摘 要：针对电源管理芯片中的重要模块UVLO，在带隙基准电压源结构的基础上，引入了对带隙基准的高阶温度补偿功能，有效减小迟滞电压的漂移。同时，该UVLO电路不需要外部提供基准电压和偏置电流，提高了模块电路的可靠性，而且电路具有结构简单、功耗低、电压精确、温度敏感性低等优点。在BCD工艺下，采用Cadence的Spectre软件对电路进行仿真验证。仿真结果证明了所设计UVLO的可行性和正确性。

关键词：带隙比较器；温度补偿；迟滞区间；欠压锁定

随着电子系统设计向集成化方向发展，开关变换器芯片已经在通信、电子计算机、消费类电子产品等领域中获得了广泛应用，其性能要求也越来越高，所以电源管理芯片的功耗、稳定性、开关频率、传输延迟等已经成为设计者的重点研究对象[1]。为了确保芯片在电源电压波动情况下依然可以正常工作，通常需要欠压锁定电路对电源电压进行监控。开关电源芯片上电启动时，电源通过输入端的等效电阻和电容对其充电。电源芯片的电压逐步增加，达到芯片所设计的开启电压时芯片开始正常工作。开启瞬间，若系统负载电流非常大，就有可能将芯片两端的电压拉至芯片开启电压以下，导致芯片一开启就关断。为了避免出现此情况，同时实现对电源电压的监控，通常采用欠压锁定电路UVLO（Under Voltage Lockout）来实现对电源电压的锁定和监控。当电源电压低于欠压锁定电路的预设值时，芯片被关断，防止系统崩溃，以保证芯片安全并降低不必要的功耗。所以欠压锁定电路已成为各种电源管理芯片的一个重要部分。

传统的欠压锁定电路必须依靠外部提供基准电源Vref和偏置电流IBIAS[2-3]，导致芯片面积增大。另外，当芯片由于电源电压过低关断时，传统的欠压锁定电路中的比较器很可能因为基准电源Vref和偏置电流IBIAS的异常而无法工作，导致欠压锁定电路输出错误信号，从而影响整个芯片的可靠性。目前，许多参考文献[4-5]提出了带隙基准电压源结构的UVLO电路，其结构简单，性能突出，且无需外部提供基准电压和偏置电流，但没有较好的温度特性。在带隙基准电压源结构的基础上，本文引入了对带隙基准电压源的温度高阶补偿功能，从而使UVLO电路在不需要外部基准电源和偏置电流的同时具有更好的温度特性，提高了整个电源管理芯片的可靠性。

由式（1）可知，通过设置R1、R2、Vref可以实现不同的欠压锁定预设点和不同迟滞区间的欠压锁定电路。

传统的欠压锁定电路需要外部提供基准电压Vref和偏置电流IBIAS，这会使电源管理芯片的面积增大，成本增加。另一方面，晶体管的参数在温度和寄生效应的影响下，使比较器的迟滞产生漂移，导致锁定预设点发生漂移，从而影响整体电路对电源电压的锁定和监控。

因此，本文提出一种基于BCD工艺的UVLO电路，在不采用外部提供基准电压和偏置电流的前提下，利用带隙基准电压源结构，同时引入高阶温度补偿功能，使电路具有结构简单、面积小、功耗低、门限电压精确、温度敏感性低等优点。

2 具有温度补偿的欠压锁定电路设计及原理

2.1 欠压锁定电路的组成结构

欠压锁定电路图如图2所示，晶体管Q1、Q2与R2和R3构成带隙基准电压源结构[4-5]，其中Q1、Q2的基极电流由电压采样电路来提供，这就限制了R2和R3的阻值不可太大，NPN管Qcom采用二级管连接结构，对基准进行高阶温度补偿。MOS管M2、M3为其提供有源负载，M1、M2、M3、M4、M5、M6构成电流镜；M7、R0、R1、R4形成分压电路；INV1、INV2对比较器的输出波形进行整形和缓冲。

图4给出了迟滞电压随温度的变化。当T=25 ℃时，VDDL=5.6 V，VDDH=8.2 V，迟滞区间为2.6 V。当温度在-30～140℃范围内变化时，迟滞区间的最大偏移为0.3 V，大大地减小了迟滞电压的温度漂移。

本文在带隙基准电压源结构的基础上设计并优化了一种结构简单的欠压锁定电路，使其具有高阶温度补偿功能，提高了UVLO电路的温度特性。在-30～140 ℃温度变化范围内，UVLO的迟滞区间为2.6 V，且最大偏移为0.3 V，有效地减小了迟滞电压的温度漂移，大大改善了欠压锁定电路的稳定性和可靠性。

参考文献

[1] 李明骏.提高电源使用效率,降低系统功耗[J].集成电路应用，2012(2)：32-34.

[2] 吴晓波，张永良，章丹艳，等.基于BCD工艺的单片热插拔控制集成电路设计[J].半导体学报，2006，27(5)：948-954.

[3] 周庆生，吴晓波.一种新型欠压锁定电路的设计[J].微电子学与计算机，2006，23(11)：199-201.

[4] 王瑾，田泽，李攀，等.一种改进的BiCMOS工艺欠压锁存电路的设计[J]．现代电子技术，2007，30(24)：182-184.

[5] 王锐，唐婷婷．一种BiCOMS欠压保护电路的设计[J]．电子科技，2006(10)：76-78.

[6] 邹雪城，韩俊峰.一种基于比例电流的欠压保护电路的设计和实现[J].华中科技大学学报(自然科技版)，2007，35(10)：64-66.

[7] GRAY P R，HURST P J，LEWIS S H，et al.模拟集成电路的分析与设计(第4版)[M].张晓林，译.北京：高等教育出版社，2005.

[8] 刘恩科，朱秉升，罗晋生，等.半导体物理学[M].北京：国防工业出版社，2005.