该采样电压和基准电压相比的结果输出一个控制信号； 一输出缓 冲器140，和一反馈回路150。根据本发明，电压采样电路110输出的Vout电压满足下列关系式row/ = ~~^~" ra力r 公式(2)+尺3因此，该采样电压可以用于跟随电源电压VBAT的变化。 根据本发明的一个较佳实施例，基准电压输出电路是利用两个相互匹配的 CMOS管MP3和MP4组成镜像电路，产生一个恒定的、不随电源电压变化的 偏置电流Ib以确保电路正常工作。同时，本发明利用一个虚短路的误差放大 器跨接在该镜像电路之间来获得电势相等的节点P02和P03。在其中一个节点 (P03)中接入一个电阻元件Rs和一个三极管Ql，和在另一个节点P02中接 入一个三极管Q2。那么，该基准电压输出电路120中所得到的基准电流Ib具 有正温度系数，如下式仿=，=5^ 公式其中N为三极管Ql和Q2发射极的面积比值。特别的是，本发明将三极管Q1和Q2相连后的节点P01，作为基准电压 的输出端。重要的是，为使得该基准电压得到补偿，本发明在并联支路的输出 端提供了一个补偿电阻R4。这样，本发明的欠压锁定电路100自产生的基准 电压V (P01)满足关系式F(阔=F腦+仿(尺5 + 2W4) 公式(4)其中VEB1具有负温度系数，而Ib具有正温度系数，可见，通过引入电 阻R4，基准电压V (P01)得到了有效的温度补偿(如图3B所示)。更特别的是，本发明将采样电压输出端Vout和基准电压输出端P01节点相连。为了能使本发明在更大的温度范围内，基准电压V(P01)随温度变化能够尽可能小。本发明利用了 NPN三极管Qcom组成一个二极管连接结构，反向 接入在节点P02和P01之间，以充分利用二极管反向饱和电流是温度敏感函数 的特性，艮口<formula>formula see original document page 9</formula> 公式(5) 其中&为PN结反向饱和电流；q为电子电量；A为PN结截面积；&为电子平均扩散常数；"'为硅的本征载流子浓度；QB为PN结中单位面积中 的杂质原子数。温度升高会使硅本征激发强度增强，使得"'随温度加，同时使 得反向饱和电流ISS以^增加，在一定的工艺条件下万，QB都是正实常数，设'仏，则公式(5)可以写成<formula>formula see original document page 9</formula> 公式(6)本征载流子密度为:<formula>formula see original document page 9</formula>~公式(7)其中^V，，"分别是价带顶空穴有效质量和导带底电子有效质量；m0 为电子惯性质量；Eg为禁带宽度；KO为玻耳兹曼常数。设正常数附s 附* y<formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 10</formula> 公式(9)D1反向饱和电流^同时流经Q1和Q2的基极，经过Q1禾卩Q2后，会同 时被放大"'和A倍为集电极电流。使用叠加原理可以得到<formula>formula see original document page 10</formula> 公式(IO)其中(、'y= Aw + 4s'2 。设<formula>formula see original document page 10</formula>那么，经过温度补偿后的基准电压的表达式为<formula>formula see original document page 10</formula>公式(ii)其中、^为正实常数，0d3<l。可见，当温度升高后，二极管反向饱和电流将注入到Q1， Q2的基极 V(POl)，被放大后在R4上形成基准电压降低的补偿里量，抑制了高温时的基 准电压降低，参阅图4B。欠压判断电路130由CMOS管Ml、 M2、 M5和M8组成。作为第二级输 入的CMOS管M5和M8可以等同于一个差分输入，与该CMOS管M5和M8 极性相反的CMOS管Ml和M2，形成第二级负载电流镜，分别与该CMOS 管(M5和M8)相接。因此， 一方面由于M3 二极管连接的鉗位，P03将跟 随VBAT电压变化，当电源电压VBAT高于锁定阈值电压VBAT(th)时P03电 平将高于P02电平，所以VCON输出高电平，表示不欠压，当电源电压低于 锁定阈值电压VBAT(th)时，VCON输出低电平。锁定阈值电压VBAT(th)可以 通过调整R1， R2变化。另一方面，由于该CMOS管M5的性能与该基础电 流输出电路的CMOS管M3和M4相匹配，因此，CMOS管M5可以用于镜像 该基础电流(Ib)。特别的是，本发明的锁定电路还包括一个电流的输出支路，即利用CMOS 管(M6)镜像M3中产生的偏置电流，以进一步输出一个与电源电压无关的 电流Ibl。更特别的是，本发明的锁定电路还可以进一步输出一个与电源电压无关的 电流Ib2，是通过一 CMOS管(M7)，用于镜像CMOS管Ml中的电流。迟滞产生电路150P型场COMS管M9和电阻R1构成。电源不欠压时， V(P03)是高电平，M9开启，Rl被短路，电源锁定阈值电压为ra」，(/画)=(1 +——)k(poi)— 沼 公式(12)反之，Rl未被短路，电源开启阈值电压为尺2 +尺lra//， — = (1 +-)k(尸oi)_ w 公式(13)(12)式和(13)式表明电源电压被锁定时的阈值电压要低于开启时的阈值 电压，二者之差即为电压迟滞量Vhyster，艮口=,，2)—,，1)= ^(，)公式(14)可见，该迟滞量仅与基准电压V(P01)和电阻比值有关，说明本发明经过温度补偿的基准电压和与工艺无关的电阻比值确保了迟滞量随温度变化足够小，参阅图4C。在本发明的又一较佳实施例，基础电流还可以利用一个三极管Q3来提供， 因为三极管可以产生稳定的发射极---集电极电流，参阅图5。在三极管Q3的 发射极接入两个并联的支路，其中之一包括三极管Q1和电阻R3，另一个支 路是三极管Q2和电阻R4。然后，将三极管Ql和Q2的基极相连后的节点P03 作为基准电压Vref的输出端；利用误差放大器OPAMP保证节点P01和P02 电势相等。最后，再利用补偿电阻R1来补偿Vref随稳定的升高而产生的损失。由于误差放大器输入级的虚短路，使P0bP02，则电阻R3和R4上的电 压降相同，如下列关系式X凡=/， X凡同时Q1和Q2的基极电压在同一电位，所以△4《-&2 !xln^^ !xlnTV二,2 x《 《 /2x/si《N为流过Ql和Q2的电流密度之比。基准电压「，为 K, = M x " + /2) + K肥=芸In AA +公式(15)公式(1 6)公式(17)特别的是，本发明利用了二极管D1反向接入在POl节点和基准电压的输出端P03，以有效地利用其反向饱和电流来补偿基准电压。本发明的又一个较佳实施例如图6所示，所不同的是，本发明的补偿二极管Dl还可以反向接入在两个并联支路的节点P04和基准电压的输出端P03之 间。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的普通技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变 形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1、一种形成用于欠压锁定电路的基准电压的方法，包括在电源回路中提供一个基础电流源；形成两个相互并联的第一和第二支路，其中该每一支路至少包括一三极管，用于形成具有正温度系数的电流；将第一和第二三极管的基极相连，用于输出该基准电压；提供一个用于嵌位的误差放大器，分别跨接在该第一和第二支路之间，用于获得两个电势相等的第一和第二节点；提供一用于该基准电压的补偿电阻，使得该并联支路输出的具有正温度系数的基础电流在该补偿电阻上产生与温度成比例的电压降。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电源回路中提供一个基 础电流源的步骤包括提供一个与电压电源相接的三极管，以在该三极管正常导通时获得一稳定 的电流。
3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括 在第一支路和第二支路中分别连接第一电阻元件和第二电阻元件，用于在该第一和第二节点获得相等的电势。
4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法还包括 提供一个曲率补偿元件，反向接入在该第一节点和两个三极管的基极之间。
5、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法还包括 提供一个曲率补偿元件，反向接入在该第一与第二支路的并联节点和两个三极管的基极之间。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电源回路中提供一个基 础电流源的步骤包括在电源回路中提供两个性能匹配的CMOS管形成电流镜电路。
7、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括 提供一个曲率补偿元件，反向接入在该第一节点和两个三极管的基极之间。
8、 根据权利要求4、 5或7所述的方法，其特征在于，该误差放大器的正向输入端与该第 一节点连接。
9、 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括 在该第二支路中接入一调节电阻元件。
10、 一种欠压锁定电路，包括一电源电压采样电路，用于跟踪电源电压的变化； 一比较器，用于将采样电压与一基准电压相比较；一输出缓冲器，用于对该比较器的输出波形进行整形和缓冲，以提高电路 的负载能力，和一反馈回路，用于增加稳定性，其特征在于，该欠压锁定电路还包括一基准电压输出电路，包括基础电流输出电路；相互并联的第一和第二支路，其中该第一支路至少包括第一三极管； 一个用于嵌位的误差放大器，分别跨接在该第一和第二支路之间，用于获得两个电势相等的第一和第二节点，其中，该第一和第二三极管的基极相连后作为该基准电压的输出端；一个用于补偿该基准电压的补偿电阻，使得该基础电流源分别经并联的第一支路和第二支路和该补偿电阻接地。
11、 根据权利要求IO所述的欠压锁定电路，其特征在于，该基础电流输 出电路包括一与电源连接的三极管，其中该三极管的集电极回路分别接入该第 一支路和第二支路。
12、 根据权利要求11所述的欠压锁定电路，其特征在于，在第一支路和 第二支路中分别包括第一电阻元件和第二电阻元件，用于在该第一和第二节点 获得相等的电势。
13、 根据权利要求12所述的欠压锁定电路，其特征在于，还包括一个曲 率补偿元件，反向接入在该第一节点和两个三极管的基极之间。
14、 根据权利要求12所述的欠压锁定电路，其特征在于，还包括一个曲 率补偿元件，反向接入在该第一与第二支路的并联节点和两个三极管的基极之 间。
15、 根据权利要求IO所述的欠压锁定电路，其特征在于，基础电流输出电路为一由两个性能匹配的CMOS管(M3和M4)形成一具有稳定偏置电流 (lb)的电流镜像电路。
16、 根据权利要求15所述的欠压锁定电路，其特征在于，还包括一个曲 率补偿元件(Qcom)，反向接入在该第一节点和两个三极管的基极之间。
17、 根据权利要求13、 14或16所述的欠压锁定电路，其特征在于，该误 差放大器的正向输入端与该第一节点(P01)连接。
18、 根据权利要求16所述的欠压锁定电路，其特征在于，该电源电压采 样电路的输出端与该基准电压的输出端相连。
19、 根据权利要求15或16所述的欠压锁定电路，其特征在于，该锁定电 路还包括一第一输出支路，设置有一与电源相接的CMOS管(M6)，性能与该基础电流输出电路的CMOS 管(M3和M4)相匹配，用于镜像该基础电流(Ib)后输出电流(Ibl)。
20、 根据权利要求15或16所述的欠压锁定电路，其特征在于，所述比较 器包括两个作为第二级输入的CMOS管(M5和M8)，分别与电源相接，其中 该CMOS管(M5)，性能与该基础电流输出电路的CMOS管(M3和M4) 相匹配，用于镜像该基础电流(Ib);形成第二级负载电流镜的CMOS管(M1和M2)，分别与该CMOS管(M5 和M8)相接，且与该CMOS管(M5和M8)极性相反。
21、 根据权利要求20所述的欠压锁定电路，其特征在于，该锁定电路还 包括一第一输出支路，设置有一 CMOS管(M7)，性能与负载电流镜的CMOS管(Ml和M2)相匹 配，用于镜像该基础电流(Ib)后输出Ib2。
全文摘要
本发明公开了一种能够自产生基准电压源的欠压锁定电路，其中形成用于与采样电压比较的基准电压的方法包括在电源回路中提供一个基础电流源；形成两个相互并联的第一和第二支路，其中该每一支路至少包括一三极管，用于形成具有正温度系数的电流；将第一和第二三极管的基极相连，用于输出该基准电压；提供一个用于嵌位的误差放大器，分别跨接在该第一和第二支路之间，用于获得两个电势相等的第一和第二节点；提供一用于该基准电压的补偿电阻，使得该并联支路输出的具有正温度系数的基础电流在该补偿电阻上产生与温度成比例的电压降。通过对该自产生基准电压进行温度补偿，确保了锁定阈值电压和迟滞量稳定。
文档编号G05F3/08GK101237182SQ20081005786
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月19日 优先权日2008年2月19日
发明者郑儒富 申请人:北京中星微电子有限公司