[发明专利]用于低压CMOS工艺的低功率电压检测器

说明书

电压检测器具有二极管阶梯，其中一个或多个二极管串联在电池电压输入和上测量节点之间。测量二极管连接在上测量节点和下测量节点之间。电阻器和断电开关串联在下测量节点和地之间。模数转换器(ADC)的模拟输入通过开关连接到上测量节点，以生成上数字值。然后开关将模拟输入连接到下测量节点，以生成下数字值。上、下数字值之间的差值是测量二极管上的二极管电压降，其乘以二极管阶梯中的二极管数量，再与上数字值相加，以产生电池电压测量值。

技术领域

本发明涉及电压检测器，特别涉及测量二极管端电压的电池电压检测器。

背景技术

电池供电设备可能包括含有晶体管等半导体器件的集成电路(IC)。更先进的半导体工艺生产的晶体管可能会被较高的施加电压损坏。较小的电池可以为先进的低功率IC供电，这些IC具有较低的电源电压，晶体管也可能被低至电池电压的电压损坏。因此，电池电压必须降低，或施加到串联的几个晶体管上，以降低施加到任何单个晶体管的电压。

图1显示一个电阻分压器。电池20在其正极端相对于其接地端产生电池电压VBAT。在VBAT和地之间，电阻器22、24彼此串联，并与开关26串联。当开关26闭合时，来自电池20的电流I通过电阻器22、24，在电阻器22、24中的每个电阻器上引起V＝IR电压降，该电压降与每个电阻器的电阻R成正比。当电阻器22、24具有相同的电阻R时，电阻器22、24之间的节点，电压VIN，是电池电压的一半，或VIN＝VBAT/2。

当开关26闭合且VBAT被电阻器22、24分压时，VIN可以安全地应用于晶体管或其他精密半导体器件。例如，VIN可用于间接测量电池电压。然而，通过电阻器22、24的电流I可能导致电池20不必要的功率消耗。当不测量电池电压时，可以断开开关26以中断电流流动，并降低功率。

然而，当开关26断开时，来自电池20的电流会瞬间流过电阻器22并对VIN充电，直到VIN达到VBAT。当开关26断开时，任何连接到VIN的晶体管都具有较高的VBAT电压。当开关26断开时，这些晶体管可能会损坏，因为VIN可能等于或接近VBAT。

例如，VBAT可能为1.5至4.2伏，当开关26闭合且使用相等的电阻R时，会使VIN处于0.75至2.1伏的安全范围内，但当开关26断开时VIN处于1.5至4.2伏的范围。一些晶体管或其他器件可能会被3或4伏的电压损坏。因此，带有断电开关的电阻分压器可能会损坏敏感晶体管或其他器件。

图2显示一个二极管分压器。一系列二极管30、32、36、36彼此串联，并与开关38串联。当开关38闭合时，流过每个二极管30、32、34、36的电流导致每个二极管的pn结电压降Vpn约为0.5-0.7伏。

在图2中，VIN位于二极管32、34之间，在VBAT和VIN之间有由二极管30、32引起的二极管压降，因此VIN＝VBAT–2*Vpn，或低于VBAT约1至1.4伏。

当开关38断开以省电时，当二极管30的下端上升到高于VBAT–Vpn时，任何瞬间流过二极管30的电流都会停止。同样，当二极管32两端的电压小于Vpn时，通过二极管32的电流就会停止。因此，当开关38断开时，VIN不能上升到VBAT–2*Vpn以上。

VIN可以连接到敏感器件，如晶体管，因为二极管30、32防止VIN上升到VBAT–2*Vpn以上。当VIN没有被采样或以其他方式使用时，开关38可以被断开以减少电流和功率。

然而，与具有精确电阻值R的电阻器22、24不同，通过二极管30、32的电压降Vpn可以随着工艺、电源电压和温度(PVT)条件而变化。此外，相当大的电流可能流过二极管30、32、34、36，增加了功耗。

靠电池供电运行的低功耗器件可以长时间处于待机模式，以延长电池寿命。能够关闭电压检测器以防止电池耗尽非常重要。先进的半导体工艺可能对损害非常敏感，以至于电池电压都可能会造成损坏。例如，4.2伏的电池超过了一些先进CMOS工艺的3.3伏限制。