了解欠壓鎖定（UVLO）如何保護半導體器件和電子系統免受潛在危險操作的影響。

當提到電源或電壓驅動要求時，我們經常使用簡化，如“這是一個3.3 V的微控制器”或“這個FET的閾值電壓為4 V”。這些描述沒有考慮到電子設備在一定電壓范圍內工作——3.3 V的微型控制器可以在3.0 V至3.6 V之間的任何電源電壓下正常工作，而具有4 V閾值電壓的MOSFET可能在3.5 V至5 V之間獲得足夠的導電性。

但即使是這些基于范圍的規范也可能具有誤導性。當VDD軌降至2.95V時，接受3.0至3.6 V電源電壓的數字IC不會完全停止工作。如圖1所示，現實情況更為復雜。

提供給IC的電源電壓對應于四種操作狀態中的一種。

圖1。提供給IC的電源電壓對應于四種操作狀態中的一種。圖片由Robert Keim提供

如上所述，IC有四種不同的操作狀態：

全面性能：設備功能符合規范。

功能：設備具有功能，但可能不符合所有數據表規范。

未定義：設備的行為不可預測。

非活動：設備完全關閉。

如果VDD低于其指定范圍的下限，則設備退出“全性能”狀態，現在處于欠壓狀態。然而，VDD可能不足以使設備處于非活動狀態，在這種情況下，IC將繼續在“功能”或“未定義”狀態下運行。這種操作條件也被稱為斷電。

由于其不可預測性，未定義狀態尤其令人擔憂。

欠電壓的影響

如果電路晶體管的工作電壓低于其設計的電壓范圍，則可能會出現嚴重問題。盡管有時IC失控只是不方便，但現代生活充滿了我們的工作、健康甚至生活依賴半導體設備的情況。

在電源電壓不足的情況下，CMOS邏輯電路可能無法在完全接通和完全斷開狀態之間可靠地轉換。在高功率FET中，驅動電壓不足會導致通道電阻過大，導致元件過熱。低驅動電壓也可以防止雙極結晶體管被適當地偏置。

在微處理器或存儲器中，欠壓可能導致位錯誤，從而損壞數據或導致數據傳輸出現故障。這種類型的故障不太可能對IC造成直接損壞，但處理器產生的故障控制信號可能會引發各種非常不可取甚至危險的系統行為。為了確保電子設備安全可靠地運行，集成電路必須具備防欠壓功能。

這在電池供電的系統中尤為重要，原因有兩個：

隨著電池放電，電池的電壓逐漸降低，因此電池供電系統偶爾會遇到電源電壓不足的情況，這是一個非常安全的賭注。

欠電壓保護有助于防止因過度放電而損壞蓄電池。

IC的欠壓保護通常采用欠壓鎖定（UVLO）電路的形式。讓我們來看看這是如何工作的。

欠電壓鎖定電路

UVLO電路的目的是檢測電源電壓不足，然后“鎖定”通電設備，確保設備保持受控狀態，直到解決欠壓情況。圖2顯示了一個基本的UVLO電路。

UVLO電路的基本示例。

圖2:UVLO電路示例。圖像由Analog Devices提供

在該電路中，使用電阻分壓器測量電源電壓，并將其與固定閾值電壓（VT）進行比較。如果分壓的電源電壓下降到閾值以下，比較器的輸出轉換并通過斷開開關來停用下游電路。在實踐中，“打開開關”通常意味著將MOSFET驅動到非導通狀態。

由于該電路旨在檢測會導致系統其他部分發生故障的電源電壓，設計者必須確保閾值電壓發生器和比較器能夠在這些低電源電壓下正常工作。通常，欠壓鎖定電路中的比較器將包括滯后，以防止系統電源在電源電壓接近閾值時快速接通和斷開。

包含欠電壓鎖定

盡管上述電路可以使用分立組件來實現，但IC在芯片上包括UVLO功能是非常常見的。讓我們看一些例子，從Texas Instruments的TLV741P線性調節器開始。

圖3顯示了TLV741P的功能框圖。在欠壓鎖定期間，輸出通過示意圖右側的120Ω下拉電阻器接地。

TI線性調節器的功能框圖，包括UVLO功能。

圖3。TLV741P線性調節器的功能框圖。圖片由Texas Instruments提供

圖4顯示了UVLO是如何被納入同樣來自Texas Instruments的TPS54331降壓轉換器中的。該電路允許用戶通過外部電阻器調節UVLO閾值電壓。

使用電流源來調整閾值的UVLO電路。

圖4。使用電流源來調整閾值的UVLO電路。圖片由Texas Instruments提供

盡管Silicon Labs的C8051F310微控制器在其數據表中沒有使用“欠壓鎖定”一詞，但其通電復位電路和VDD監視器提供了等效的功能。當電源電壓太低而無法可靠操作時，它們將設備保持在非激活狀態。

C8051F310通電復位和電源電壓監視器復位的時序圖。

圖5。C8051F310通電復位和VDD監視器復位的時序圖。圖片由Silicon Labs提供

最后，圖6顯示了來自Onsemi的NCP302監控IC。這些可用于幾種不同的UVLO閾值，范圍從0.9 V到4.7 V。

NCP302系列監控IC的簡化電路圖。

圖6。NCP302系列監控IC的簡化電路圖。圖片由Onsemi提供

如果您：

對于沒有UVLO功能的部件，需要欠壓保護。

想要為整個電路板實現一個欠壓閾值。

雖然你也可以使用由分立元件制成的定制電路，但我認為集成電路解決方案是一個更好的選擇。