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 CMOS欠压保护电路的设计方案分析

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    CMOS欠压保护电路的设计方案分析

    ; P$ D3 \) R1 t- E" Q
    ( h: h9 i' L; `4 h. d) o  y" e) n$ N& L5 f6 Y
    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。 5 J" v  c. N& ?" J0 b9 t/ U2 E
    & b% L& ?) ]) H: P; B1 f
    关键词: CMOS; 欠压保护
    2 o9 n" N  I" S" C- K: t4 _, G6 b) f. e. }( g
    1.引言% q1 D8 F  M6 M" l0 h2 P

    $ ^  E& D: n  }3 @* ?0 R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。 ) Z3 A1 W) j4 J+ O0 R# I

    + ~  H% l  h0 h$ `# S$ z# J  c2.工作原理分析
    ( U0 F$ |1 E2 w
    7 q' S5 z% T7 f$ Z! i+ H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。# Y4 M- d6 P5 [' M  F* R

    * P* g* E' G  D6 D, k% W1 Y5 J5 r( j7 G( Q1 S6 l
    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。 - e* o3 d9 [; T# e6 M" Z
    ! C5 c9 @. ]4 d- d  K
    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。
    5 J( v0 X+ y' E" A
    9 }7 W5 X8 Q  p# J8 n3.参数计算
    7 z2 q, I5 z3 {, \$ [1 K1 u4 p% _; c4 c: F# z4 B# @: v
    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Pm<3mW,VCC是15V,将Uth近似为1V。根据总功耗可得总电流:
    , |) a& q# {( O+ ~: M2 Y
    7 a5 F1 w0 Y) V  P% t4 m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;
    0 b" C( O# D) v
    # D: F+ |4 ^' S) s电路中MOS 管均工作在饱和区,MOS 管的饱和区的公式: . F5 K  _7 f  H4 W- z) O

    : V0 {, e% q3 a2 N+ L! F. u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
    $ d2 Q" g, r0 d) G' V
    , a$ j; C% V3 b" v* X: `; q可得M2、M3、M4 的比值,即:6 a# z/ Q: v6 U/ ]

    ( z2 L8 _9 F9 `$ |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% o4 z6 a! a$ W1 A. l

    6 R! B5 f1 Z/ x4 i1 B其中,R3=300KΩ,R4=70KΩ, N. X9 u6 y. q% B! [
    - J2 G2 w/ ]( \3 p0 v$ _
    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: 5 L- b  c6 m: v2 d3 d9 @
    7 u4 o# ]8 q, ^( V: ]
    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。
    ; u) g* D- C1 R4 n0 w3 u
    % y" E' o, v/ H5 r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: : r+ A5 W: ]1 Z, y) W
    3 R4 C( a- M3 `7 M3 e5 Y
    8 t& h9 n, B7 s" L) e
    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 # Q- a! h- r" Q' x. I% y

    0 ?% ?! J" L$ m; d" s& ^$ S) P( N+ H$ J) X
    第三级和第四级推挽CMOS 放大级,由公式: ( m0 `2 v" [+ r: Q4 c. ]) t7 O

    + K# P' s1 L8 `- a" N# z- q: x; d; ~出M13~M15 各管的宽长比为:
    9 z; C3 f1 ^  ~
    ' m$ t* h& O! f# x1 {  p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VDD =15V,我们可以大致分配M9、M10 的静态。则:
    4 G7 {  R8 i! O5 s/ r( Q7 t" P# w/ W8 f4 w: S
    计算可得: ; c; R$ t, i/ q1 T

    0 ~- H; W6 l2 T+ [( z2 w; t
    6 G7 e8 m9 \. Q" T1 s4 L! _4.模拟仿真结果分析
    7 f) W& ~4 c; D3 }0 x3 q2 ]' Z# e) Q9 b; ^4 y
    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。
    9 P2 G9 K  m9 B* N5 n) N
    ' g& z- t9 S; C0 l(a)电源扫描的波形(增大电源电压) ) m* B$ w$ x3 {
    ; c8 }, |( `6 M' D4 R4 d
    (b)电源扫描的波形(减小电源电压) 0 |, Y( r% n% Q) m
    图2电源扫描的波形图 " o% W+ q! Q: g* C' H! Q* E
    " x# M& R$ n% F/ C3 R; U) E8 H
    5.结论1 g5 Y# F/ B# G: B9 U/ S8 S
    9 C' I, m* Z- d) \6 a( A# }
    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。如果对欠压保护精度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,将比较器选用精度更高的比较器,但这样结构复杂,功耗大,成本高。信息来源:(赵春波 许伟 吴玉广 )
    ' t3 O  i2 e8 D3 |" [
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