一种低静态电流且具有动态滤波功能的欠压保护电路的制作方法

本发明涉及欠压电路，尤其涉及一种低静态电流且具有动态滤波功能的欠压保护电路，属于模拟集成电路(芯片)设计领域。

背景技术：

若芯片工作时的电源电压波动较大，通常需要有欠压保护电路，确保系统稳定工作正常。在正常的工作条件下，电源供电系统提供的电源电压会因为负载的消耗而不断下降，当输入电压下降到一定程度，部分子电路将无法正常工作，特别是数字逻辑控制电路容易出现误操作现象。为了防止出现这种现象，需要设置欠压锁存电路。欠压锁存电路又称为低电压锁存，当电源电压由于某种原因降低到某极限值时，欠压锁存电路能够强制芯片输出处于非工作下的安全状态，等电源电压上升到极限值以上某一值时，芯片恢复正常工作。另外，某些芯片会长时间工作于瞬间大电流状态，比如几个安培，这样会增加电源的噪声，电源会出现较窄的下降脉冲，欠压保护电路会感应电源的下降而关断芯片的工作状态，但是这样会降低芯片的工作效率，因此需要欠压保护电路具有一定抵抗电源噪声的能力，也就是需要包含有欠压滤波电路。

图1为传统的具有滤波作用的欠压保护电路，由电源电压采样电路、基准电压电路、电压比较器电路和滤波电路组成。采样电路一般采用电阻分压形式获取电源vcc的比例电压值，基准电路一般采用齐纳基准或带隙基准作为比较器的参考电压，滤波电路一般采用由电流源和电容构成的滤波器，也可以采用由电阻和电容构成的滤波器，比较器输出也作为反馈信号控制采用电路，使得负向阈值低于正向阈值，这两者差值即为迟滞电压，其作用是稳定欠压保护电路的输出，不至于出现震荡。当采样电压超过基准电压时，电压锁定电路输出高电平控制信号，允许芯片正常工作；当采样电压低于基准电压时，则欠压锁定电路输出低电平控制信号，关断芯片工作状态；当电源出现下降波动时，比较器输出负脉冲，如果这个负脉冲宽度小于滤波电路的滤波时间，则负脉冲会被滤掉，输出out没有变化，如果负脉冲宽度大于滤波电路的滤波时间，则输出out会出现芯片关断信号。

图2是本申请人2018108430970和2018212126112在先申请“一种具有动态滤波功能的欠压锁定电路”的电路框图。其中的动态滤波电路通过采样电源vcc信号生成与vcc成正比的电流，该电流又与恒流源做和运算生成了与vcc成反比的电流，该与电源电压成反比的电流作为滤波延时电容的充电电流，从而构成了动态滤波电路。该动态滤波电路的滤波时间与电源电压成正比关系，即电源电压越小，滤波时间也越小。与传统欠压保护电路的滤波电路相比，传统滤波电路的滤波时间与电源电压具有较小的相关性，低电压关断速度较慢，动态滤波电路的优点是其更能够准确反映电源电压的状态，即更能够准确区分什么是电源噪声和什么是低电压状态，同时具有抗电源噪声能力和较小的低电源电压关断速度，从而减小芯片故障的发生和提升芯片的工作效率。

综上所述，为了增强欠压保护电路的抗电源噪声能力，传统欠压保护电路增加了r-c或i-c型滤波电路，但是传统滤波电路牺牲了低电源电压关断速度，因此2018108430970和2018212126112发明了一种动态滤波电路，同时具有噪声滤波作用和较快的低电源电压关断速度。一般情况下，电路性能需要和静态损耗、芯片面积等进行折中，虽然以上现有技术提升了电路的性能，但是在静态损耗和芯片面积上有所牺牲。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的技术缺陷，即电路性能、功耗、面积存在的矛盾关系，本发明提供了一种低静态电流且具有动态滤波的欠压保护电路，通过电源电压施加在电阻两端形成与电源正相关电流(电流随电源电压增加而增加)，然后利用电源正相关电流通过电流-电压-电流转换电路产生电源负相关电流(电流随电源电压增加而减小)，再对正相关电流和负相关电流进行比较，若正相关电流小于负相关电流则表示电源电压过低，从而产生欠压保护信号，同时，电源负相关电流又可以用来实现动态滤波功能，即滤波时间随电源电压的增加而增加。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种低静态电流且具有动态滤波功能的欠压保护电路，其特征在于：包括电源电压正相关电流产生电路(001)、电源电压负相关电流产生电路(002)、电流比较电路(003)和动态滤波电路(004)，通过电源电压正相关电流产生电路(001)产生的与电源电压正相关的电流和电源电压负相关电流产生电路(002)产生的与电源电压负相关的电流，将这两路电流进入电流比较电路(003)进行比较，产生欠压保护信号进入动态滤波电路(004)，同时，与电源电压负相关的电流又用来在动态滤波电路(004)中实现动态滤波，随着电源电压的升高，负相关电流逐渐减小，直至为零；

电源电压正相关电流产生电路(001)包含四个端口，分别为电源vcc端口、接地端口和输出端口(200)以及输出端口(201)；

电源电压负相关电流产生电路(002)包含六个端口，分别为电源vcc端口、接地端口、欠压保护信号前馈输入端口(202)、连接电源电压正相关电流产生电路输出端口(200)的输入端口以及输出端口(203)和输出端口(204)；

电流比较电路(003)包含五个端口，分别为电源vcc端口、接地端口、连接电源电压负相关电流产生电路输出端口(204)的输入端口和连接电源电压正相关电流产生电路输出端口(201)的输入端口以及输出端口(205)；

动态滤波电路(004)包含五个端口，分别为电源vcc端口、接地端口、连接电源电压负相关电流产生电路输出端口(203)的输入端口、连接电流比较电路(003)输出端口(205)的输入端口以及滤波后的欠压保护信号输出端口，该输出端口同时作为前馈输出，连接电源电压负相关电流产生电路(002)的前馈输入端口(202)；动态滤波电路(004)的滤波时间受电源电压负相关电流产生电路(002)输出电流(203)的控制，随着电源电压的变化而变化，电源电压下降的幅度越大，滤波时间越小，实现动态滤波。

所述电源电压正相关电流产生电路(001)至少包括电阻r1、nmos管nm1、nmos管nm2和nmos管nm3，电阻r1的一端接电源vcc，电阻r1的另一端接nmos管nm1的漏极和栅极以及nmos管nm2的栅极和nmos管nmos管nm3的栅极，nmos管nm1的源极、nmos管nm2的源极和nmos管nm3的源极均接地，nmos管nm2的漏极作为电源电压正相关电流产生电路(001)的输出端口(200)，nmos管nm3的漏极作为电源电压正相关电流产生电路(001)的输出端口(201)。

所述电源电压负相关电流产生电路(002)包括nmos管nm4、pmos管pm1、pmos管pm2、pmos管pm3和pmos管pm4以及电阻r2、电阻r3和电阻r21，pmos管pm1的源极、pmos管pm2的源极、pmos管pm3的源极和pmos管pm4的源极以及电阻r21的一端均连接电源vcc，电阻r21的另一端连接电阻r2的一端和pmos管pm1的漏极，电阻r2的另一端连接nmos管nm4的栅极和电源电压正相关电流产生电路(001)的输出端口(200)，pmos管pm1的栅极为欠压保护信号前馈输入端口(202)，pmos管pm2的漏极与栅极互连并连接pmos管pm3的栅极、pmos管pm4的栅极和nmos管nm4的漏极，nmos管nm4的源极通过电阻r3接地，pmos管pm3的漏极为电源电压负相关电流产生电路(002)输出端口(204),pmos管pm4的漏极为电源电压负相关电流产生电路(002)输出端口(203)。

所述电流比较电路(003)至少包括一个反相器inv1，反相器inv1的输入同时连接电源电压负相关电流产生电路(002)的输出端口(204)和电源电压正相关电流产生电路(001)的输出端口(201)，反相器inv1的输出即是电流比较电路(003)的输出端口(205)。

所述动态滤波电路(004)包括反相器inv2、反相器inv3和电容c1，反相器inv2的输入连接电流比较电路(003)的输出端口(205)，反相器inv2的电源端连接电源电压负相关电流产生电路(002)输出端口(203)，反相器inv2的输出连接反相器inv3的输入端和电容c1的一端，电容c1的另一端接地，反相器inv3的输出即是动态滤波电路(004)的输出端，也就是欠压保护信号的输出端口。

所述电源电压正相关电流产生电路(001)中的nmos管nm1、nmos管nm2和nmos管nm3可分别由npn型bjt管q1、q2和q3替代，电阻r1的一端接电源vcc，电阻r1的另一端接npn型bjt管q1的集电极和基极以及npn型bjt管q2的基极和npn型bjt管q3的基极，npn型bjt管q1的发射极、npn型bjt管q2的发射极和npn型bjt管q3的发射极均接地，npn型bjt管q2的集电极作为电源电压正相关电流产生电路(001)的输出端口(200)，npn型bjt管q1的集电极作为电源电压正相关电流产生电路(001)的输出端口(201)。

所述电源电压正相关电流产生电路(001)中除包括电阻r1、nmos管nm1、nmos管nm2和nmos管nm3外，还可增设有nmos管nm5和nmos管nm6，nmos管nm5设置在电阻r1与nmos管nm1之间，nmos管nm5的漏极和栅极连接nmos管nm6的栅极和电阻r1的另一端，nmos管nm5的源极连接nmos管nm1的漏极和栅极以及nmos管nm2的栅极和nmos管nm3的栅极，nmos管nm6的漏极作为电源电压正相关电流产生电路(001)的输出端口(200)，nmos管nm6的源极连接nmos管nm2的漏极，其余连接关系不变。

所述电源电压负相关电流产生电路(002)中的nmos管nm4可由npn型bjt管q4替代，电阻r2的另一端连接npn型bjt管q1的基极和电源电压正相关电流产生电路(001)的输出端口(200)，pmos管pm2的漏极与栅极互连并连接pmos管pm3的栅极、pmos管pm4的栅极和npn型bjt管q1的集电极，npn型bjt管q1的发射极通过电阻r3接地，其余连接关系不变。

所述电流比较电路(003)除包括一个反相器inv1外，还可增设有pmos管pm5、pmos管pm6、nmos管nm7和nmos管nm8，pmos管pm5的源极和pmos管pm6的源极均连接电源vcc，pmos管pm5的栅极与pmos管pm6的栅极互连并连接电源电压负相关电流产生电路(002)的输出端口(204)，nmos管nm7的栅极与nmos管nm8的栅极互连并连接电源电压正相关电流产生电路(001)的输出端口(201)，nmos管nm7的源极和nmos管nm8的源极均接地，pmos管pm6的漏极连接nmos管nm8的漏极和反相器inv1的输入端，反相器inv1的输出即是电流比较电路(003)的输出端口(205)。

本发明的优点及有益效果：

(1)与本申请人在先申请2018108430970和2018212126112相比，本发明采用了一种全新的电路结构，本发明结构不包含独立的基准电路和采样电路，而是将基准电路和采样电路内置于其它电路模块中，采用了功耗更低结构更精简的电源正相关电流产生电路和电源负相关电流产生电路，而且原来复杂的电压比较器电路也由简单的电流比较电路来代替，具有较快的反应速度，特别是在低电源电压下仍具有很快的关断速度，从而能够避免故障的发生。

(2)本申请人在先申请中的动态滤波电路需要除延时模块外的其它电路结构来实现动态滤波功能，而本发明中的滤波电路仅包含延时模块，延时模块所需要的动态电流源来自于电源负相关电流产生电路，采用电源负相关电流作为参考比较电流和滤波充电电流，在电源电压上升到一定值之后其电流降至零，因此不需要额外的电路结构就能够实现与在先申请相同的动态滤波功能。

(3)从静态功耗上来看，在先申请中的基准电路、采用电路、比较器和动态滤波电路中都会产生静态功耗，而本发明电路结构中的静态功耗主要由电源正相关电流产生电路产生，因此相对于现有技术，本发明电路结构整体的静态电流的很低，同时本发明结构使用的器件数量少，还具有版图面积小的优点，节约芯片成本。

附图说明

图1是传统欠压保护电路的结构图；

图2是本申请人2018108430970和2018212126112具有动态滤波功能的欠压锁定电路；

图3是本发明低静态电流且具有动态滤波功能的欠压保护电路方框图；

图4是本发明低静态电流且具有动态滤波功能的欠压保护电路图；

图5是图4中正相关电流产生电路和负相关电流产生电路采用另一种实施电路的欠压保护电路图；

图6是图4中正相关电流产生电路采用又一种实施电路的欠压保护电路图；

图7是图4中电流比较电路采用另一种实施电路的欠压保护电路图；

图8是本发明中的比较电流随电源电压变化和滤波时间随电源电压变化以及与传统结构对比；

图9是本发明静态电流和版图面积与传统结构和现有技术专利对比；

图10是本发明欠压保护电路的工作波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举的实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参看图3，本发明低静态电流且具有动态滤波的欠压保护电路，包括电源正相关电流产生电路(001)、电源负相关电流产生电路(002)以及电流比较电路(003)和动态滤波电路(004)。电源正相关电流产生电路(001)输出两路电流信号200和201，分别与电源负相关电流产生电路(002)和电流比较电路(003)相连，电源负相关电流产生电路(002)输出两路电流信号204和203，分别与电流比较电路(003)和动态滤波电路(004)相连，电流比较电路(003)的输出控制信号205控制动态滤波电路(004)，动态滤波电路(004)的输出反馈到电源负相关电流产生电路(002)。

电源电压正相关电流产生电路(001)包含四个端口，分别为电源vcc端口、接地端口和两路电流输出端口200和201。电源电压负相关电流产生电路(002)包含六个端口，分别为电源vcc端口、接地端口、欠压保护信号前馈输入端口202、连接电源电压正相关电流产生电路电流输出端口200的输入端口以及两路电流输出端口203和204。电流比较电路(003)包含五个端口，分别为电源vcc端口、接地端口、连接电源电压负相关电流产生电路电流输出端口204的输入端口和连接电源电压正相关电流产生电路电流输出端口201的输入端口以及控制信号输出端口205。动态滤波电路(004)包含五个端口，分别为电源vcc端口、接地端口、连接电源电压负相关电流产生电路电流输出端口203的输入端口、连接电流比较电路(003)控制信号输出端口205的输入端口以及滤波后的欠压保护信号输出端口，该输出端口同时作为前馈输出，连接电源电压负相关电流产生电路(002)的前馈输入端口202。

参看图4，电源正相关电流产生电路(001)由nmos管nm1、nm2、nm3和电阻r1构成，通过r1和nm1将电源vcc转化成近似与vcc成正比的电流，通过电流镜输出两路电流信号分别到电源负相关电流产生电路(002)和电流比较电路(003)。电源负相关电流产生电路(002)由pmos管pm1～pm4，nmos管nm4以及电阻r2、r21、r3构成，首先通过电阻r2和r21将电流200转化为电压信号，该电压随vcc的增加而减小，再通过nm4和r3的作用将电压信号转化为电流信号，该电流随电源vcc增加而减小，最后通过电流镜输出两路电流204和203分别到电流比较电路(003)和滤波电路(004)。电流比较电路(003)仅由一个反相器inv1构成，通过对电流201和204的比较产生欠压信号204，当电流201大于204(此时假设nm3和pm3都工作于饱和区)时，也就是电源vcc较高时，inv1输入端处于放电状态，直至为低电平，输出205为高电平，反之，当201小于204时，输出205为低电平。动态滤波电路(004)由反相器inv2、inv3和电容c1构成。动态滤波电路(004)的滤波时间受电源电压负相关电流产生电路(002)输出电流203的控制，随着电源电压的变化而变化，电源电压下降的幅度越大，滤波时间越小，实现动态滤波。电源正相关电流产生电路(001)输出两路电流信号200和201，分别与电源负相关电流产生电路(002)和电流比较电路(003)相连，电源负相关电流产生电路(002)输出两路电流信号204和203，分别与电流比较电路(03)和动态滤波电路(004)相连，电流比较电路(003)的输出控制信号205控制动态滤波电路(004)，动态滤波电路(004)的输出反馈到电源负相关电流产生电路(002)。

假设nm1、nm2、nm3的宽长比相同，pm2、pm3和pm4的宽长比相同，则端口200、201、203和204的电流大小为(设端口200、201、203和204的电流分别为i200、i201、i203、i204，nm1、nm4栅源电压分别为vgs1、vgs4)：

当i201<i204为欠压状态，而当i201>i204为非欠压状态，因此令i201＝i204，可以求得欠压阈值电压(vuv)为：

滤波时间tflt为(设反相器inv2输入阈值电压为vth)：

由以上公式可以看出，电源正相关电流i200随vcc增加而增加，若r2>r1，可以获得电源负相关电流i203，i203随电源vcc增加而减小；欠压阈值与vgs1、vgs4和电阻比例相关，通过调整电阻大小和比例可以得到想要的欠压阈值，并且可以平衡部分温度漂移，r21可以用来调整欠压下降阈值和上升阈值的差值，即迟滞电压；由于vth随vcc增加而增加，同时i203随vcc增加而减小，因此，滤波时间tflt随vcc增加而增加，实现了动态滤波功能。

参看图5，与图4不同的是，电源正相关电流产生电路(001)中的nmos管nm1、nm2和nm3可由npn型bjt管q1、q2和q3来代替，电源负相关电流产生电路(002)中的nm4可由bjt管q4来代替。设q1、q2和q3发射结面积和个数相同，pm2、pm3和pm4的宽长比相同，q1和q4的基-射极电压分别为vbe1和vbe4，可以得到电流i200、i201、i203、i204大小、欠压阈值vuv：

根据以上式子，可以通过调整电阻获得想要的电流和欠压阈值电压，同时可以得到动态滤波功能。

参看图6，与图4不同的是电源正相关电流产生电路(001)中增加了nm5和nm6管。假设nm1、nm2、nm3、nm5和nm6的宽长比相同，pm2、pm3和pm4的宽长比相同，则端口200、201、203和204的电流大小为(设端口200、201、203和204的电流分别为i200、i201、i203、i204，nm1、nm4栅源电压分别为vgs1、vgs4)：

令i201＝i204，可以求得欠压阈值电压(vuv)为：

滤波时间tflt为(设反相器inv2输入阈值电压为vth)：

由以上公式可以看出，电源正相关电流i200随vcc增加而增加，若r2>r1，可以获得电源负相关电流i203，i203随电源vcc增加而减小；欠压阈值与vgs1、vgs4和电阻比例相关，通过调整电阻大小和比例可以得到想要的欠压阈值，并且可以平衡部分温度漂移，r21可以用来调整欠压下降阈值和上升阈值的差值，即迟滞电压；由于vth随vcc增加而增加，同时i203随vcc增加而减小，因此，滤波时间tflt随vcc增加而增加，实现了动态滤波功能。

上述图4、5、6中，电源正相关电流产生电路(001)及电源负相关电流产生电路(002)中的替换方案可同时进行也可不同时各自实施替换。

如图7所示，是与图4、5、6电流比较电路(003)不同的另一种实施电路，图4、5、6中的电流比较电路(003)只有一个反相器inv1该构成，输入支路的上拉电流和下拉电流决定了反相器inv1的输出信号高低，电源负相关电流204随vcc的增加而减小，电源正相关电流201随着vcc的增加而增加，通过比较电源负相关电流和电源正相关电流的大小来产生欠压保护信号。与图4、5、6相比，图7中增加了pmos管pm5和pm6以及nmos管nm7和nm8，工作原理是：电流201通过电流镜pm5和pm6按比例复制(比例就是pm5和pm6的宽长比之比)，电流204通过电流镜nm7和nm8按比例复制，复制后电流共同流入反相器inv1的输入端，若201复制电流大于204复制电流，则inv1输入端为高电平，输出205就为低电平，反之，205为高电平。增加电流镜的目的是可以防止信号之间串扰，如inv1输入端信号对电流201和204的干扰，但是这样做会增加部分静态电流。

参看图8，是本发明一种低静态电流且具有动态滤波的欠压保护电路的输出信号随电源电压(vcc)变化的工作波形。图a为正相关电流i201和负相关电流i204随电源vcc变化曲线，二者的交点对应的vcc就是欠压阈值电压(vccuv)；图b为欠压滤波时间随vcc变化曲线，同传统电路结构相比，本发明的滤波时间变化斜率更大，因此欠压滤波的效果更好。

图9表示了本发明与现有技术的对比，图9(a)静态功耗和图9(b)版图面积大大优于现有技术。

图10为本发明的欠压保护电路随电源电压(vcc)变化时的工作波形。结果显示，本发明的欠压保护电路可以利用电源电压正负相关电流实现欠压信号的输出，当电源电压vcc超过正向欠压阈值(vccuv+)时，欠压保护信号输出为高电平；如果由于某些原因使得电源电压vcc低于反向欠压阈值(vccuv-)时，则欠压保护信号输出为低电平，禁止后续电路工作，避免在电源电压微小变化时芯片功能异常。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不限于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。