欠电压闭锁的一种解释

了解欠压锁定（UVLO）如何保护半导体器件和电子系统免受潜在危险操作的影响。

当提到电源或电压驱动要求时，我们经常使用简化，如“这是一个3.3 V的微控制器”或“这个FET的阈值电压为4 V”。这些描述没有考虑到电子设备在一定电压范围内工作——3.3 V的微型控制器可以在3.0 V至3.6 V之间的任何电源电压下正常工作，而具有4 V阈值电压的MOSFET可能在3.5 V至5 V之间获得足够的导电性。

但即使是这些基于范围的规范也可能具有误导性。当VDD轨降至2.95V时，接受3.0至3.6 V电源电压的数字IC不会完全停止工作。如图1所示，现实情况更为复杂。

提供给IC的电源电压对应于四种操作状态中的一种。

图1。提供给IC的电源电压对应于四种操作状态中的一种。图片由Robert Keim提供

如上所述，IC有四种不同的操作状态：

全面性能：设备功能符合规范。

功能：设备具有功能，但可能不符合所有数据表规范。

未定义：设备的行为不可预测。

非活动：设备完全关闭。

如果VDD低于其指定范围的下限，则设备退出“全性能”状态，现在处于欠压状态。然而，VDD可能不足以使设备处于非活动状态，在这种情况下，IC将继续在“功能”或“未定义”状态下运行。这种操作条件也被称为断电。

由于其不可预测性，未定义状态尤其令人担忧。

欠电压的影响

如果电路晶体管的工作电压低于其设计的电压范围，则可能会出现严重问题。尽管有时IC失控只是不方便，但现代生活充满了我们的工作、健康甚至生活依赖半导体设备的情况。

在电源电压不足的情况下，CMOS逻辑电路可能无法在完全接通和完全断开状态之间可靠地转换。在高功率FET中，驱动电压不足会导致通道电阻过大，导致元件过热。低驱动电压也可以防止双极结晶体管被适当地偏置。

在微处理器或存储器中，欠压可能导致位错误，从而损坏数据或导致数据传输出现故障。这种类型的故障不太可能对IC造成直接损坏，但处理器产生的故障控制信号可能会引发各种非常不可取甚至危险的系统行为。为了确保电子设备安全可靠地运行，集成电路必须具备防欠压功能。

这在电池供电的系统中尤为重要，原因有两个：

随着电池放电，电池的电压逐渐降低，因此电池供电系统偶尔会遇到电源电压不足的情况，这是一个非常安全的赌注。

欠电压保护有助于防止因过度放电而损坏蓄电池。

IC的欠压保护通常采用欠压锁定（UVLO）电路的形式。让我们来看看这是如何工作的。

欠电压锁定电路

UVLO电路的目的是检测电源电压不足，然后“锁定”通电设备，确保设备保持受控状态，直到解决欠压情况。图2显示了一个基本的UVLO电路。

UVLO电路的基本示例。

图2:UVLO电路示例。图像由Analog Devices提供

在该电路中，使用电阻分压器测量电源电压，并将其与固定阈值电压（VT）进行比较。如果分压的电源电压下降到阈值以下，比较器的输出转换并通过断开开关来停用下游电路。在实践中，“打开开关”通常意味着将MOSFET驱动到非导通状态。

由于该电路旨在检测会导致系统其他部分发生故障的电源电压，设计者必须确保阈值电压发生器和比较器能够在这些低电源电压下正常工作。通常，欠压锁定电路中的比较器将包括滞后，以防止系统电源在电源电压接近阈值时快速接通和断开。

包含欠电压锁定

尽管上述电路可以使用分立组件来实现，但IC在芯片上包括UVLO功能是非常常见的。让我们看一些例子，从Texas Instruments的TLV741P线性调节器开始。

图3显示了TLV741P的功能框图。在欠压锁定期间，输出通过示意图右侧的120Ω下拉电阻器接地。

TI线性调节器的功能框图，包括UVLO功能。

图3。TLV741P线性调节器的功能框图。图片由Texas Instruments提供

图4显示了UVLO是如何被纳入同样来自Texas Instruments的TPS54331降压转换器中的。该电路允许用户通过外部电阻器调节UVLO阈值电压。

使用电流源来调整阈值的UVLO电路。

图4。使用电流源来调整阈值的UVLO电路。图片由Texas Instruments提供

尽管Silicon Labs的C8051F310微控制器在其数据表中没有使用“欠压锁定”一词，但其通电复位电路和VDD监视器提供了等效的功能。当电源电压太低而无法可靠操作时，它们将设备保持在非激活状态。

C8051F310通电复位和电源电压监视器复位的时序图。

图5。C8051F310通电复位和VDD监视器复位的时序图。图片由Silicon Labs提供

最后，图6显示了来自Onsemi的NCP302监控IC。这些可用于几种不同的UVLO阈值，范围从0.9 V到4.7 V。

NCP302系列监控IC的简化电路图。

图6。NCP302系列监控IC的简化电路图。图片由Onsemi提供

如果您：

对于没有UVLO功能的部件，需要欠压保护。

想要为整个电路板实现一个欠压阈值。

虽然你也可以使用由分立元件制成的定制电路，但我认为集成电路解决方案是一个更好的选择。