低壓系統(tǒng)中的過壓欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案探究

李幸悅

身份證號(hào)碼： 3402022003＊＊＊＊1428 安徽 蕪湖 241000

引言

過壓欠壓電路是低壓電子系統(tǒng)當(dāng)中十分重要的組成部分，也是保障整個(gè)供電電壓始終保持穩(wěn)定的關(guān)鍵設(shè)備。過壓欠壓電路運(yùn)行階段，需要對(duì)電源電壓進(jìn)行系統(tǒng)的檢測(cè)評(píng)估，避免受到外部噪聲的影響，或者受到電源供電操作失誤問題的影響，而引發(fā)過壓、欠壓現(xiàn)象等故障問題。這樣的設(shè)計(jì)方式，能夠避免系統(tǒng)在運(yùn)行階段出現(xiàn)芯片器件損壞問題，符合電子系統(tǒng)的電源電壓穩(wěn)定運(yùn)行需求。

1 研究背景

在過去的研究中所提出的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常采用雙門限電壓比較器，上述設(shè)備可以在運(yùn)行過程中，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，避免電源可能出現(xiàn)的誤動(dòng)作。而在電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，則采用了電阻與二極管相結(jié)合的組成方式，可以實(shí)現(xiàn)防反接的效果。在這樣的設(shè)計(jì)方式下，電路經(jīng)常處于高壓狀態(tài)下，同時(shí)整體的輸出預(yù)制電壓精度不高，電路的面積功耗方面比較大，存在一定缺陷。但是，在電路的設(shè)計(jì)過程中，也出現(xiàn)了一些使用比較器與外部電流偏置電路的設(shè)計(jì)方式，這樣的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，可以有效提升閾值的電壓精度值。最后，也有學(xué)者在設(shè)計(jì)的過程中采用了其他設(shè)計(jì)方式，于電路結(jié)構(gòu)當(dāng)中設(shè)置了預(yù)調(diào)節(jié)器、比較器與帶隙基準(zhǔn)，上述設(shè)備的存在，提升了整體的運(yùn)行精度。但是，由于缺乏針對(duì)過壓保護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致系統(tǒng)的功能比較單一[1]。

而本文中所采用的設(shè)計(jì)方式，是基于整體過壓欠壓的電流設(shè)計(jì)方式，采用類似帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，相比較傳統(tǒng)所采用的比較器以及外部偏置電流的設(shè)計(jì)方式而言，有著更加簡(jiǎn)潔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并不需要使用二極管。這樣的電路設(shè)計(jì)方式，全面提升了輸出閾值電壓精度值。在精簡(jiǎn)電路的結(jié)構(gòu)以及降低電路功耗時(shí)，還能夠進(jìn)一步保障電路的欠壓保護(hù)處理效果，是一種科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方式。同時(shí)，本文所采用的設(shè)計(jì)方法，同樣有利于提高對(duì)遲滯量的處理水平，能夠避免系統(tǒng)在運(yùn)行階段出現(xiàn)各類問題[2]。這樣設(shè)計(jì)方式，能夠全面提升電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也具備較為可靠的系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制。

2 保護(hù)電路的架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所采用的低壓管理系統(tǒng)，需要具備科學(xué)合理的架構(gòu)，這樣才可以滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求。過壓欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)的過程中，需要確保其能夠?qū)﹄娐废到y(tǒng)當(dāng)中的電源變化進(jìn)行檢測(cè)分析，在電源電壓高于或者低于系統(tǒng)正常工作運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，要保障電路輸出的高電平可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的關(guān)斷處理[3]。下圖1為低壓電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 低壓電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 過壓保護(hù)電路

傳統(tǒng)的過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)過程中，基本上是基于電阻分壓采樣部分，以及比較器部分和二極管構(gòu)成進(jìn)行設(shè)計(jì)。在供電電源處理上，始終利用一串分壓電阻進(jìn)行相應(yīng)的采樣，將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖容^器當(dāng)中后，便可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的處理[4]。與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較之后，可以得到最終的比較結(jié)果。在輸入電源出現(xiàn)上升現(xiàn)象之后，就要對(duì)采樣電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集評(píng)估，這樣可以極大地提升處理的整體效果。下圖2為傳統(tǒng)過壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)。

圖2 傳統(tǒng)過壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)

如圖2所示，其中VD是二極管導(dǎo)通的壓降。在供電電壓工作的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)變?yōu)檎５臓顟B(tài)，就需要做好比較器輸出的高電平的處理，保障供電電壓合理。另外，還要在電路架構(gòu)下，對(duì)過壓保護(hù)閾值進(jìn)行處理，使其始終保持具體的遲滯量。這樣的處理方式，可以有效避免系統(tǒng)出現(xiàn)誤關(guān)斷的情況?；诙O管的連接方式，會(huì)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)中的信號(hào)造成直接影響，例如信號(hào)傳輸效果可能會(huì)出現(xiàn)上升、下降的情況。但是電路的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，加上系統(tǒng)當(dāng)中的電壓需求量比較大，因此會(huì)造成較大的電路功耗量，這樣的設(shè)計(jì)方式并不適用在一些低壓環(huán)境當(dāng)中。

2.2 欠壓保護(hù)電路

過去傳統(tǒng)的欠壓保護(hù)的電路設(shè)計(jì)，架構(gòu)設(shè)計(jì)通常會(huì)涉及電壓分壓網(wǎng)絡(luò)、比較器、帶隙基準(zhǔn)電路及電流偏置。其中電路中的輸入電壓，始終要利用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)處理方式，進(jìn)行電路采樣分析，同時(shí)保障在設(shè)計(jì)過程中，維持電壓的穩(wěn)定性，加強(qiáng)對(duì)其他基準(zhǔn)電壓的控制。在采樣電壓的設(shè)置上，要使其始終保持在科學(xué)合理的電路運(yùn)行方式下，使采樣電壓能夠被后續(xù)的電路關(guān)斷處理。在整體的電路分析過程中，工作人員始終都要注意電阻分壓的網(wǎng)絡(luò)處理問題，應(yīng)當(dāng)結(jié)合比較器反饋特性，使電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遲滯效果。在該系統(tǒng)邏輯下所采用的芯片欠壓閾值并不相同，因此就可以起到對(duì)芯片關(guān)斷的有效預(yù)防及控制的作用。另外，整個(gè)設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)較為完善和成熟，因此也可以在后續(xù)運(yùn)行的過程中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行效果，但是整體的功耗比較大，因此不利于集中電路低壓功耗的設(shè)計(jì)需求，要進(jìn)行針對(duì)性的探討。

3 電路設(shè)計(jì)分析

現(xiàn)階段，針對(duì)電源電壓的設(shè)置需要堅(jiān)持一項(xiàng)原則，即始終都要鎖定在芯片正常的電壓范圍當(dāng)中，避免電壓在運(yùn)行階段出現(xiàn)損壞的情況。在欠壓保護(hù)的基礎(chǔ)上，要全面提升過壓保護(hù)的功能，這樣就可以形成過壓欠壓保護(hù)。按照本文采用的設(shè)計(jì)方式所設(shè)計(jì)出的過壓欠壓保護(hù)電路，在實(shí)際運(yùn)行階段，可以使電阻全面提升處理的水平。

過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要采用MOS管N1在與二極管，兩者的質(zhì)量直接決定了電路當(dāng)中的過壓保護(hù)閾值。在輸入的電源電壓VDD低于二極管支路壓降的情況下，二極管在實(shí)際的運(yùn)行階段基本處于截止的狀態(tài)。這樣的設(shè)計(jì)方式下，在整個(gè)柵級(jí)電源處理過程中，極源的處理方式，會(huì)小于電位差的實(shí)際MOS的電壓閾值。另外，在將供電電壓輸入到后續(xù)的電壓之后，則需要在整個(gè)運(yùn)行的過程中，始終可以保障電源電壓得到優(yōu)化控制，確保兩者能夠在系統(tǒng)的運(yùn)行階段保障整體運(yùn)行的效率和質(zhì)量。在這樣的處理方式下，也要保障在柵級(jí)方面得到控制，這樣就可以在不滿足MOS管開啟的條件時(shí)，進(jìn)行過壓保護(hù)的合理化處理分析。

欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)同樣較為重要，其設(shè)計(jì)方法不同于電源電壓處理方式，但是兩者都需要保持對(duì)支路的重視。對(duì)此，有關(guān)人員應(yīng)當(dāng)首先構(gòu)建一個(gè)外部反饋回路，要在欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到遲滯功能的實(shí)現(xiàn)效果。在未來進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以加速反相器的翻轉(zhuǎn)效率，這樣就可以在電路通路形成之后，出現(xiàn)正相反饋的回路結(jié)構(gòu)。基于這樣的處理方式，在電路當(dāng)中設(shè)置施密特觸發(fā)器，以此對(duì)電路中的緩沖輸出控制信號(hào)進(jìn)行處理。使用這樣的設(shè)備，可以使電路在投入運(yùn)行之后，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓傳輸?shù)奶卣骱侠砘刂?。電路的運(yùn)行階段，基本上會(huì)分為3種不同的階段。在不同階段當(dāng)中的導(dǎo)通電壓，都要始終處于欠壓保護(hù)電路的控制下，但欠壓保護(hù)電路則需要始終保持關(guān)斷的狀態(tài)，同時(shí)提升輸出端口。

4 仿真試驗(yàn)分析

在本文的分析中，主要采用的是SMIC的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方式，為了能夠?qū)υO(shè)計(jì)方式的運(yùn)用效果進(jìn)行評(píng)估，就需要利用仿真軟件對(duì)過壓欠壓保護(hù)電流開展瞬態(tài)特性仿真分析。

4.1 輸出信號(hào)的瞬態(tài)仿真

對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域的分析方式，需要對(duì)電路當(dāng)中的端口信號(hào)進(jìn)行瞬態(tài)特性分析。通過使用仿真軟件，設(shè)置輸入電壓標(biāo)準(zhǔn)值，分析系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下處于不同溫度當(dāng)中的變化情況。例如，從仿真曲線的角度進(jìn)行分析，輸出電壓設(shè)置會(huì)形成較低或者較高的水平，通常為高電平的3.3V。其次，在電源電壓處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，出現(xiàn)低電平的情況。這樣的設(shè)計(jì)方式，代表著在FF、SS、TT當(dāng)中的不同工藝角的仿真曲線處于一個(gè)較為穩(wěn)定的重合程度。在這樣的電路設(shè)計(jì)狀態(tài)中，仿真結(jié)構(gòu)在不同溫度狀態(tài)下，都可以很好地保障電路設(shè)計(jì)精確度。

4.2 系統(tǒng)功能性仿真

在低壓電源管理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)電源的電壓進(jìn)行設(shè)置較為重要，會(huì)處于0-6三角波信號(hào)的輸出方式。為了能夠在進(jìn)行仿真分析中得到具體的分析效果。就需要觀察電路處于低壓的運(yùn)行狀態(tài)下，如何保持系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。例如，在保護(hù)電路輸出信號(hào)為高電平的狀態(tài)中時(shí)，系統(tǒng)當(dāng)中的電壓閾值相同。其次，在對(duì)電壓的閾值進(jìn)行處理時(shí)，保護(hù)電路輸出的信號(hào)如果同時(shí)為高電平，就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)斷處理。使用這樣的處理方式，是為了避免系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)電壓過高的情況，避免對(duì)器件造成直接的影響。在系統(tǒng)輸出電壓上，觀察保護(hù)電路的輸出信號(hào)，始終是一種較為良好的運(yùn)行狀態(tài)分析方式。只有保障系統(tǒng)運(yùn)行階段可以發(fā)揮出相應(yīng)的作用，才可以最大化保障系統(tǒng)的保護(hù)電路設(shè)計(jì)邏輯，發(fā)揮出相應(yīng)的運(yùn)行效果。

通過對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計(jì)的過壓欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方式，全面提升了系統(tǒng)當(dāng)中的輸出閾值程度，也相應(yīng)對(duì)電路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了徹底的簡(jiǎn)化處理。其次，在電路設(shè)計(jì)過程中所設(shè)置出的欠壓保護(hù)閾值處理方式，可以避免系統(tǒng)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的反復(fù)關(guān)斷的情況。這樣的設(shè)計(jì)方式，可以極大提升系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，特別是在設(shè)計(jì)的過程中，工作人員能夠更加正確地了解到低壓電源的管理系統(tǒng)，可以得到相應(yīng)仿真合理化的處理以及分析。在整個(gè)電壓的處理方式下，系統(tǒng)在進(jìn)入到欠壓保護(hù)裝置之后，要能夠發(fā)揮出電源電壓處理的針對(duì)性效果。只有全面符合系統(tǒng)的運(yùn)行需求，才可以發(fā)揮出該電路的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)和作用，避免出現(xiàn)一些潛在的故障問題。

5 結(jié)束語

綜上所述，在進(jìn)行低壓欠壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，所采用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，可以很好地保障設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的可靠性，同時(shí)保障過壓預(yù)制的設(shè)計(jì)上，可以很好地對(duì)溫度和電壓變化進(jìn)行合理性的評(píng)估，以此滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求。