本文作者Robert Keim，编译自AllAboutCircuits

了解欠压锁定 (UVLO) 如何保护半导体设备和电子系统免受潜在危险操作。

当提到电源或电压驱动要求时，我们经常使用简化，例如“这是一个 3.3 V 微控制器”或“该 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运行3.3 V 微控制器可能在 3.0 V 到 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3.5V 至 5V 之间。

但即使是这些基于范围的规格也可能会产生误差。当VDD轨降至 2.95 V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，实际情况要复杂得多。

图 1.提供给 IC 的电源电压对应于四种工作状态之一。图片由罗伯特·凯姆提供

正如我们在上面看到的，IC 有四种不同的工作状态：

1.全面性能：设备功能符合规格。

2.功能：设备功能正常，但可能不满足所有数据表规格。

3.未定义：设备的行为是不可预测的。

4.非活动：设备完全关闭。

如果VDD低于其指定范围的下限，器件将退出“全性能”状态并且现在处于欠压状态。然而，VDD可能不至于不工作，在这种情况下，IC 将继续在“功能”或“未定义”状态下运行。这种操作条件也称为掉电。

由于其不可预测性，未定义状态尤其令人担忧。

欠压的影响

如果晶体管在低于设计电压范围的情况下工作，可能会出现严重问题。有时 IC 失控只是带来不便，但有时会带来严重后果。

如果电源电压不足，CMOS 逻辑电路可能无法在全开和全关状态之间可靠地转换。在较高功率 FET 中，驱动电压不足可能会导致沟道电阻过大，从而导致组件过热。低驱动电压还会影响双极结型晶体管的正确偏置。

在微处理器或存储器中，欠压可能会导致位错误，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，但处理器生成的错误控制信号可能会引发各种危险的系统行为。为了确保电子设备安全可靠地运行，IC 包含欠压保护功能至关重要。

这在电池供电系统中尤其重要，原因有二：

1.随着电池放电，电池的电压逐渐降低，因此可以肯定的是，电池供电的系统偶尔会遇到电源电压不足的情况。

2.欠压保护有助于防止电池因过度放电而损坏。

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

欠压锁定电路

UVLO 电路的目的是检测电源电压不足，然后“锁定”受电设备，确保设备保持在受控状态，直到欠压情况得到解决。图 2 显示了基本 UVLO 电路。

图2.UVLO 电路示例。图片由Analog Devices提供

在此电路中，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。如果分压电源电压低于阈值，比较器的输出就会发生转变，并通过打开开关来停用下游电路。实际上，“打开开关”通常意味着将 MOSFET 至非导通状态。

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，因此设计人员必须确保阈值电压发生器和比较器可以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会包含迟滞，以防止系统电源在电源电压接近阈值时快速打开和关闭。

结合欠压锁定

虽然上述电路可以使用分立元件来实现，但 IC 在片上包含 UVLO 功能是很常见的。让我们看一些示例，首先是Texas Instruments 的TLV741P线性稳压器。

图 3 显示了 TLV741P 的功能框图。在欠压锁定期间，输出通过原理图右侧的 120 Ω 下拉电阻接地。

图 3. TLV741P 线性稳压器的功能框图。图片由德州仪器 (TI)提供

图 4 显示了 UVLO 如何集成到 同样来自 Texas Instruments 的TPS54331降压转换器中。该电路允许用户通过外部电阻器调整 UVLO 阈值电压。

图 4.使用电流源调整阈值的 UVLO 电路。图片由德州仪器 (TI)提供

 Silicon Labs 的C8051F310微控制器在其数据表中没有使用术语“欠压锁定”，但其上电复位电路和VDD监视器提供了等效的功能。当电源电压太低而无法可靠运行时，它们会将设备保持在非活动状态。

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

最后，图 6 显示了Onsemi 的NCP302监控器 IC。这些可用于多种不同的 UVLO 阈值，范围从 0.9 V 到 4.7 V。

图 6. NCP302 系列监控器 IC 的简化电路图。图片由Onsemi提供

如果您符合以下条件，我建议您使用监控器 IC：

没有 UVLO 功能的组件需要欠压保护。

想要为整个电路板实施一个完整的系统级欠压检测。

虽然也可以使用由分立元件制成的定制电路，但通常集成电路解决方案是更好的选择。