中心論題：

• 分析欠壓鎖定電路的工作原理
• 對傳統欠壓鎖定電路進行改進
• 利用HSPICE進行仿真

解決方案：

• 組成先導控製電路，實現對比較器灌電流的控製
• 組成正反饋回路加速比較器的翻轉，提高電路的響應速度

在DC-DC電dian源yuan管guan理li芯xin片pian中zhong
，電dian壓ya的de穩wen定ding尤you為wei重zhong要yao，因yin此ci需xu要yao在zai芯xin片pian內nei部bu集ji成cheng欠qian壓ya鎖suo定ding電dian路lu來lai提ti高gao電dian源yuan的de可ke靠kao性xing和he安an全quan性xing。對dui於yu其qi它ta的de集ji成cheng電dian路lu，為wei提ti高gao電dian路lu的de可ke靠kao性xing和he穩wen定ding性xing，欠qian壓ya鎖suo定ding電dian路lu同tong樣yang十shi分fen重zhong要yao。
　　
傳統的欠壓鎖定電路要求簡單、實(shi)用(yong)，但(dan)忽(hu)略(lve)了(le)欠(qian)壓(ya)鎖(suo)定(ding)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)耗(hao)，使(shi)係(xi)統(tong)在(zai)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)，仍(reng)然(ran)有(you)較(jiao)大(da)的(de)靜(jing)態(tai)功(gong)耗(hao)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)降(jiang)低(di)了(le)電(dian)源(yuan)的(de)效(xiao)率(lv)，並(bing)且(qie)無(wu)效(xiao)的(de)功(gong)耗(hao)增(zeng)加(jia)了(le)芯(xin)片(pian)散(san)熱(re)係(xi)統(tong)的(de)負(fu)擔(dan)，影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。
　　
基於傳統的欠壓鎖定電路，本文提出一種CMOS工藝下的低壓低靜態功耗欠壓鎖定電路，並通過HSPICE仿真。此電路可以在1.5V～6V的電源電壓範圍下工作
，閾值可調，翻轉速度很快。電源電壓正常工作時，此電路的靜態功耗可低於2μW。此電路結構簡單，用標準CMOS工藝實現容易，可用於由電池供電的電源管理芯片或便攜設備中作欠壓保護電路。

欠壓鎖定電路工作原理
欠壓鎖定電路的基本原理圖如圖1所示。電路包括電壓采樣電路
、比較器、輸出緩衝器和反饋回路。Vcc為待檢測的電源電壓，電阻R2、R3


、R4組成Vcc的分壓采樣電路，實現對Vcc的采樣；NMOS開關管MNl和電阻R1構成比較器，對采樣電壓和MNl的VTH進行比較，並輸出比較結果
；反向器INV1和INV2組成緩衝器電路
，可對比較器的輸出波形進行整形和緩衝，提高電路的負載能力；PMOS開關管MP1構成正反饋回路

，可以實現電路的遲滯功能，防止電路在Vcc的閾值附近振蕩
，增加係統的穩定性。調整R2、R3、R4的大小可實現不同閾值和遲滯量的Vcc欠壓保護。

 
欠壓鎖定電路結構簡單
，工作電壓範圍寬，適應性強
，且無需額外的基準電壓[2]，因此有著廣泛的應用。電路正常工作時，MN1導通

，流過R1的電流I1作為比較器的灌電流，全部流經MN1到地。為使電路性能可靠，有較好的響應速度，電流I1通常需5μA～10μA。靜態時該電流為無效用電流，增加了係統的功耗，浪費了電源的能量
，對係統的效率、散熱及穩定性產生了不好的影響
，並且其響應速度也不夠快。如果用增大R1的阻值減小電流I1的大小

，雖然可以降低功耗，但減慢了電路的響應速度，並嚴重影響了電路的穩定性，因此需要對該電路作進一步的改進。

改進的電路
改進的電路如圖2所示，電路結構由采樣
、先導控製、比較器、遲滯反饋回路
、加速響應電路、緩衝器六部分構成。電阻R1、R2、R3、R4構成分壓電阻網絡實現對Vcc的采樣
；MNl、R5

、INVl組成先導控製電路，實現對比較器灌電流的控製；MN2
、R6、MP2組成比較器
，實現采樣電壓與MN2的VTH比較；MP1構成正反饋回路
，可實現Vcc的遲滯功能；INV2、MP3、R7構成正反饋回路

，可加速比較器的翻轉

，從而提高電路的響應速度；SCHMITT觸發器和INV3是緩衝電路
，對比較器的輸出波形進行緩衝和整形
，SCHMITT觸發器的結構如圖3所示
，其工作原理詳見參考文獻[3]；另外，電容C1起濾波和儲能作用。

　　
本電路通過低功耗的先導控製電路控製電流較大的比較器的灌電流，使比較器隻有在狀態發生翻轉時有微弱的電流流過MN2。在其餘時間，無論比較器是輸出高電平還是低電平，都沒有電流流過MN2，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)使(shi)電(dian)路(lu)無(wu)論(lun)是(shi)在(zai)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)還(hai)是(shi)在(zai)欠(qian)壓(ya)鎖(suo)定(ding)狀(zhuang)態(tai)，比(bi)較(jiao)器(qi)都(dou)不(bu)消(xiao)耗(hao)功(gong)率(lv)
，這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)把(ba)電(dian)路(lu)的(de)靜(jing)態(tai)功(gong)耗(hao)降(jiang)到(dao)最(zui)低(di)。為(wei)了(le)加(jia)快(kuai)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)翻(fan)轉(zhuan)速(su)度(du)，可(ke)通(tong)過(guo)先(xian)導(dao)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)和(he)加(jia)速(su)響(xiang)應(ying)電(dian)路(lu)來(lai)實(shi)現(xian)。在(zai)Vcc電壓升高過程中，當電壓較低時
，由於MNl
、MN2截止，D電位處於高電位
，可通過先導控製電路使MP2導通
，同時MP3也導通，給電容C1充電
，使G點的電壓等於Vcc
，使輸出端為高電平，電路處於欠壓鎖定狀態
；隨著Vcc電壓升高
，由於B點的電壓高於C點的電壓，使MNl比MN2先導通，先導控製電路使MP2截止
，使比較器的灌電流消失，此時由於電容C1沒有放電回路，使G點保持高電平
，電路仍處於欠壓鎖定狀態
；當Vcc進一步上升使C點的電壓高於MN2的閾值時
，MN2導通
，由於沒有灌電流的作用，MN2迅速給C1放電

，使G點電壓迅速下降到0V
，電路解除欠壓鎖定
，進入正常工作狀態，此時MP1導通，R1被短接。此後Vcc繼續升高，先導控製電路使MP2保持截止狀態，使電路保持在正常工作狀態。由於比較器中沒有灌電流
，比較器的靜態功耗為零。因此Vcc電壓在上升過程中，其閾值為： 

 
在Vcc電壓下降使電路由正常工作狀態轉為欠壓鎖定狀態的過程中，由於MN2截止之後的很短時間內

，MNl仍然導通，使MP2仍處於截止狀態，電容C1無放電回路，G點仍處於低電平
，電路仍處於正常工作狀態，此時


，比較器的靜態功耗也為零
；此後MN1截止，使MP1導通，MN2仍處於截止
，由於灌電流的作用，使G點電壓高，通過INV2
、MP3、R7的正反饋作用，使MP3導通，由於R7阻值較小，使流過MP3
、R7的電流較大，G點電壓迅速提升到Vcc，電路進入欠壓鎖定狀態；此後，MN2截止，使電路保持欠壓鎖定狀態，由於比較器中沒有電流流過MN2，因此比較器基本上無靜態功耗。因此Vcc電壓在下降過程中，其閾值為： 

 
如圖2所示

，改變電阻R3的大小，可以調整MN1和MN2導通和截止的時間次序。為了降低R5、MN1的功耗
，應增大R5的阻值，減小MN1的W／L，使流過MN1和R5的電流很小。為了減小MN1和MN2製造工藝的不匹配問題，要求MN2由若幹個與NN1相同的NMOS管並聯構成。

HSPICE仿真結果與分析
根據上麵的計算結果，采用0.6μm工藝模型
，利用Hspice對電路進行模擬仿真。在模擬仿真過程中，各器件的參數有調整。在仿真時
，分別增大和減小電源電壓進行DC掃描，輸出端的波形如圖4所示，電路的總功耗如圖5所示。

 
從圖4的仿真的波形中可以看出：當增大電源電壓時，電壓低於1.7V為欠壓鎖定；當減小電源電壓時
，電壓低於1.65V為欠壓鎖定。仍可進一步調整參數，以改變電源電壓欠壓閾值。

從圖5的仿真波形中可以看出：當Vcc的電壓正常時，電路的總功耗隨著Vcc的升高而增大，當Vcc=2.7V時，總功耗約為2μW，可見電路的靜態功耗很低。
　　
本電路采用標準CMOS工(gong)藝(yi)，通(tong)過(guo)先(xian)導(dao)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)和(he)加(jia)速(su)響(xiang)應(ying)回(hui)路(lu)成(cheng)功(gong)地(di)實(shi)現(xian)了(le)欠(qian)壓(ya)鎖(suo)定(ding)電(dian)路(lu)的(de)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)和(he)低(di)靜(jing)態(tai)功(gong)耗(hao)的(de)功(gong)能(neng)，解(jie)決(jue)了(le)電(dian)路(lu)在(zai)低(di)功(gong)耗(hao)和(he)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)之(zhi)間(jian)的(de)矛(mao)盾(dun)
，可(ke)適(shi)應(ying)1.5V～6V的電源電壓工作範圍
，且閾值電壓可調，在低電壓低功耗IC集成電路芯片中
，有較大的應用價值。