低压系统中的过压欠压保护电路设计方案探究

2023-01-31李幸悦

科学与信息化 2023年1期

李幸悦

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引言

过压欠压电路是低压电子系统当中十分重要的组成部分，也是保障整个供电电压始终保持稳定的关键设备。过压欠压电路运行阶段，需要对电源电压进行系统的检测评估，避免受到外部噪声的影响，或者受到电源供电操作失误问题的影响，而引发过压、欠压现象等故障问题。这样的设计方式，能够避免系统在运行阶段出现芯片器件损坏问题，符合电子系统的电源电压稳定运行需求。

1 研究背景

在过去的研究中所提出的电路结构设计，通常采用双门限电压比较器，上述设备可以在运行过程中，充分发挥自身优势，避免电源可能出现的误动作。而在电路结构的设计上，则采用了电阻与二极管相结合的组成方式，可以实现防反接的效果。在这样的设计方式下，电路经常处于高压状态下，同时整体的输出预制电压精度不高，电路的面积功耗方面比较大，存在一定缺陷。但是，在电路的设计过程中，也出现了一些使用比较器与外部电流偏置电路的设计方式，这样的电路结构设计方式，可以有效提升阈值的电压精度值。最后，也有学者在设计的过程中采用了其他设计方式，于电路结构当中设置了预调节器、比较器与带隙基准，上述设备的存在，提升了整体的运行精度。但是，由于缺乏针对过压保护的结构设计，导致系统的功能比较单一[1]。

而本文中所采用的设计方式，是基于整体过压欠压的电流设计方式，采用类似带隙基准结构，相比较传统所采用的比较器以及外部偏置电流的设计方式而言，有着更加简洁的内部结构，并不需要使用二极管。这样的电路设计方式，全面提升了输出阈值电压精度值。在精简电路的结构以及降低电路功耗时，还能够进一步保障电路的欠压保护处理效果，是一种科学合理的设计方式。同时，本文所采用的设计方法，同样有利于提高对迟滞量的处理水平，能够避免系统在运行阶段出现各类问题[2]。这样设计方式，能够全面提升电路系统的稳定性，也具备较为可靠的系统保护机制。

2 保护电路的架构设计

本文所采用的低压管理系统，需要具备科学合理的架构，这样才可以满足系统的运行需求。过压欠压保护电路设计的过程中，需要确保其能够对电路系统当中的电源变化进行检测分析，在电源电压高于或者低于系统正常工作运行状态时，要保障电路输出的高电平可以实现对系统的关断处理[3]。下图1为低压电源管理系统结构框图。

图1 低压电源管理系统结构框图

2.1 过压保护电路

传统的过压保护电路设计过程中，基本上是基于电阻分压采样部分，以及比较器部分和二极管构成进行设计。在供电电源处理上，始终利用一串分压电阻进行相应的采样，将数据信息传输到比较器当中后，便可以实现相应的处理[4]。与基准电压进行比较之后，可以得到最终的比较结果。在输入电源出现上升现象之后，就要对采样电压和基准电压进行数据信息采集评估，这样可以极大地提升处理的整体效果。下图2为传统过压保护电路结构。

图2 传统过压保护电路结构

如图2所示，其中VD是二极管导通的压降。在供电电压工作的状态下，转变为正常的状态，就需要做好比较器输出的高电平的处理，保障供电电压合理。另外，还要在电路架构下，对过压保护阈值进行处理，使其始终保持具体的迟滞量。这样的处理方式，可以有效避免系统出现误关断的情况。基于二极管的连接方式，会对系统当中的信号造成直接影响，例如信号传输效果可能会出现上升、下降的情况。但是电路的结构相对比较复杂，加上系统当中的电压需求量比较大，因此会造成较大的电路功耗量，这样的设计方式并不适用在一些低压环境当中。

2.2 欠压保护电路

过去传统的欠压保护的电路设计，架构设计通常会涉及电压分压网络、比较器、带隙基准电路及电流偏置。其中电路中的输入电压，始终要利用电阻分压网络处理方式，进行电路采样分析，同时保障在设计过程中，维持电压的稳定性，加强对其他基准电压的控制。在采样电压的设置上，要使其始终保持在科学合理的电路运行方式下，使采样电压能够被后续的电路关断处理。在整体的电路分析过程中，工作人员始终都要注意电阻分压的网络处理问题，应当结合比较器反馈特性，使电路系统实现迟滞效果。在该系统逻辑下所采用的芯片欠压阈值并不相同，因此就可以起到对芯片关断的有效预防及控制的作用。另外，整个设计整体结构较为完善和成熟，因此也可以在后续运行的过程中，实现稳定的运行效果，但是整体的功耗比较大，因此不利于集中电路低压功耗的设计需求，要进行针对性的探讨。

3 电路设计分析

现阶段，针对电源电压的设置需要坚持一项原则，即始终都要锁定在芯片正常的电压范围当中，避免电压在运行阶段出现损坏的情况。在欠压保护的基础上，要全面提升过压保护的功能，这样就可以形成过压欠压保护。按照本文采用的设计方式所设计出的过压欠压保护电路，在实际运行阶段，可以使电阻全面提升处理的水平。

过压保护电路设计环节，需要采用MOS管N1在与二极管，两者的质量直接决定了电路当中的过压保护阈值。在输入的电源电压VDD低于二极管支路压降的情况下，二极管在实际的运行阶段基本处于截止的状态。这样的设计方式下，在整个栅级电源处理过程中，极源的处理方式，会小于电位差的实际MOS的电压阈值。另外，在将供电电压输入到后续的电压之后，则需要在整个运行的过程中，始终可以保障电源电压得到优化控制，确保两者能够在系统的运行阶段保障整体运行的效率和质量。在这样的处理方式下，也要保障在栅级方面得到控制，这样就可以在不满足MOS管开启的条件时，进行过压保护的合理化处理分析。

欠压保护电路的设计环节同样较为重要，其设计方法不同于电源电压处理方式，但是两者都需要保持对支路的重视。对此，有关人员应当首先构建一个外部反馈回路，要在欠压保护电路的设计时，充分考虑到迟滞功能的实现效果。在未来进行设计时，可以加速反相器的翻转效率，这样就可以在电路通路形成之后，出现正相反馈的回路结构。基于这样的处理方式，在电路当中设置施密特触发器，以此对电路中的缓冲输出控制信号进行处理。使用这样的设备，可以使电路在投入运行之后，实现对电压传输的特征合理化控制。电路的运行阶段，基本上会分为3种不同的阶段。在不同阶段当中的导通电压，都要始终处于欠压保护电路的控制下，但欠压保护电路则需要始终保持关断的状态，同时提升输出端口。

4 仿真试验分析

在本文的分析中，主要采用的是SMIC的标准设计方式，为了能够对设计方式的运用效果进行评估，就需要利用仿真软件对过压欠压保护电流开展瞬态特性仿真分析。

4.1 输出信号的瞬态仿真

对于这个领域的分析方式，需要对电路当中的端口信号进行瞬态特性分析。通过使用仿真软件，设置输入电压标准值，分析系统在不同运行模式下处于不同温度当中的变化情况。例如，从仿真曲线的角度进行分析，输出电压设置会形成较低或者较高的水平，通常为高电平的3.3V。其次，在电源电压处于稳定运行状态时，出现低电平的情况。这样的设计方式，代表着在FF、SS、TT当中的不同工艺角的仿真曲线处于一个较为稳定的重合程度。在这样的电路设计状态中，仿真结构在不同温度状态下，都可以很好地保障电路设计精确度。

4.2 系统功能性仿真

在低压电源管理的系统设计中，针对电源的电压进行设置较为重要，会处于0-6三角波信号的输出方式。为了能够在进行仿真分析中得到具体的分析效果。就需要观察电路处于低压的运行状态下，如何保持系统的正常稳定运行。例如，在保护电路输出信号为高电平的状态中时，系统当中的电压阈值相同。其次，在对电压的阈值进行处理时，保护电路输出的信号如果同时为高电平，就需要对系统进行关断处理。使用这样的处理方式，是为了避免系统运行出现电压过高的情况，避免对器件造成直接的影响。在系统输出电压上，观察保护电路的输出信号，始终是一种较为良好的运行状态分析方式。只有保障系统运行阶段可以发挥出相应的作用，才可以最大化保障系统的保护电路设计逻辑，发挥出相应的运行效果。

通过对仿真试验结果的分析发现，本文所设计的过压欠压保护电路的设计方式，全面提升了系统当中的输出阈值程度，也相应对电路的结构进行了彻底的简化处理。其次，在电路设计过程中所设置出的欠压保护阈值处理方式，可以避免系统运行中经常出现的反复关断的情况。这样的设计方式，可以极大提升系统的运行稳定性，特别是在设计的过程中，工作人员能够更加正确地了解到低压电源的管理系统，可以得到相应仿真合理化的处理以及分析。在整个电压的处理方式下，系统在进入到欠压保护装置之后，要能够发挥出电源电压处理的针对性效果。只有全面符合系统的运行需求，才可以发挥出该电路的设计优势和作用，避免出现一些潜在的故障问题。