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TWI851659B - 電壓偵測器 - Google Patents

電壓偵測器 Download PDF

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TWI851659B
TWI851659B TW109104248A TW109104248A TWI851659B TW I851659 B TWI851659 B TW I851659B TW 109104248 A TW109104248 A TW 109104248A TW 109104248 A TW109104248 A TW 109104248A TW I851659 B TWI851659 B TW I851659B
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丁建裕
林佑達
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大陸商杭州中天微系統有限公司
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Abstract

本發明揭露一種電壓偵測器，用以比較輸入電壓與參考電壓以產生一輸出電壓於輸出端，該電壓偵測器包括：第一電晶體，用以將該輸入電壓與該參考電壓間的電壓差轉換為第一電流；以及與該第一電晶體串聯之第二電晶體，該第二電晶體具有相互耦接的閘極與源極，以輸出一固定之第二電流，當該第一電流的電流值大於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第一位準電壓，且當該第一電流的電流值小於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第二位準電壓。本發明提供的電壓偵測器具備低功耗特性，能夠實現降低功耗的系統。

Description

電壓偵測器
本揭示係關於電壓偵測器，尤其是關於一種操作於次臨限區的電壓偵測器。
近年來，物聯網(Internet of Thing，IoT)及物聯網裝置的發展相當快速，在物聯網應用中最為重要的考量之一為低功耗，以達成更長的電池壽命。對於一些基本區塊(如能階參考(bandgap reference)、低電壓誤動作防止(under voltage lock out,UVLO)電路)而言，應該一直保持在清醒狀態以維持最基本的功能，實際上，保持設備處於啟動和偵測狀態所需的能量可能遠超出正常工作的能量。在這些情況下，降低甚至消除偵測功耗顯得特別重要，如此才能延長電池壽命，實現降低功耗的系統。
以UVLO為例，現有的解決方案包括以下兩種：(1)以比較器為基礎(comparator-based)的UVLO以及(2)以延遲為基(delay-based)的UVLO。然而，上述二種UVLO分別 具有以下缺點：(1)對於comparator-based的UVLO而言，雖然可精確地判斷UVLO臨限電壓，然而，其將會消耗更多電流才能達成目的；(2)對於delay-based的UVLO而言，雖然消耗零靜態電流，然而，其無法保證UVLO臨限電壓的絕對值。因此，習知技術實有改進之必要。
有鑑於此，如何提供一種適於操作於次臨限區且具備低功耗特性的電壓偵測器，實為有待解決的問題。
本發明揭露一種電壓偵測器，用以比較輸入電壓與參考電壓以產生一輸出電壓於輸出端，該電壓偵測器包括：第一電晶體，用以將該輸入電壓與該參考電壓間的電壓差轉換為第一電流；及與該第一電晶體串聯之第二電晶體，該第二電晶體具有相互耦接的閘極與源極，以輸出一固定之第二電流，當該第一電流的電流值大於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第一位準電壓，且當該第一電流的電流值小於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第二位準電壓。
在本發明的一個實施例中，該第一電晶體具有接收該參考電壓之閘極、接收該輸入電壓之源極、及耦接至該輸出端之汲極；及其中，該第二電晶體具有閘極、耦接至該輸出端之源極、及耦接至接地端子之汲極。在本發明的一個實施例中，該第一位準電壓為該輸入電壓，且該第二位準電壓為接地電壓。
在本發明的一個實施例中，該第一電晶體與該第二電晶體為P型金屬氧化物半導體場效電晶體(PMOSFET)。
在本發明的一個實施例中，該第一電晶體具有接收該參考電壓之閘極、接收該輸入電壓之源極、及耦接至該輸出端之汲極；及其中，該第二電晶體具有閘極、耦接至接地端子之源極、及耦接至該輸出端之汲極。
在本發明的一個實施例中，該第一位準電壓為該輸入電壓，且該第二位準電壓為接地電壓。
在本發明的一個實施例中，該第一電晶體為P型金屬氧化物半導體場效電晶體，且該第二電晶體為N型金屬氧化物半導體場效電晶體(NMOSFET)。
在本發明的一個實施例中，該第一電晶體具有接收該輸入電壓之閘極、耦接至該輸出端之汲極、及接收該參考電壓之源極，其中，該第二電晶體具有閘極、耦接至該輸出端之源極、及耦接至電源電壓之汲極。
在本發明的一個實施例中，該第一位準電壓為該參考電壓，且該第二位準電壓為該電源電壓。
在本發明的一個實施例中，該第一電晶體與該第二電晶體為N型金屬氧化物半導體場效電晶體。
在本發明的一個實施例中，該第一電晶體具有接收該輸入電壓之閘極、耦接至該輸出端之汲極、及接收該參考電壓之源極，其中，該第二電晶體具有閘極、耦接至該電源電壓之源極、及耦接至該輸出端之汲極。
在本發明的一個實施例中，該第一位準電壓為該參考 電壓，且該第二位準電壓為該電源電壓。
在本發明的一個實施例中，該第一電晶體為N型金屬氧化物半導體場效電晶體，該第二電晶體為P型金屬氧化物半導體場效電晶體。
本發明的電壓偵測器利用以比較器為基礎之架構，透過使用操作於次臨限區而作為微小理想電流源之閘極與源極耦接的MOS電晶體，使整個比較器具有極低的靜態電流，進而達成大幅降低功耗的目的。
S101:步驟
S102:步驟
S103:步驟
200:電壓偵測器
201:電晶體
203:電晶體
205:電晶體
207:電晶體
210:電壓偵測器
300:電壓偵測器
301:電晶體
303:電晶體
305:電晶體
307:電晶體
310:電壓偵測器
400:物聯網元件
401:穩壓器電路
403:電壓偵測器
405:內部主電路
500:物聯網元件
501:電池
503:電壓偵測器
505:內部主電路
VIN:輸入電壓
VREF:參考電壓
VDD:電源電壓
VOUT:輸出電壓
在圖式中：[圖1]為本發明一個實施方式提供的電壓偵測方法的流程圖；[圖2A]與[圖2B]為本發明一個實施方式提供的電壓偵測器的電路圖；[圖3A]與[圖3B]為本發明一個實施方式提供的電壓偵測器的電路圖；[圖4]為應用本發明之一實施例的電壓偵測器的物聯網元件方塊圖；[圖5]為應用本發明之另一實施例的電壓偵測器的物聯網元件方塊圖。
以下參照圖式對實施方式進行詳細的說明。注意，本 發明不侷限於以下說明，所屬技術領域的具有通常知識者人員可以很容易地理解一個事實就是其方式及詳細內容在不脫離本發明的精神及其範圍的情況下可以被變換成各種各樣的形式。因此，本發明不應被解釋為僅侷限於以下所示的實施方式所記載的內容中。
在本說明書等中使用的“第一”、“第二”等序數詞是為了避免組件的混淆而附記的，而不是為了在數目方面上進行限定的。
電晶體是半導體元件的一種，可以進行電流或電壓的放大、控制導通或非導通的切換工作等。本說明書中的電晶體包括金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。
首先，請參閱圖1，圖1示出本發明的一個實施方式的電壓偵測方法的流程圖，包括如下步驟：
步驟S101：將輸入電壓與參考電壓間的電壓差轉換為電流信號A。
步驟S102：將電流信號A與另一固定電流信號B作比較。
其中，電流信號A係根據一電晶體所接收之輸入電壓與參考電壓間的電壓差所產生，電流信號B係藉由一閘極與源極相互耦接的另一電晶體所產生，而電流信號A與電流信號B間的比較可透過例如一安培計來執行。
步驟S103：判斷A是否大於B。
若A大於B，則輸出電壓信號VOUT等於1(表示輸入電壓大於參考電壓)，若A小於B，則輸出電壓信號VOUT等 於0(表示輸入電壓小於參考電壓)。
藉此，本發明透過上述電壓偵測方法，能將輸入電壓與參考電壓相比較，以判定輸入電壓與參考電壓何者具有較高的電位。
實施方式1
在本實施方式中，參照圖式對本發明的一個實施方式的電壓偵測器進行說明。
圖2A和圖2B示出本發明的一個實施方式的電壓偵測器的結構實例。請參見圖2A，電壓偵測器200包括電晶體201以及電晶體203，用以比較輸入電壓VIN與參考電壓VREF，而產生一相應於比較結果的輸出電壓VOUT於輸出端，輸入電壓VIN例如可以是電池電壓。
電晶體201具有一接收參考電壓VREF的閘極、接收輸入電壓VIN的源極、及耦接至輸出端的汲極，電晶體201用以將輸入電壓VIN與參考電壓VREF間的電壓差轉換為電流IA。
電晶體203係與電晶體201串聯，其具有閘極、耦接至輸出端之源極、及耦接至接地端子之汲極，值得注意的是，電晶體203之閘極與源極為相互耦接，致使電晶體203操作於次臨限區(sub-threshold region)，進而輸出一固定之電流IB而可作為定電流源。
當電流IA的電流值大於電流IB的電流值時，輸出端輸出為輸入電壓(高位準電壓)，當電流IA的電流值小於電流 IB的電流值時，輸出端輸出接地電壓(低位準電壓)。
亦即，當輸出電壓VOUT為高位準時，表示輸入電壓VIN大於參考電壓VREF，反之，當輸出電壓VOUT為低位準時，表示輸入電壓VIN小於參考電壓VREF，藉此，可透過相應於輸入電壓VIN與參考電壓VREF比較結果的輸出電壓，判斷出輸入電壓VIN與參考電壓VREF之間的高低關係。
於圖2A之比較器架構中，電晶體201與電晶體203皆為P型金屬氧化物半導體場效電晶體(PMOSFET)，值得注意的是，可將閘極與源極相互耦接的電晶體203視為一電流源，所產生的電流IB極為微小，例如，係界於100pA至10nA的範圍內，由於整個比較器的靜態電流係由此電流源(約在100pA至10nA區間)所決定，藉此，可達成消耗電力降低的效果。
此外，圖2B所示的電壓偵測器210架構與圖2A所示的電壓偵測器200類似，電壓偵測器210包括電晶體205以及電晶體207，圖2B與圖2A之差異在於圖2B中的電晶體207係使用N型金屬氧化物半導體場效電晶體(NMOSFET)，其餘概念與原理皆與圖2A類似，故在此不再贅述。
實施方式2
在本實施方式中，參照圖式圖3A和圖3B對本發明的另一個實施方式的電壓偵測器進行說明。
圖3A和圖3B示出本發明的另一個實施方式的電壓偵 測器的結構實例。請參見圖3A，電壓偵測器300包括電晶體301以及電晶體303，用以比較輸入電壓VIN與參考電壓VREF以產生一相應於比較結果的輸出電壓VOUT於輸出端。
電晶體301具有閘極、接收電源電壓VDD的汲極、及耦接至輸出端的源極，值得注意的是，電晶體301之閘極與源極係為相互耦接，此使得電晶體301操作於次臨限區而可作為定電流源，輸出固定之電流IC。
電晶體303與電晶體301串聯，其具有接收輸入電壓VIN的閘極、耦接至輸出端之汲極、及接收參考電壓VREF的源極，電晶體303用以將輸入電壓VIN與參考電壓VREF之間的電壓差轉換為電流ID。
當電流IC的電流值大於電流ID的電流值時，則使得輸出電壓VOUT等於電源電壓VDD，當電流IC的電流值小於電流ID的電流值時，輸出電壓VOUT等於參考電壓VREF。
於圖3A中，電晶體301與電晶體303皆為NMOS電晶體，閘極與源極相互耦接的電晶體301所輸出之電流IC非常微小(例如，界於100pA至10nA的範圍內)，由於整個比較器的靜態電流係由約在100pA至10nA區間的電流源所決定，藉此，可達成功耗降低之目的。
此外，圖3B所示的電壓偵測器310結構與圖3A所示的電壓偵測器300類似，電壓偵測器310包括電晶體305以及電晶體307，與圖3A不同之處在於電晶體305是使用PMOS電晶體，其餘操作原理與圖3A類似，故在此不再贅述。
圖4為應用本發明之一實施例的電壓偵測器的物聯網元件方塊圖。請參見圖4，物聯網元件400中包括穩壓器401、電壓偵測器403及內部主電路405。穩壓器電路401接收電源(或電池)之電壓並輸出一電壓至電壓偵測器403，該輸出電壓係由低而逐漸升高，當電壓偵測器403偵測到穩壓器電路401所輸出電壓超過一特定值時，表示輸出之電壓已到達內部電路可正常運作的範圍，此時電壓偵測器403傳送啟動控制訊號至內部主電路405開始進行工作。
圖5為應用本發明之另一實施例的電壓偵測器的物聯網元件方塊圖。如圖5所示，物聯網元件500中包括電池501、電壓偵測器503及內部主電路505。電壓偵測器503用以偵測電池501(如太陽能電池、溫差電池或其他種類電源)之電壓，當偵測到電池電壓的電壓值低於一預定值時(電壓過低)，傳送一低電壓警告訊號至內部主電路505，同時，可透過網路等通訊方式發出警示至遠端控制系統，警示電池電量不足需更換電池，或是預告物聯網元件500即將離線等；若是電壓偵測器503偵測到電池電壓的電壓值高於一預定值時(電壓過高)，傳送一過電壓警告訊號至內部主電路505，並可發出警示提醒系統出現異常。
由於本發明之電壓偵測器平時可以保持很低的偵測功耗，因此，即使是應用在需長期保持啟動狀態的物聯網裝置(如：需長時間待機的防盜警報器、活動監視器等)情形下，長時間累計所消耗功率仍非常低，對於物聯網裝置本身而言，更能降低整體的功耗，以達成具備低功耗的物聯 網裝置，實現低功耗的系統。
綜上所述，本發明提供了一種以比較器為基礎的電壓偵測器，用以比較輸入電壓與參考電壓並判斷何者具有較高電位。由於在比較器結構中使用了操作於次臨限區而可作為定電流源之閘極與源極相耦接的電晶體，藉此使比較器整體的靜態電流極低，而達成實現低靜態電流耗損及低功率消耗之目的。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
200:電壓偵測器
201:電晶體
203:電晶體
IA :電流
IB :電流
VIN:輸入電壓
VREF:參考電壓
VOUT:輸出電壓

Claims (12)

  1. 一種電壓偵測器，用以比較輸入電壓與參考電壓以產生一輸出電壓於輸出端，該電壓偵測器包含：第一電晶體，用以將該輸入電壓與該參考電壓間的電壓差轉換為第一電流；及與該第一電晶體串聯之第二電晶體，該第二電晶體具有相互耦接的閘極與源極，以輸出一固定之第二電流，其中，當該第一電流的電流值大於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第一位準電壓，其中，當該第一電流的電流值小於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第二位準電壓，其中，該第一電晶體具有一接收該參考電壓之閘極、一接收該輸入電壓之源極、及一耦接至該輸出端之汲極；及其中，該第二電晶體具有一閘極、一耦接至該輸出端之源極、及一耦接至接地端子之汲極。
  2. 如申請專利範圍第1項之電壓偵測器，其中，該第一位準電壓為該輸入電壓，且該第二位準電壓為接地電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項之電壓偵測器，其中，該第一電晶體與該第二電晶體為P型金屬氧化物半導體場效電晶體(PMOSFET)。
  4. 一種電壓偵測器，用以比較輸入電壓與參考電壓以產生一輸出電壓於輸出端，該電壓偵測器包含：第一電晶體，用以將該輸入電壓與該參考電壓間的電壓差轉換為第一電流；及與該第一電晶體串聯之第二電晶體，該第二電晶體具有相互耦接的閘極與源極，以輸出一固定之第二電流，其中，當該第一電流的電流值大於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第一位準電壓，其中，當該第一電流的電流值小於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第二位準電壓，其中，該第一電晶體具有一接收該參考電壓之閘極、一接收該輸入電壓之源極、及一耦接至該輸出端之汲極；及其中，該第二電晶體具有一閘極、一耦接至接地端子之源極、及一耦接至該輸出端之汲極。
  5. 如申請專利範圍第4項之電壓偵測器，其中，該第一位準電壓為該輸入電壓，且該第二位準電壓為接地電壓。
  6. 如申請專利範圍第4項之電壓偵測器，其中，該第一電晶體為PMOSFET，且該第二電晶體為N型金屬氧化物半導體場效電晶體(NMOSFET)。
  7. 一種電壓偵測器，用以比較輸入電壓與參考電壓以產生一輸出電壓於輸出端，該電壓偵測器包含： 第一電晶體，用以將該輸入電壓與該參考電壓間的電壓差轉換為第一電流；及與該第一電晶體串聯之第二電晶體，該第二電晶體具有相互耦接的閘極與源極，以輸出一固定之第二電流，其中，當該第一電流的電流值大於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第一位準電壓，其中，當該第一電流的電流值小於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第二位準電壓，其中，該第一電晶體具有一接收該輸入電壓之閘極、一耦接至該輸出端之汲極、及一接收該參考電壓之源極，及其中，該第二電晶體具有一閘極、一耦接至該輸出端之源極、及一耦接至電源電壓之汲極。
  8. 如申請專利範圍第7項之電壓偵測器，其中，該第一位準電壓為該參考電壓，且該第二位準電壓為該電源電壓。
  9. 如申請專利範圍第7項之電壓偵測器，其中，該第一電晶體與該第二電晶體為NMOSFET。
  10. 一種電壓偵測器，用以比較輸入電壓與參考電壓以產生一輸出電壓於輸出端，該電壓偵測器包含：第一電晶體，用以將該輸入電壓與該參考電壓間的電壓差轉換為第一電流；及 與該第一電晶體串聯之第二電晶體，該第二電晶體具有相互耦接的閘極與源極，以輸出一固定之第二電流，其中，當該第一電流的電流值大於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第一位準電壓，其中，當該第一電流的電流值小於該第二電流的電流值時，該輸出電壓為第二位準電壓，其中，該第一電晶體具有一接收該輸入電壓之閘極、一耦接至該輸出端之汲極、及一接收該參考電壓之源極，及其中，該第二電晶體具有一閘極、一耦接至電源電壓之源極、及一耦接至該輸出端之汲極。
  11. 如申請專利範圍第10項之電壓偵測器，其中，該第一位準電壓為該參考電壓，且該第二位準電壓為該電源電壓。
  12. 如申請專利範圍第10項之電壓偵測器，其中，該第一電晶體為NMOSFET，該第二電晶體為PMOSFET。
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