多路通信电源欠压锁定电路数字控制方法研究

田云霞，张青云，林海霞

（1.河北工程技术学院信息技术学院，石家庄 050091；2.石家庄科技信息职业学院教务处，石家庄 050091）

随着经济水平的提升和科学技术的不断发展，电子系统的集成化发展态势日益增强。在计算机通信、销售电子产品等领域开关电源变换器芯片得到广泛应用，当前设计者的重点研究对象是多路通信电源管理芯片[1]。通过欠压锁定电路监控电源电压，可确保电源电压出现波动的情况下，多路通信电源管理芯片依旧能正常运行。当启动开关电源管理芯片时，多路通信电源采用输入端等效电阻和电容，对多个电源管理芯片进行充电时[2]，多个电源管理芯片的电压不断提升，当升高的电压与电源管理芯片的开启电压一致时，多个电源管理芯片开始正常运行[3]。假设在电源管理芯片开启的瞬间，多路通信电源负载电流过大，会导致电源管理芯片自动将电压降低到启动电压以下，电源管理芯片会出现刚开启就关闭的情况。为防止出现上述情况，应在多路通信电源中采用欠压锁定电路监控和锁定电源电压[4]。当欠压锁定电路预设电压值高于电源电压时，关闭电源管理芯片，防止多路通信电源系统崩溃情况出现，保障电源管理芯片的安全，减少可能出现的功率消耗，因此在多路通信电源管理芯片中的重要部分是欠压锁定电路[5]。

以往大多数欠压锁定电路采用外界提供的偏置电流和基准电压，扩大了电源管理芯片的面积，降低了欠压锁定电路响应速度。当电源电压过低时会关闭电源管理芯片，导致欠压锁定电路输出异常信号，影响电源管理芯片的可靠性，对整个多路通信电源的安全运行造成不利影响[6]。因此，本文采用带隙基准电压源结构，设计了一种新型欠压锁定电路，采用数字控制方法控制欠压锁定电路阈值电压的产生，同时通过温度补偿功能数字控制迟滞电压的漂移程度，提高欠压锁定电路响应速度。

1 欠压锁定电路数字控制方法

1.1 数字控制阈值电压

由于传统欠压锁定电路存在较多缺陷，因此本文采用带隙基准电压源结构设计一种新型欠压锁定电路，并基于新型欠压锁定电路分析数字控制方法[7]。设计的新型欠压锁定电路如图1 所示。

从图1 中可以看出，整个电路主要由MOS 管构成，采用MOS 管N3阈值电压VT产生参考基准电压VC，R0、R1和R2为电路电阻，自偏置电流IA流向为由MOS 管N6到N8，自偏置电流IA1流向为由MOS 管N5到N7。电流源Qc采用二极管结构，高温补偿基准电压。

图1 新型欠压锁定电路示意Fig.1 Sketch map of novel under-voltage locking circuit

采用电流模控制技术调节新型多路通信电源欠压锁定电路上、下阈值电压，控制迟滞电压，改善电路响应速度，具体描述如下。

当电路启动时，由于电源电压VD较小，VT高于MOS 管N5的栅源电压V5gs，所以N5处于截止状态。反相器INV 输出端属于低电平，输出的VOUT属于高电平，MOS 管N4处于截止状态，此时的MOS 管N3的驱动电压是N5的栅极电压。当电源电压不断增加，且电源电压高于上阈值电压时，VuT表示上阈值电压，VT低于N5的栅源电压V5gs，此时N5处于导通状态。当N6和N8构成的自偏置电源的自偏置电流IA=IA1时，拉高反向器INV 的输入，输出跳变为低，此时N4处于导通状态，可产生下阈值电压VdT。

如果在线性区间MOS 管开始工作，那么N6和N8构成的自偏置电流源产生的自偏置电流满足下列条件

式中：Vds为漏源电压；Bx为自偏置负载系数，Bx=，其中，α 为载流子迁移率；COX为MOS 管栅氧化层电容；为MOS 管x（x=1，2，…，8）沟道长和宽的比值。如果在饱和区间内MOS 管开始工作，那么N6和N8构成的自偏置电流源产生的自偏置电流满足下列条件

从图1 中可以发现，N8是通过二极管接通共源极负载，随着电源电压的增加，N6管处于导通状态，IA开始不断增加；当MOS 管N1和N3阈值电压相等时，获取N8的栅源电压V8gs和漏源电压V8ds，同时N8栅源电压等于漏源电压，都高于电源电压；由于N6和N8是串联结构，得到VD=|V6ds|＋V8ds，且N6的栅源电压和电源电压相等，可得出|V6ds|＜|V6gs|-VT。通过上述分析可知，在工作区内N6工作，在饱和区内N8工作[8]。结合式（1）和式（2）得

通过式（4）和式（5）可得到电路迟滞电压，通过调节N3、N5、N6和N8的长宽比，可调节多路通信电源欠压锁定电路上、下阈值电压，进而可调节电路迟滞电压，改善电路响应速度[12]。

1.2 多路通信电源欠压锁定电路温度补偿

经过上述分析发现，新型欠压锁定电路中基准电压和多路分压通信网络中的电阻可产生迟滞电压。其中多路分压通信网络中的电阻具有相同的温度系数，因此需通过数字控制方法控制基准电压的敏感系数，当此敏感系数较低时，才能使迟滞电压具有较高的稳定性和较小的漂移程度[13]。

在新型欠压锁定电路中通过二极管相连的三极管高阶温度补偿基准电压，根据二极管反向饱和电流温度敏感系数的特性[14]，得到基准电流为

式中：Lc为杂质原子总数，，其中kc为基莫原子个数，cc为异种原子个数；q 为电子电荷量；A 为电流系数；mi为硅本征载流子浓度；IB为PN 结反向饱和电流；On为基极中电子平均扩散系数。当多路通信电源欠压锁定电路温度不断升高时，mi也在不断增多，同时反向饱和电流以的速度增长，在计算基准电压时，需研究反向饱和电流流经N1和N2。通过叠加原理，可得温度补偿后的基准电压为

式中：IB1为二极管PN 结反向饱和电流，IB1=rIB；IB2为三极管PN 结反向饱和电流，IB2=（1-r）IB，IB=IB1＋IB2；β1、β2为系数，β2=sβ1；VQc为Qc端电压；k 为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度。则本征载流子浓度为

式中：Me为导带有效状态密度；Mn为价带有效状态密度；np为空穴有效质量；nn为电子有效质量；n0为电子惯性质量；Ei为本征费米能级；Fg为禁带宽度。

假设Fg与温度T 之间存在下述关系

式中：Fg（0）为在T=0 K 时材料禁带宽度；。

将其代入式（8）中得

将式（6）和式（11）代入式（7）中，则有

式中，r、s 和k1、k2为正实常数。式（12）所得结果就是高温补偿后的基准电压，因此可见，采用高阶温度补偿后，式（4）和式（5）的电压温度灵敏度较低[15]。

2 仿真验证分析

为验证本文方法控制多路通信电源欠压锁定电路的效果，进行了仿真测试。设置仿真多路通信电源欠压锁定电路中的电源管理芯片输出电压在4.6～18.3 V 之间，电源开关频率为5 503 kHz，储能电感为2.1 μH，输出电容为22.3 μF，电源开关导通电阻为151 mΩ，整流管导通电阻为92 mΩ。

2.1 自偏置电流、电路输出电压和电源电压之间关系

在本文方法控制下，电源电压、电路输出电压和自偏置电流响应情况的仿真测试结果如图2 所示。

从图2 中可以看出，随着电源电压的变化，自偏置电流响应曲线呈现出二次方曲线，当电源电压发生变化时，自偏置电流会迅速发生改变。当电源电压为1.65 V/μs 时，输出电压上升和下降时间较短，大约是36 ns，说明在本文方法控制下的多路通信电源欠压锁定电路响应速度较快。同时可发现在图中自偏置电流最大值是4.2 μA，在经过电流镜像后，整个多路通信电源欠压锁定电路工作电流在10.3 μA 以下，最大消耗功率为51 μW，说明在本文方法控制下多路通信电源欠压锁定电路工作电流消耗的功率较小。

图2 自偏置电流、电路输出电压和电源电压关系Fig.2 Relationship among self-bias current,circuit output voltage,and power supply voltage

2.2 分析上下阈值电压容差

仿真测试在本文方法控制下的多路通信电源欠压锁定电路上、下阈值电压容差。测试温度设置为24 ℃，正反向扫描电路电压为3～4 V，测试结果如图3 所示。从图3 中可以看出，上阈值电压容差是945.38 nV，下阈值电压容差是1.189 7 μV。可知，上下阈值电压容差较小，可将电路迟滞电压控制在一定范围内，满足多路通信电源欠压锁定电路输出电压转换高精度的要求。

图3 上下阈值电压容差Fig.3 Upper and lower threshold voltage tolerances

2.3 迟滞电压随温度变化

迟滞电压与温度之间关系的仿真测试结果如图4 所示。从图4 可以看出随温度变化迟滞电压的变化规律。在温度为24 ℃时，下阈值电压为5.63 V；上阈值电压为8.34 V，迟滞电压的迟滞区间是3.31 V，当温度在-30～135 ℃变化时，迟滞电压的迟滞区间最大偏移量是0.32 V，说明本文方法能有效降低迟滞电压的漂移程度。

图4 迟滞电压与温度间的关系Fig.4 Relationship between hysteresis voltage and temperature

2.4 控制方法能量消耗分析

为研究本文方法的能量消耗情况，仿真对比了3种控制方法，取多次仿真实验平均值提升对比精准度，对比结果如表1 所示。

表1 能量消耗对比Tab.1 Comparison of energy consumption

从表1 中可知，在经过10 次仿真实验后，本文方法控制多路通信电源欠压锁定电路的能量消耗平均值为51.684 μW，显著低于其他2 种方法，说明本文方法控制多路通信电源欠压锁定电路更适用于实际应用。

3 结语

本文研究控制多路通信电源欠压锁定电路的方法时，先设计一种新型的多路通信电源欠压锁定电路，再采用电流模控制技术，通过随电源电压呈现二次方曲线变化的自偏置电流调节多路通信电源欠压锁定电路上、下阈值门限电压，经过实验分析发现，上阈值电压容差是945.38 nV，下阈值电压容差是1.189 7 μV，上、下阈值电压容差均较小。通过控制上、下阈值电压可将迟滞电压控制在一定范围内，提高多路通信电源欠压锁定电路响应速率；同时采用高温补偿方法补偿多路通信电源欠压锁定电路，使得多路通信电源欠压锁定电路在温度变化较大时迟滞区间波动较小，多路通信电源欠压锁定电路运行稳定性较高，改善了多路通信电源欠压锁定电路运行的稳定性和可靠性。