CMOS欠壓保護電路的設計方案分析

　　1.引言

　　在電機驅動(dòng)、UPS等系統中電壓的穩定尤為重要，欠壓、過(guò)壓保護是必不可少的，因此通過(guò)在芯片內部集成過(guò)壓、欠壓保護電路來(lái)提高電源的可靠性和安全性。對功率集成電路，為提高電路的可靠性，保護電路同樣必不可少。保護電路的設計要簡(jiǎn)單、實(shí)用，本文設計了一種CMOS 工藝下的欠壓保護電路，此電路結構簡(jiǎn)單，工藝實(shí)現容易，可用做高壓或功率集成電路等的電源保護電路。

　　2.工作原理分析

　　欠壓保護的電路原理圖如圖1 所示。共由五部分組成：偏置電路、基準電壓產(chǎn)生、欠壓檢測輸入、比較器、反饋回路。

　　本電路的電源電壓是15V，M1、M2、M4、R1 是電路的偏置部分，給后級電路提供偏置，電阻R1 決定了電路的工作點(diǎn)，M1、M2、M4 是電流鏡；M3、D1產(chǎn)生基準電壓，輸入比較器的同相端；分壓電阻R2、R3、R4是欠壓檢測輸入，輸入比較器的反相端；R4、M5是欠壓信號的反饋回路；其余M6~M16 組成四級放大比較器。

　　M3、D1 產(chǎn)生基準電壓，輸入比較器的同相端，固定不變是11V，當電源電壓正常工作時(shí)，反相端的欠壓檢測輸給比較器的反相端的電壓大于11V，比較器輸出為低，M5截止，反饋電路不起作用；當欠壓發(fā)生時(shí)，分壓電阻R2、R3、R4 反映比較敏感，當電阻分壓后輸給反相端的電壓小于11V，比較器的輸出電壓為高，此信號將M5 開(kāi)啟，使得R4兩端的電壓變?yōu)镸5兩端的飽和電壓，趨近于0V，從而進(jìn)一步拉低了R2、R3 分壓后得輸出電壓，形成了欠壓的正反饋。輸出為高，欠壓鎖定，起到了保護作用。

　　3.參數計算

　　對于MOS模擬集成電路，各MOS管的工作狀態(tài)和管子尺寸及寬長(cháng)比決定了電路的功能和性能，下面結合0.6μm工藝，對電路的電阻及各管寬長(cháng)比進(jìn)行估算。設定電路的總功耗Pm《3mW，VCC是15V，將Uth近似為1V。根據總功耗可得總電流：

　　電路共有八條回路（200/8），可大致分配各路電流20 μ A 左右：故偏置電流20 μ A，即：電阻R1 的阻值大致約;

　　電路中MOS 管均工作在飽和區，MOS 管的飽和區的公式：

　　可以估算出M1 的寬長(cháng)比，進(jìn)而由電流鏡和PMOS 、NMOS的寬長(cháng)比與遷移率的關(guān)系

　　可得M2、M3、M4 的比值，即：

　　穩壓管的電壓值的設定要考慮工藝的實(shí)現并且要滿(mǎn)足M3 工作在飽和區的條件下選定，這里電壓值選為11V；而電阻的設計要考慮面積因素。電阻R2、R3、R4 構成分壓器，設定此路中電流是30 μ A，忽略M5 的電阻，可得

　　其中，R3=300KΩ，R4=70KΩ

　　比較器的增益要足夠的大，設定比較器的開(kāi)環(huán)增益在80dB（104 倍）以上，由于實(shí)際制作出的產(chǎn)品往往比理論計算出的放大倍數小很多。因此，我們分配各級的放大倍數分別： Aμ1=50，Aμ2=20，Aμ3=10.總共的放大倍數為各級放大倍數的乘積，即為：

　　分配各級電流的四路總和不超過(guò)110μA（200μA－20×3μA－30μA）。故分配各級電流分別為30 μ A、20 μA、30 μA 和30 μA。這樣，我們就可以根據放大倍數和偏置電流來(lái)計算出各個(gè)管子的寬長(cháng)比。

　　對于差分放大級。放大倍數Aμ1=50， 偏置電流為30μA，則兩個(gè)支路的電流為1 5 μ A 。根據計算公式：

　　第二級，共源放大級。放大倍數A μ2＝20，流過(guò)的電流為20 μ A，根據

　　第三級和第四級推挽CMOS 放大級，由公式：

　　出M13~M15 各管的寬長(cháng)比為：

　　差分對的有源負載管寬長(cháng)比的計算。從電壓角度出發(fā)，為了保證所有的管子在信號范圍內都工作在恒流區或臨界恒流區，而不進(jìn)入深度線(xiàn)性區，根據總電源電壓VDD =15V，我們可以大致分配M9、M10 的靜態(tài)。則：

　　計算可得：

　　4．模擬仿真結果分析

　　通過(guò)上面的計算所得， 利用pspice 對電路進(jìn)行模擬，在模擬仿真過(guò)程中，各管的尺寸有調整，在仿真時(shí)，分別增大和減小電源電壓來(lái)進(jìn)行電源掃描，波形見(jiàn)圖2。 從仿真的波形中可以看出：當增大電源電壓時(shí)，電壓低于14.78V時(shí)，欠壓鎖定；當減小電源電壓時(shí)，電壓低于14.5V 時(shí)，欠壓鎖定。仍可進(jìn)一步調整參數，來(lái)改善增大電源電壓時(shí)的欠壓曲線(xiàn)。

　?。╝）電源掃描的波形（增大電源電壓）

　?。╞）電源掃描的波形（減小電源電壓）

　　圖2電源掃描的波形圖

　　5.結論

　　此欠壓保護電路結構簡(jiǎn)單，工藝易實(shí)現，可用于功率ic 穩壓電源保護中，當采用不同的工藝時(shí)，計算參數的方法相同，也可以采用等比例縮小的原則確定參數。對于一般的欠壓保護，本電路已經(jīng)足夠。如果對欠壓保護精度和靈敏度要求很高的電路，則可在此電路的基礎上將穩壓輸入部分換成穩壓源，將比較器選用精度更高的比較器，但這樣結構復雜，功耗大，成本高。