【关键词】电路设计；电源监控；集成度的提高

引言

随着电子技术的迅猛发展，现代电子设备在提高性能的同时，也对能效提出了更高的要求。无论是便携式设备、可穿戴设备，还是工业自动化系统，低功耗设计已经成为电子工程领域的关键课题之一。尤其在电源管理领域，精密电源监控电路的设计直接关系到系统的可靠性、稳定性和能效表现。随着集成电路技术的进步，电源监控电路的功能越来越强大，体积越来越小，功耗也显著降低。

一、低功耗精密电源监控电路设计

（一）低温漂带隙基准设计与开发

在低功耗精密电源监控电路设计中，开发低温漂带隙基准是关键环节之一，其设计目标是实现高精度和低温度系数，以保证电源监控电路在不同温度下保持稳定的输出。带隙基准电路的核心在于其能够提供一个与温度、电源电压变化无关的稳定参考电压。选择合适的半导体过程是带隙基准设计的初步步骤。带隙基准有依赖于半导体的物理特性，因此，技术人员应优先选用具有高稳定性和低温漂的双极型或CMOS工艺，例如，可以选择具有高β值（电流增益）和低Vbe（基极－发射极电压）温度系数的双极性晶体管。在实际操作中，β值应大于100，这有助于减少电流镜和差分放大器中的误差放大。

设计的一个关键步骤是实现温度补偿。带隙基准电路通常利用两个具有不同温度系数的电压相加，以实现零温度系数的输出。技术人员可以通过结合一个正温度系数的电压（如晶体管的Vbe）和一个负温度系数的电压（如正比于绝对温度的电压）来实现。为了精确控制这两个电压的比例，技术人员可以采用精密电阻来设置电流的比例，其中电阻的温度系数应尽可能低，最好不超过10×10-6/℃。电路设计还需要特别注意晶体管的匹配性，因为任何不匹配都会引起输出电压的变化，采用面积匹配和中心对称布局的方法可以有效减少由于工艺波动引起的晶体管参数不一致的情况。例如，在设计电流镜（图1）或差分对时，应确保所有晶体管的W（宽度）与L（长度）的比相同，并尽量布局在相同的硅片区域内[1]。

为了进一步降低电源电压的影响，带隙基准电路应包括一个低压差线性稳压器（LDO）。这个LDO需要设计为低输出噪声，且其输出电压波动在±0.1%以内，以确保带隙基准电路的供电稳定性。LDO的输入电压应高于输出电压至少200 mV，以保证有足够的压差进行稳压。实际测试阶段需要在不同温度（如-40℃到85℃）下测量带隙基准的输出电压和温度系数。输出电压的稳定性应在±0.5%以内，而温度系数应低于10×10-6/℃。这些数据可以验证设计的有效性和稳定性。为确保电路长期可靠，进行加速老化测试和应力测试也是必要的。这些测试可以帮助识别潜在的可靠性问题，如晶体管的热失稳和电阻的漂移等，并通过调整设计参数来优化电路性能。

（二）低功耗振荡电路及定时器的设计与开发

低功耗精密电源监控电路设计在轻工工程中具有重要的实际应用意义，尤其是在需要长时间运行且无法频繁更换电池的设备中，低功耗设计可以显著延长设备的使用寿命。在这种设计中，振荡电路和定时器是两个关键部分。振荡电路的设计需要选择适合的元件和参数来达到低功耗的目的，而使用CMOS技术是降低功耗的有效途径。CMOS 555定时器是振荡电路的首选器件，因为它的静态电流消耗通常仅在微安级别。此外，为了实现低频振荡，选择适当的电阻和电容组合是至关重要的。在实际设计中，使用100 kΩ的电阻和9.1 nF的电容，可以产生接近1 kHz的振荡频率。