欠電壓閉鎖的一種解釋

了解欠壓鎖定（UVLO）如何保護(hù)半導(dǎo)體器件和電子系統(tǒng)免受潛在危險(xiǎn)操作的影響。

當(dāng)提到電源或電壓驅(qū)動(dòng)要求時(shí)，我們經(jīng)常使用簡(jiǎn)化，如“這是一個(gè)3.3 V的微控制器”或“這個(gè)FET的閾值電壓為4 V”。這些描述沒(méi)有考慮到電子設(shè)備在一定電壓范圍內(nèi)工作——3.3 V的微型控制器可以在3.0 V至3.6 V之間的任何電源電壓下正常工作，而具有4 V閾值電壓的MOSFET可能在3.5 V至5 V之間獲得足夠的導(dǎo)電性。

但即使是這些基于范圍的規(guī)范也可能具有誤導(dǎo)性。當(dāng)VDD軌降至2.95V時(shí)，接受3.0至3.6 V電源電壓的數(shù)字IC不會(huì)完全停止工作。如圖1所示，現(xiàn)實(shí)情況更為復(fù)雜。

提供給IC的電源電壓對(duì)應(yīng)于四種操作狀態(tài)中的一種。

圖1。提供給IC的電源電壓對(duì)應(yīng)于四種操作狀態(tài)中的一種。圖片由Robert Keim提供

如上所述，IC有四種不同的操作狀態(tài)：

全面性能：設(shè)備功能符合規(guī)范。

功能：設(shè)備具有功能，但可能不符合所有數(shù)據(jù)表規(guī)范。

未定義：設(shè)備的行為不可預(yù)測(cè)。

非活動(dòng)：設(shè)備完全關(guān)閉。

如果VDD低于其指定范圍的下限，則設(shè)備退出“全性能”狀態(tài)，現(xiàn)在處于欠壓狀態(tài)。然而，VDD可能不足以使設(shè)備處于非活動(dòng)狀態(tài)，在這種情況下，IC將繼續(xù)在“功能”或“未定義”狀態(tài)下運(yùn)行。這種操作條件也被稱為斷電。

由于其不可預(yù)測(cè)性，未定義狀態(tài)尤其令人擔(dān)憂。

欠電壓的影響

如果電路晶體管的工作電壓低于其設(shè)計(jì)的電壓范圍，則可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。盡管有時(shí)IC失控只是不方便，但現(xiàn)代生活充滿了我們的工作、健康甚至生活依賴半導(dǎo)體設(shè)備的情況。

在電源電壓不足的情況下，CMOS邏輯電路可能無(wú)法在完全接通和完全斷開(kāi)狀態(tài)之間可靠地轉(zhuǎn)換。在高功率FET中，驅(qū)動(dòng)電壓不足會(huì)導(dǎo)致通道電阻過(guò)大，導(dǎo)致元件過(guò)熱。低驅(qū)動(dòng)電壓也可以防止雙極結(jié)晶體管被適當(dāng)?shù)仄谩?/p>

在微處理器或存儲(chǔ)器中，欠壓可能導(dǎo)致位錯(cuò)誤，從而損壞數(shù)據(jù)或?qū)е聰?shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)故障。這種類型的故障不太可能對(duì)IC造成直接損壞，但處理器產(chǎn)生的故障控制信號(hào)可能會(huì)引發(fā)各種非常不可取甚至危險(xiǎn)的系統(tǒng)行為。為了確保電子設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，集成電路必須具備防欠壓功能。

這在電池供電的系統(tǒng)中尤為重要，原因有兩個(gè)：

隨著電池放電，電池的電壓逐漸降低，因此電池供電系統(tǒng)偶爾會(huì)遇到電源電壓不足的情況，這是一個(gè)非常安全的賭注。

欠電壓保護(hù)有助于防止因過(guò)度放電而損壞蓄電池。

IC的欠壓保護(hù)通常采用欠壓鎖定（UVLO）電路的形式。讓我們來(lái)看看這是如何工作的。

欠電壓鎖定電路

UVLO電路的目的是檢測(cè)電源電壓不足，然后“鎖定”通電設(shè)備，確保設(shè)備保持受控狀態(tài)，直到解決欠壓情況。圖2顯示了一個(gè)基本的UVLO電路。

UVLO電路的基本示例。

圖2:UVLO電路示例。圖像由Analog Devices提供

在該電路中，使用電阻分壓器測(cè)量電源電壓，并將其與固定閾值電壓（VT）進(jìn)行比較。如果分壓的電源電壓下降到閾值以下，比較器的輸出轉(zhuǎn)換并通過(guò)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)來(lái)停用下游電路。在實(shí)踐中，“打開(kāi)開(kāi)關(guān)”通常意味著將MOSFET驅(qū)動(dòng)到非導(dǎo)通狀態(tài)。

由于該電路旨在檢測(cè)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其他部分發(fā)生故障的電源電壓，設(shè)計(jì)者必須確保閾值電壓發(fā)生器和比較器能夠在這些低電源電壓下正常工作。通常，欠壓鎖定電路中的比較器將包括滯后，以防止系統(tǒng)電源在電源電壓接近閾值時(shí)快速接通和斷開(kāi)。

包含欠電壓鎖定

盡管上述電路可以使用分立組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但I(xiàn)C在芯片上包括UVLO功能是非常常見(jiàn)的。讓我們看一些例子，從Texas Instruments的TLV741P線性調(diào)節(jié)器開(kāi)始。

圖3顯示了TLV741P的功能框圖。在欠壓鎖定期間，輸出通過(guò)示意圖右側(cè)的120Ω下拉電阻器接地。

TI線性調(diào)節(jié)器的功能框圖，包括UVLO功能。

圖3。TLV741P線性調(diào)節(jié)器的功能框圖。圖片由Texas Instruments提供

圖4顯示了UVLO是如何被納入同樣來(lái)自Texas Instruments的TPS54331降壓轉(zhuǎn)換器中的。該電路允許用戶通過(guò)外部電阻器調(diào)節(jié)UVLO閾值電壓。

使用電流源來(lái)調(diào)整閾值的UVLO電路。

圖4。使用電流源來(lái)調(diào)整閾值的UVLO電路。圖片由Texas Instruments提供

盡管Silicon Labs的C8051F310微控制器在其數(shù)據(jù)表中沒(méi)有使用“欠壓鎖定”一詞，但其通電復(fù)位電路和VDD監(jiān)視器提供了等效的功能。當(dāng)電源電壓太低而無(wú)法可靠操作時(shí)，它們將設(shè)備保持在非激活狀態(tài)。

C8051F310通電復(fù)位和電源電壓監(jiān)視器復(fù)位的時(shí)序圖。

圖5。C8051F310通電復(fù)位和VDD監(jiān)視器復(fù)位的時(shí)序圖。圖片由Silicon Labs提供

最后，圖6顯示了來(lái)自O(shè)nsemi的NCP302監(jiān)控IC。這些可用于幾種不同的UVLO閾值，范圍從0.9 V到4.7 V。

NCP302系列監(jiān)控IC的簡(jiǎn)化電路圖。

圖6。NCP302系列監(jiān)控IC的簡(jiǎn)化電路圖。圖片由Onsemi提供

如果您：

對(duì)于沒(méi)有UVLO功能的部件，需要欠壓保護(hù)。

想要為整個(gè)電路板實(shí)現(xiàn)一個(gè)欠壓閾值。

雖然你也可以使用由分立元件制成的定制電路，但我認(rèn)為集成電路解決方案是一個(gè)更好的選擇。