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CN110545095B - 快速掉电信号检测电路及检测电源电压抖动的上电复位装置 - Google Patents

快速掉电信号检测电路及检测电源电压抖动的上电复位装置 Download PDF

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CN110545095B
CN110545095B CN201910644587.2A CN201910644587A CN110545095B CN 110545095 B CN110545095 B CN 110545095B CN 201910644587 A CN201910644587 A CN 201910644587A CN 110545095 B CN110545095 B CN 110545095B
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mos
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胡伟波
房哲
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Shenzhen Research Institute Of Nankai University
Nankai University
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Shenzhen Research Institute Of Nankai University
Nankai University
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Abstract

本发明提供了一种快速掉电信号检测电路及检测电源电压抖动的上电复位装置，包括感测电源电压抖动并产生尖峰信号的边沿产生电路，接收所述的尖峰信号并输出快速掉电信号的快速掉电信号产生电路，所述的快速掉电信号产生电路包括锁存器，所述的下降沿信号的输出点经电容C6接入锁存器的第一级反相器的栅极的Ns点，所述的上升沿信号的输出点经电容C5接入锁存器的第一级反相器的输出的s点，Ns点输出所述的快速掉电信号。通过电源电压抖动检测，产生有效的长时间复位信号，最快能实现10ns级别的掉电检测。

Description

快速掉电信号检测电路及检测电源电压抖动的上电复位装置
技术领域
本发明涉及大规模集成电路和电源管理技术领域，尤其是涉及一种快速掉电信号检测电路及检测电源电压抖动的上电复位装置。
背景技术
当给电子系统供电时，电源电压稳定下来是需要一定时间的。在这个电源电压稳定的瞬态时期，如果系统没有经过复位信号的触发而复位，例如数字寄存器和模拟积分器的初始状态就没办法被定义，即电路处于未知状态，因此整个电路的行为也不能确定。因此，这些电路需要一定的命令信号使得电路在通电期间或通电后初始化，这个命令信号就是开机复位(POR)。POR信号应该保持电路处于复位状态，直到电源达到稳态，所有电路都能正常工作的稳态电平。
系统正常运行时，外界的突然扰动会使得电源电压发生变化，这种变化对系统的状态会产生影响。由于电源噪声过大或负载电流过大，电源电压会突然下降，电源下降的电路会失去功能甚至会发生故障。在许多应用中，当电源电压在一定时间内降到一定的电平以下时，需要产生复位信号。为了产生复位信号，必须同时检查电源电压收到干扰而变化的幅值大小和持续时间。目前的发明中，当电源电压发生最快高达1ms的掉电状态时，复位信号可以产生，使得系统复位，重新回到初始的状态。
现在的技术最好的可以做到最快可检测到电源电压抖动的速度是1ms，当电源电压抖动速度快于1ms时，就无法产生复位信号，不能满足设计需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种快速掉电信号检测电路，利用边沿产生电路配合锁存器，其可以在抖动速度最大达到10ns时产生检测信号，即快速掉电信号。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种检测电源电压抖动的上电复位装置，本发明可以实现针对电源电压的快速抖动和慢速抖动出现的问题，产生复位信号。
为实现上述目的，本申请的方案为：
一种快速掉电信号检测电路，包括感测电源电压抖动并产生尖峰信号的边沿产生电路，接收所述的尖峰信号并输出生成快速掉电信号的快速掉电信号产生电路，所述的边沿产生电路包括MOS管M25和MOS管M12，所述的MOS管M25的栅极和漏极连通并经电阻R5后连接至其源极，所述的MOS管M12的栅极和漏极连通并经电阻R4后连接至其源极，所述的MOS管M25的栅极接电源电压并经电容C2连接至MOS管M12的源极，MOS管M25的源极经电容C3接MOS管M12的栅极，所述的MOS管M25的源极为下降沿信号的输出点，所述的MOS管M12的源极为上升沿信号的输出点；
所述的快速掉电信号产生电路包括锁存器，所述的下降沿信号的输出点经电容C6接入锁存器的第一级反相器的栅极的Ns点，所述的上升沿信号的输出点经电容C5接入锁存器的第一级反相器的输出的s点，Ns点输出所述的快速掉电信号。
优选地，所述的快速掉电信号产生电路还包括MOS管M27和D触发器，所述的锁存器的输入端设置有由所述的D触发器控制的传输门，所述的MOS管M27的栅极与所述的锁存器的输出连接，所述的MOS管M27的漏极经电阻R6接电源电压并经反相器接入D触发器Rd端，所述的MOS管M27的源极接地，D触发器的输入端接Vdd和porb，输出实现对所述的传输门的控制。
优选地，所述的锁存器包括级联设置在第二级反相器上的MOS管M20和MOS管M21，所述的MOS管M20和MOS管M21受D触发器输出控制。
一种检测电源电压抖动的上电复位装置，其包括，
慢速掉电信号检测模块，包括随电源电压变化导通或截止以产生慢速掉电信号的开关单元，
所述的快速掉电信号检测电路，
以及复位信号输出模块，其包括受所述的开关单元或者快速掉电信号控制实现充放电的电阻电容单元，以及与所述的电阻电容单元连接实现复位信号输出的复位信号产生单元。
优选地，所述的开关单元包括场效应管和偏置电路。
优选地，所述的电阻电容单元包括所述的并联的电容C1和电阻R3，所述的复位信号产生单元包括MOS管M7和MOS管M9以及正反馈电路，所述的电容C1受开关单元或者快速掉电信号控制与Vdd连通以实现充电，
所述的MOS管M7的栅极和漏极接MOS管M6的漏极，所述MOS管M7的源极接MOS管M9的栅极，所述的MOS管M9的漏极经电阻R4接电源电压，所述的MOS管M9的源极接地，所述的正反馈电路包括与MOS管M9的漏极连接的两级反相器和一个施密特触发器和栅极与反相器输出连接的MOS管M11，所述的MOS管M11的漏极接MOS管M9的漏极，所述的MOS管M11的源极接MOS管M10的漏极，所述的MOS管M10的栅极接MOS管M6的漏极，MOS管M10的源极接地；所述的MOS管M11的栅极为复位信号Por输出。
优选地，所述的开关单元包括MOS管M5和MOS管M6，所述的MOS管M5和MOS管M6的源极分别与电源电压Vdd连通，MOS管M5的栅极接偏置电压并经电阻R5接电源电压，MOS管M5的漏极接MOS管M6的栅极并经电阻R1接地，MOS管M6的漏极接电容C1。
优选地，所述的快速掉电信号检测电路还包括漏极经电阻R6接Vdd的MOS管M30，所述的MOS管M30的源极接VSS，MOS管M30的栅极接Ns，栅极接Por且源极接电源电压Vdd的MOS管M31，MOS管M31的漏极接MOS管M32漏极，所述的MOS管M32的栅极经反相器接MOS管M30漏极，漏极接接电容C1。
本发明的有益效果：
本发明的快速掉电信号检测电路通过边沿产生并锁存器，实现尖峰检测，有效提高检测响应速度，能实现10ns级别的电源电压掉电检测并输出有效的快速掉电信号，该快速掉电信号可用于控制生成复位信号。
本发明提出的电源上电复位电路(por)实现了一种具有检测电源电压抖动的片上POR电路，可以实现电源电压的快速掉电和慢速掉电的检测，并在电源电压掉电后产生长时间的复位信号。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是上电复位电路的功能框图；
图2是Vdd慢速抖动的慢速掉电信号检测模块结构示意图；
图3是边沿信号产生电路；
图4是电源电压的快速掉电的信号检测模块结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明的一种快速掉电信号检测电路，感测电源电压抖动并产生尖峰信号的边沿产生电路，用以接收所述的尖峰信号并输出快速掉电信号的快速掉电信号产生电路，所述的边沿产生电路包括MOS管M25和MOS管M12，所述的MOS管M25的栅极和漏极连通并经电阻R5后连接至其源极，所述的MOS管M12的栅极和源极连通并经电阻R4后连接至其源极，所述的MOS管M25的栅极接电源电压并经电容C2连接至MOS管M12的源极，MOS管M25的源极经电容C3接MOS管M12的栅极，所述的MOS管M25的源极为下降沿信号的输出点，所述的MOS管M12的源极为上升沿信号的输出点。
所述的快速掉电信号产生电路包括由CMOS管构成的锁存器和MOS管M27，以及D触发器，所述的锁存器的输入端设置有由所述的D触发器控制的传输门，所述的下降沿信号的输出点经电容C6接入锁存器的第一级反相器的栅极的Ns点，Ns点构成快速掉电检测信号输出，所述的上升沿信号的输出点经电容C5接入锁存器的第一级反相器的输出的s点，所述的MOS管M27的栅极与所述的锁存器的输出连接，所述的MOS管M27的漏极经电阻R6接电源电压并经反相器接入D触发器Rd端，所述的MOS管M27的源极接地，D触发器的输入端接Vdd和porb，输出实现对所述的传输门的控制。此处利用了D触发器的两个功能，第一个功能是数据的传输，数据传输是有条件的，在porb的下降沿，信号由输入的Vdd传送到输出on。第二个功能是强制清零，当Rd为高电平时，D触发器的清零有效，on变成0。
同时，所述的锁存器包括级联设置在第二级反相器上的MOS管M20和MOS管M21，所述的MOS管M20和MOS管M21受D触发器输出控制。当清零有效，on为低，c为高时，MOS管M20和MOS管M21完全导通相当于导线。所以锁存器就是由剩下的四个MOS管构成，即利用D触发器可以实现对锁存器状态控制。
同时，还设置偏置电路，包括源极接Vdd的MOS管M13，MOS管M13的漏极接MOS管M14的漏极，MOS管M14的源极接MOS管M15的漏极，MOS管M15的源极接Vss，其中，MOS管M15的漏极提供Vdd2，MOS管M13的栅极经电容C4接Vdd，MOS管M14的栅极接Vdd，MOS管M15的栅极接Vbis，即实现Vdd2为对Vdd的分压后的电压。
其中，MOS管M12和MOS管M25可以作为两个二极管。电源电压处于稳定状态时，下降沿信号的输出点(Falling_edge)和上升沿信号的输出点(Raising_edge)为高电平，当电源电压向下抖动时，MOS管M25二极管正向导通，Falling_edge也会跟随Vdd产生很强的向下的沿。反之，当Vdd向上抖动时，Raising_edge可以产生很强的向上的沿。Falling_edge和Raising_edge接在C5和C6的上极板。目的是为了在Vdd快速抖动时，产生一个跟随Vdd抖动的尖峰信号，即Raising_edge和Falling_edge信号，这两个信号加在图四的C5和C6电容的正极板。
具体工作过程如下：电源电压从低电平逐渐上电至稳定状态时，会产生上电复位信号por，por经过反相器会产生porb信号，此信号接在dff(D触发器)的时钟控制端，此时dff工作，on变为高电平，c为低电平，MOS管M16和MOS管M26组成的传输门开始工作，Vdd被传送到Ns端，此时Ns为高电平，s为低电平。MOS管M27的栅极为高时，漏级为低，经过MOS管M23和MOS管M24构成的反相器，输出为高，输出接在了D触发器的清零(Rd)端，清零高电平有效，所以，dff清零有效，on为低，c为高，传输门截止，MOS管M20和MOS管M21完全导通，此时MOS管M17-MOS管M22组成锁存器，它们的源端接在了Vdd2上，Vdd2是Vdd经过MOS管M13、MOS管M14和MOS管M15的分压电压。Ns虽然是Vdd经过传输门传过来的信号是Vdd，但是当传输门截止，锁存器起作用时，Ns信号就是Vdd2.因为锁存器是由两级反相器组成的，反相器的最大电压就是Vdd2，这是电源电压，Ns作为内部信号不能超过电源电压，故Ns为Vdd2，电源电压稳定状态下，Ns为高电平Vdd2，s是反相器的输出，肯定和输入的Ns信号相反，所以s为0。
当电源电压向下快速抖动时，Falling_edge会跟随Vdd产生向下抖动的尖峰，Raising_edge会产生向上的抖动尖峰，由于C5和C6的两端电压不能发生突变，因此Ns作为电容的下级板会跟随电容的上级板电压的变化而变化，因此Ns信号会被由高电平拉到低电平，s信号会被由低电平拉到高电平。实现一个有效的快速掉电信号输出，相应时间短。
实施例二
本发明的一种检测电源电压抖动的上电复位装置，包括，
慢速掉电信号检测模块，包括随电源电压变化导通或截止以产生慢速掉电信号的开关单元，
上述快速掉电信号检测电路，以及复位信号输出模块，其包括受所述的开关单元或者快速掉电信号控制实现充放电的电阻电容单元，以及与所述的电阻电容单元连接实现复位信号输出的复位信号产生单元。
进一步地，对于慢速掉电信号检测模块，所述的开关单元包括场效应管和偏置电路，具体地，所述的开关单元包括MOS管M5和MOS管M6，所述的MOS管M5和MOS管M6的源极分别与电源电压连通，MOS管M5的栅极接偏置电压并串联电阻R5后接电源电压，MOS管M5的漏极接MOS管M6的栅极并经电阻R1接地，MOS管M6的漏极经并联的电容C1和电阻R3接地，所述的电容C1和电阻R3构成所述的电阻电容单元。
其中，所述的偏置电路包括MOS管M1，MOS管M3，MOS管M4和电阻R2及电阻R5，MOS管M1的源极接电源电压，栅极和漏极接MOS管M3漏极，MOS管M3源极经电阻R2接地，MOS管M3的栅极经电阻R5接电源电压，并与MOS管M4的漏极连接同时为MOS管M5的栅极提供偏置电压，MOS管M4的栅极与MOS管M3的源极连接，MOS管M4的源极接地，该偏置电压电路采用了负反馈结构，可以实现高电源抑制比的偏置电流和偏置电压。上述偏置电路的实现还有其他方式，其余不一一赘述。
所述的复位信号输出单元包括所述的并联的电容C1和电阻R3，所述的复位信号产生单元包括MOS管M7和MOS管M9以及正反馈电路，所述的MOS管M7的栅极和漏极接MOS管M6的漏极，所述MOS管M7的源极接MOS管M9的栅极，所述的MOS管M9的漏极经电阻R4接电源电压，所述的MOS管M9的源极接地，所述的正反馈电路包括与MOS管M9的漏极连接的两级反相器和一个施密特触发器和栅极与反相器输出连接的MOS管M11，所述的MOS管M11的漏极接MOS管M9的漏极，所述的MOS管M11的源极接MOS管M10的漏极，所述的MOS管M10的栅极接MOS管M6的漏极，MOS管M10的源极接地；所述的MOS管M11的栅极为复位信号Por，即可作为复位电路信号。
具体来说，当电源电压处于稳定状态时，MOS管M5工作在线性区，并与电阻R1串联分压，由于R1很大所以MOS管M6的栅极电压很高，MOS管M6断开，电阻R3电容C1放电，经过MOS管M7的源极跟随，MOS管M9的栅极也降低，MOS管M9的源极电位升高，经过施密特触发器和两级缓冲器，复位信号por输出为低。当Vdd向下抖动，导致MOS管M5管关断，此时MOS管M6的栅极电压被拉低，MOS管M6导通，电源电压对RC充电，图2中标注的Vrc点电压升高，经过MOS管M7的源级跟随，使得MOS管M9的栅极电位升高，MOS管M9的漏极输出为低，此时por为高电平。por经过第一级的施密特触发器和两级反相器增强了信号上升的速度和传递的时间。por最后经过MOS管M11的反向，形成正反馈的过程，使得por变为高电平的速度加快。当电源电压恢复稳定时，重复第一个过程，por为低电平。图中porb是por的取反信号。
为对快速掉电信号进行处理，所述的复位信号输出单元还包括漏极经电阻R6接Vdd的MOS管M30，所述的MOS管M30的源极接VSS，MOS管M30的栅极接Ns，栅极接Por且源极接Vdd的MOS管M31，MOS管M31的漏极接MOS管M32漏极，所述的MOS管M32的栅极经反相器接MOS管M30漏极，漏极接MOS管M6漏极。所述的反相器有MOS管M27和MOS管M28构成，这样，仅有快速检测信号发生，可直接输出Por并实现长时间输出，当慢速信号也有产生时，则可将快速信号屏蔽，实现Por信号稳定输出。
具体地，在电源电压稳定期间，或者电源电压抖动还未产生有效por信号之前，por信号是低电平，MOS管M31的栅极连接por信号，所以MOS管M31是导通。Ns信号接在了Vdd慢速掉电的检测电路中MOS管M30的栅极，当出现快速掉电时，Ns信号会被由高电平拉到低电平，此时MOS管M30的漏级和栅极反向为高，经过MOS管M27和MOS管M28组成的反相器输出为低，该信号接在了MOS管M32的栅极，MOS管M32导通，所以Vdd通过MOS管M31和MOS管M32支路给电容充电，使得Vrc电位升高，最终por信号由高电平降为低电平，产生了有效的por复位信号。通过尖峰检测，有效提高检测响应速度，能实现10ns级别的掉电检测，而且通过电容C1及后续正反馈，有效提高了复位信号的输出时长。
为实现上述全时间范围，电路主要包括两个部分，慢速掉电信号产生电路和快速掉电信号的产生电路。快慢必须兼容，且涵盖掉整个速度区间。这个电路的工作区间可以这样划分：电源电压快速掉电10ns都可以被快速掉电检测电路检测到，从而产生快速掉电信号。但是如果掉电速度达到100us或者1ms以上，快速掉电检测电路可能就不工作了。此时，慢速掉电检测电路检测到，且产生慢速掉电信号。经过对快速掉电信号和慢速掉电信号的控制即可输出长时间的复位信号por。该电路可用于需要较长复位时间(数百毫秒)的各种应用，如大规模的片上系统。此外，该电路还可以处理电源电压上升时间或断电过渡时间(从ns到超过1秒)，同时仍能提供长复位信号和稳定的断电检测水平。
最后应说明的是：以上所述实施方式，仅为本公开的具体实施方式，用以说明本公开的技术方案，而非对其限制，本公开的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施方式对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开实施方式技术方案的精神和范围，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种快速掉电信号检测电路，其特征在于，包括感测电源电压抖动并产生尖峰信号的边沿产生电路，接收所述的尖峰信号并生成快速掉电信号的快速掉电信号产生电路，
所述的边沿产生电路包括MOS管M25和MOS管M12，所述的MOS管M25的栅极和漏极连通并经电阻R5后连接至其源极，所述的MOS管M12的栅极和漏极连通并经电阻R4后连接至其源极，所述的MOS管M25的栅极接电源电压并经电容C2连接至MOS管M12的源极，MOS管M25的源极经电容C3接MOS管M12的栅极，所述的MOS管M25的源极为下降沿信号的输出点，所述的MOS管M12的源极为上升沿信号的输出点；
所述的快速掉电信号产生电路包括锁存器，所述的下降沿信号的输出点经电容C6接入锁存器的第一级反相器的栅极的Ns点，所述的上升沿信号的输出点经电容C5接入锁存器的第一级反相器的输出的s点，Ns点输出所述的快速掉电信号，所述的快速掉电信号产生电路还包括MOS管M27和D触发器，所述的锁存器的输入端设置由所述的D触发器控制的传输门，所述的MOS管M27的栅极与所述的锁存器的输出连接，所述的MOS管M27的漏极经电阻R6接电源电压并经反相器接入D触发器Rd端，所述的MOS管M27的源极接地，D触发器的输入端接Vdd和porb，通过输出信号的状态实现对所述的传输门的控制，所述的锁存器包括级联设置在第二级反相器上的MOS管M20和MOS管M21，所述的MOS管M20和MOS管M21受D触发器输出控制；
所述的快速掉电信号产生电路还包括设置偏置电路，包括源极接Vdd的MOS管M13，MOS管M13的漏极接MOS管M14的漏极，MOS管M14的源极接MOS管M15的漏极，MOS管M15的源极接Vss，其中，MOS管M15的漏极提供Vdd2，MOS管M13的栅极经电容C4接Vdd，MOS管M14的栅极接Vdd，MOS管M15的栅极接Vbis。
2.一种检测电源电压抖动的上电复位装置，其特征在于，包括，
慢速掉电信号检测模块，包括随电源电压变化导通或截止以产生慢速掉电信号的开关单元，
如权利要求1所述的快速掉电信号检测电路，
以及复位信号输出模块，其包括受所述的开关单元或者快速掉电信号控制实现充放电的电阻电容单元，以及与所述的电阻电容单元连接实现复位信号输出的复位信号产生单元。
3.如权利要求2所述的上电复位装置，其特征在于，所述的开关单元包括场效应管和偏置电路。
4.如权利要求2所述的上电复位装置，其特征在于，所述的电阻电容单元包括并联的电容C1和电阻R3，所述的复位信号产生单元包括MOS管M7和MOS管M9以及正反馈电路，所述的电容C1受开关单元或者快速掉电信号控制与Vdd连通以实现充电，
所述的MOS管M7的栅极和漏极接MOS管M6的漏极，所述MOS管M7的源极接MOS管M9的栅极，所述的MOS管M9的漏极经电阻R4接电源电压，所述的MOS管M9的源极接地，所述的正反馈电路包括与MOS管M9的漏极连接的两级反相器和一个施密特触发器和栅极与反相器输出连接的MOS管M11，所述的MOS管M11的漏极接MOS管M9的漏极，所述的MOS管M11的源极接MOS管M10的漏极，所述的MOS管M10的栅极接MOS管M6的漏极，MOS管M10的源极接地；所述的MOS管M11的栅极为输出的复位信号Por。
5.如权利要求3所述的上电复位装置，其特征在于，所述的开关单元包括MOS管M5和MOS管M6，所述的MOS管M5和MOS管M6的源极分别与电源电压Vdd连通，MOS管M5的栅极接偏置电压并经电阻R5接电源电压，MOS管M5的漏极接MOS管M6的栅极并经电阻R1接地，MOS管M6的漏极接电容C1。
6.如权利要求4所述的上电复位装置，其特征在于，所述的快速掉电信号检测电路还包括漏极经电阻R6接Vdd的MOS管M30，所述的MOS管M30的源极接VSS，MOS管M30的栅极接Ns，栅极接Por且源极接电源电压Vdd的MOS管M31，MOS管M31的漏极接MOS管M32漏极，所述的MOS管M32的栅极经反相器接MOS管M30漏极，漏极接电容C1。
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