一种CMOS欠压保护电路的设计

时间：2007-10-19

　　摘要: 本文设计了一种CMOS工艺下的欠压保护电路，首先分析了电路的工作原理，而后给出了各MOS管的参数计算，并给出pspice仿真的结果。此电路结构简单，工艺实现容易，可用于高压和功率集成电路中的电源保护。
　　关键词: CMOS; 欠压保护
1.引言
　　在电机驱动、UPS等系统中电压的稳定尤为重要，欠压、过压保护是必不可少的，因此通过在芯片内部集成过压、欠压保护电路来提高电源的可靠性和安全性。对功率集成电路，为提高电路的可靠性，保护电路同样必不可少。保护电路的设计要简单、实用，本文设计了一种CMOS 工艺下的欠压保护电路，此电路结构简单，工艺实现容易，可用做高压或功率集成电路等的电源保护电路。
2.工作原理分析
欠压保护的电路原理图如图1 所示。共由五部分组成：偏置电路、基准电压产生、欠压检测输入、比较器、反馈回路。

　　本电路的电源电压是15V，M1、M2、M4、R1 是电路的偏置部分，给后级电路提供偏置，电阻R1 决定了电路的工作点，M1、M2、M4 是电流镜；M3、D1产生基准电压，输入比较器的同相端；分压电阻R2、R3、R4是欠压检测输入，输入比较器的反相端；R4、M5是欠压信号的反馈回路；其余M6~M16 组成四级放大比较器。
　　M3、D1 产生基准电压，输入比较器的同相端，固定不变是11V，当电源电压正常工作时，反相端的欠压检测输给比较器的反相端的电压大于11V，比较器输出为低，M5截止，反馈电路不起作用；当欠压发生时，分压电阻R2、R3、R4 反映比较敏感，当电阻分压后输给反相端的电压小于11V，比较器的输出电压为高，此信号将M5 开启，使得R4两端的电压变为M5两端的饱和电压，趋近于0V，从而进一步拉低了R2、R3 分压后得输出电压，形成了欠压的正反馈。输出为高，欠压锁定，起到了保护作用。
3.参数计算
　　对于MOS模拟集成电路，各MOS管的工作状态和管子尺寸及宽长比决定了电路的功能和性能，下面结合0.6μm工艺，对电路的电阻及各管宽长比进行估算。设定电路的总功耗P_m<3mW，VCC是15V，将U_th近似为1V。根据总功耗可得总电流：

电路共有八条回路（200/8），可大致分配各路电流20 μ A 左右：故偏置电流20 μ A，即：电阻R1 的阻值大致约;

电路中MOS 管均工作在饱和区，MOS 管的饱和区的公式：

可以估算出M1 的宽长比，进而由电流镜和PMOS 、NMOS的宽长比与迁移率的关系

可得M2、M3、M4 的比值，即:

稳压管的电压值的设定要考虑工艺的实现并且要满足M3 工作在饱和区的条件下选定，这里电压值选为11V；而电阻的设计要考虑面积因素。电阻R2、R3、R4 构成分压器，设定此路中电流是30 μ A，忽略M5 的电阻，可得

其中，R3=300KΩ,R4=70KΩ

　　比较器的增益要足够的大，设定比较器的开环增益在80dB（104 倍）以上，由于实际制作出的产品往往比理论计算出的放大倍数小很多。因此，我们分配各级的放大倍数分别: Aμ1=50,Aμ2=20,Aμ3=10.总共的放大倍数为各级放大倍数的乘积，即为：

　　分配各级电流的四路总和不超过110μA（200μA－20×3μA－30μA）。故分配各级电流分别为30 μ A、20 μA、30 μA 和30 μA。这样，我们就可以根据放大倍数和偏置电流来计算出各个管子的宽长比。
对于差分放大级。放大倍数Aμ1=50, 偏置电流为30μA，则两个支路的电流为1 5 μ A 。根据计算公式：

第二级，共源放大级。放大倍数A μ2＝20，流过的电流为20 μ A，根据

第三级和第四级推挽CMOS 放大级，由公式：

出M13~M15 各管的宽长比为：

　　差分对的有源负载管宽长比的计算。从电压角度出发，为了保证所有的管子在信号范围内都工作在恒流区或临界恒流区，而不进入深度线性区，根据总电源电压V_DD=15V，我们可以大致分配M9、M10 的静态。则：

计算可得:

4．模拟仿真结果分析
　　通过上面的计算所得，利用pspice 对电路进行模拟，在模拟仿真过程中，各管的尺寸有调整，在仿真时，分别增大和减小电源电压来进行电源扫描，波形见图2。从仿真的波形中可以看出：当增大电源电压时，电压低于14.78V时，欠压锁定；当减小电源电压时，电压低于14.5V 时，欠压锁定。仍可进一步调整参数，来改善增大电源电压时的欠压曲线。

（a）电源扫描的波形(增大电源电压)

（b）电源扫描的波形(减小电源电压)
图2电源扫描的波形图
5.结论

　　此欠压保护电路结构简单，工艺易实现，可用于功率ic 稳压电源保护中，当采用不同的工艺时，计算参数的方法相同，也可以采用等比例缩小的原则确定参数。对于一般的欠压保护，本电路已经足够。如果对欠压保护和灵敏度要求很高的电路，则可在此电路的基础上将稳压输入部分换成稳压源，将比较器选用更高的比较器，但这样结构复杂，功耗大，成本高。信息（赵春波许伟吴玉广）

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