监控电路问题研究

林亚立[1],赵甲,阙旻,刘鑫旭,曾雪

成都华微电子科技有限公司

摘要：监控电路是微处理器中的重要部件，设计低功耗监控电路对芯片设计具有重要意义，本文提出一种低功耗监控电路的设计方案，并通过仿真模拟结果则验证了电路设计的正确性，具备可行性。

关键词：监控电路；仿真；验证

1. 引言

监控电路广泛应用于微处理器系统当中，是不可取代的核心部件。其主要功能是用于保证微处理器的正常工作，监控电源的上电或者掉电。近年来电子产品的体积越来越小，对于功耗的要求也就逐渐升高，从以前的mA逐步降低到uA、nA，这就使得设计电路的难度大大提高，同时国内在低功耗监控电路方面产品并不多，大部分低功耗产品源自国外。

本论文中设计的低功耗监控电路，整体功耗正常工作条件下只有4~5uA，处于国内领先水平，上电复位延时150ms，电源电压工作范围1.0~5.5V，可用于低压微处理器系统。

2. 低功耗上电复位监控电路的电路组成和工作原理

低功耗电源监控电路中，一般VCC,GND分别为电源电压、电源地，为复位输出端。R1、R2为分压电阻；COMP为比较器；VREF为基准电压；复位发生器为数字逻辑部分；PMOS和NMOS为输出管；

系统各组成部分和要求如下所示：

1）电阻分压网络，要求精度高，稳定输出、温度漂移小。

2）基准电压源，要求精度高、功耗低、温度漂移小、输出电压稳定。

3）比较器，要求响应快、增益高、功耗低、迟滞范围小。

4）复位发生器，要求延时150ms。

5）CMOS输出管，控制复位输出的高低电平。

初始状态时，VCC开始上电，此时复位输出为低电平，当VCC上升到反转点时，电阻分压产生的电压大于基准电压，比较器发生翻转，导致复位输出发生翻转，由于复位发生器中存在150ms延时，会导致复位输出翻转为高电平的时间点比比较器翻转时间点延迟150ms，这样可确保电路稳定工作后再使复位输出无效，让微处理器系统正常运行。

3. 低功耗上电复位监控电路的设计考虑
   1. 低功耗技术

在该芯片中，内部重要模块其偏置电流主要来自带隙基准模块，控制带隙基准模块电流大小，就控制了整体电路功耗大小。设整体功耗为IO,带隙基准模块电流为Ibg，其他模块电流可表示为a×Ibg，所以则有：

IO=Ibg+（a×Ibg）

3.2稳定的带隙电压（三极管匹配，电阻匹配，）

产生一个稳定不受温度影响的带隙电压的基本原理就是利用温度对三极管、电阻的影响。假设晶体管基级-发射极的电压差为VBE，当温度升高时，VBE会减小，所以该电压时负温度系数，而在带隙电路里，会有两个同类型的晶体管，且比值不等于1，假设他们的VBE的差值为△VBE，而该电压差是随着温度的升高而增大的，所以是正温度系数。在设计基准电路时，让这两种电压的温度系数相互补偿，则可以产生一个不受温度影响的带隙电压。电阻可选用受温度影响小的电阻或者零温电阻。

3.3上电复位电路

上电复位电路最主要的功能有两个，一是要确保在上电时，系统将处于初始状态开始运行，二是要保证电源稳定前，不让微处理器系统正常运行。这就需要使系统上电过程中处于复位状态，在经过固定延时后复位输出无效，让微处理器系统正常运行。

4. 低功耗上电复位监控电路主要模块的设计
   1. 低功耗基准电压源的设计

基准电压源在微处理器监控电路中决定了复位阈值电压的精度，因此设计了一种电压特性及温度特性良好的带隙基准作为阈值电压基准。利用热电压VT的正温度特性和VBE的负温度特性来实现零温度系数带隙基准。

图1 低功耗基准电路

图1为带隙基准电路结构，主要由带隙基准核心电路、反馈电路和启动电路构成。如图1左侧部分所示，基准电压在两个晶体管的基极产生，Q4的发射结面积是Q3的n倍，R6和R7设计为两个相同的大电阻用来保证Q3和Q4的集电极电压基本相同，则基准电压可由下式得出：

式中，R9和R10的温度特性相同，通过调节电阻比和晶体管面积比可得到零温漂的基准电压。由于需要设计低功耗监控电路，则需要调节R9阻值将每支路电流应该控制在纳安级。

图1中间部分为反馈电路，R11和R12阻值相同，Q7和Q8发射结面积相同，通过Q5和Q6的基极差分输入，在Q8的集电极输出对基准电压进行反馈调整来稳定基准电压。

图1右侧部分为启动电路，首先电源电压经过R5，MP1导通、MN1关断，又经过R8连接带隙基准电压点，启动基准核心电路和反馈电路，待电路达到工作平衡点，MN1的栅压上升至MN1导通后，MP1栅压由高变低而关闭，从而启动电路关闭以达到降低功耗的目的。此外，各MOS管的宽长比保证启动过程顺利进行的同时，还需注意瞬时电流应小于工作电流的一半，进一步降低功耗。

在Cadence Spectre 对电路进行仿真，仿真结果得到常温下，输出基准电压约为1.23V，在-55℃到125℃，电压变化范围是4.3mV，温漂系数为19.4ppm/℃，功耗稳定在1.75uA，满足低功耗的设计要求。

4.2电阻分压网络的设计

电阻分压网络用来将电源电压进行分压处理，得到设计的复位阈值点。在本设计的电阻分压网络中有三个分压输出，其中VDD_H和VDD_L提供给振荡器模块，用于产生振荡，VDD_REF提供给比较器模块，用于和基准电压进行比较。需要注意的是，整体阻值应保持在5.5MΩ附近，维持电阻分压网络模块的电流在1uA，尽可能降低功耗。

由于电阻随温度变化，以及工艺上的误差等因素，最终采样的阈值点可能会和理想阈值点有所偏差，因此给电阻添加了修调电路，，可在芯片制作出来后改变分压比例，从而改变复位的阈值。修调电阻初始状态都通过熔丝短接接入电路中，熔断熔丝可在理想阈值点上下200mV内修正，设计为5位二进制进行调节，分别是12.5mV，25mV，50mV，100mV，200mV。

4.3比较器的设计

比较器作为微处理器监控电路的核心模块，用于比较电源电压和阈值电压的高低。为了提高比较器的精度，采用了经典的二级比较器。im输入端连接基准模块的1.23V基准电压，ip输入端连接电阻分压模块的VDD_REF信号，VB输入端连接基准模块的偏置电压，OP输出端连接到STAR模块来控制复位信号的产生，EN输出端连接到STAR模块作为使能信号。理想阈值电压为4.12V，如果电源电压大于阈值电压，则比较器输出为高，如果电源电压小于阈值电压，则比较器输出为低。由于芯片在正常工作条件下工作电流的典型值限制在4~5uA，比较器的总电流应不超过1uA，所以设计在800nA左右。设计中考虑到了阈值电压失配直接折合到输入的失调的部分，适当增大了差分输入对管的尺寸，减小了比较器输入失调电压，满足失调要求。

4.4复位逻辑的设计

复位逻辑模块是微处理器电源监控实现方式电路，该电路通过数字逻辑控制振荡器的工作状态和复位信号的产生，保证电源电压低于阈值电压时，系统复位，电源电压超过阈值电压时，保持复位时间维持150ms后系统恢复正常。

4.5输出管的设计

为了提高输出驱动能力和高速响应能力，采用了推挽式输出结构。推挽式输出结构是由两个MOS管受到互补控制的信号控制。这种结构与比较器的输出级相似，两个管子在同一个时间点时一个导通，一个截止。推挽式输出最大的特点就是可以真正的输出高电平和低电平，在两种电平下都具有驱动能力，无论是从低到高还是从高到低都提供高速的响应，而且具有上拉电流和下拉电流的能力。

5. 低功耗微处理器监控电路的模拟仿真以及分析

根据整体电路指标以及各模块的具体要求，对电路进行了完整的仿真分析。该电路采用0.35BiCMOS工艺，借用Spectre工具对电路进行了仿真和分析。如下表所示，是三温条件下的主要参数数据。

表1 参数数据

参数类型	极限值		单位
	最小	最大
工作电流	—	16
复位阈值电压	4.0	4.24	V
复位输出源电流	1.00	1.80	mA
复位输出漏电流	12	23	mA
复位延迟时间	—	10
	100	200	ms

根据表中参数可看出，该电路仿真结果满足参数指标要求，说明电路设计的合理性以及正确性。下面给出电路的几种仿真参数，可看出电路的正确性以及参数指标达标。

5.1阈值反转点

如下图所示，当电源电压不断上升时，比较器输出信号在4.105V时发生翻转，即是阈值反转点。在三温条件下，复位阈值点电压在4.0V~4.24V以内，满足参数指标。

图2 阈值反转点

5.2带隙电压随温度的变化

如下图所示，是带隙电压在全工艺角全温下的波形图，在-55℃~125℃之间其最大温漂为58 ppm/℃，这反应了电路的温度特性较好。

图3 温度变化

5.3三温下的总功耗

如下图所示，是三温下的整体功耗，可看出整体功耗在4~6uA之间，满足参数指标要求，当温度为125℃时，功耗最高，常温下功耗最小。

图3 功耗变化

6. 总结

微处理器监控电源电路整体结构简单，内部模块较少，电路原理工作原理不复杂，但是想要设计一款低功耗微处理器监控电路还是存在一定的难度。当功耗越来越小时，外接环境更容易对电路产生影响，因此需要考虑到外部环境因素对电路可能造成的影响，并且尽量减少或者避免。本文首先从整体上对低功耗监控电路进行了介绍，然后又分别详细介绍了其中的主要模块结构以及功能，在其中明确指出了各个参数的标准，以及设计中的关键思路。最后的仿真模拟结果则验证了电路设计的正确性，具备可行性。在今后的设计过程中，可对其进行优化，更低的静态功耗、更准确的延迟时间、更稳定的带隙电压都可以进一步的提高微处理器监控电路的质量。

参考文献：

[1]黄由立. 基于处理器芯片结温的网络设备温度监控调整及过温保护设计[J]. 科教导刊：电子版, 2020,1(16):3-8.

[2]万云, 蒋阳. 基于LoRa技术的温室群远程监控系统的设计[J]. 计算机工程与设计, 2021, 42(2):7-10.

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[1]林亚立 （1989—），男，汉族，籍贯：四川成都，学历：本科，职称：项目工程师，单位：成都华微电子科技有限公司，研究方向：刑电源管理。