如何使用電壓參考作為電壓調(diào)節(jié)器

我們是否曾經(jīng)需要偏置低電流負(fù)載并且根本不想添加另一個(gè)穩(wěn)壓器？或者處于需要合理水平電壓精度的情況下，所以簡(jiǎn)單的分壓器還不夠？

多年來(lái)，設(shè)計(jì)人員使用齊納二極管作為簡(jiǎn)單的并聯(lián)穩(wěn)壓器，如圖 1 所示。使用單個(gè)電阻器，該器件將保持制造過(guò)程中確定的固定電壓。

圖 1：?jiǎn)蝹€(gè)電阻器和齊納二極管創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓軌

一個(gè)好的齊納二極管工作良好，但是當(dāng)我們仔細(xì)查看數(shù)據(jù)表時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)需要提供超過(guò)幾毫安的電流才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的齊納電壓 (Vz)。為了保持精度，我們必須選擇足夠低的串聯(lián)電阻值，以確保齊納反向偏置電流 (Iz) 落在可接受的范圍內(nèi)。如圖 2 所示，這個(gè)范圍可能高達(dá) 5mA，尤其是對(duì)于低成本、非溫度補(bǔ)償二極管。

圖 2：齊納二極管通常需要幾毫安以上的電流才能達(dá)到 Vz

歐姆定律和焦耳定律決定了分流電阻器上的功率損耗，這會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的損耗和溫度。例如，對(duì)于 12V 輸入，使用 2.5V 齊納二極管需要一個(gè) 1.9kΩ 的串聯(lián)電阻以保持 5mA（假設(shè)沒(méi)有負(fù)載電流）。5mA 的 1.9kΩ 電阻器會(huì)導(dǎo)致電阻器上的損耗超過(guò) 47mW。使用 24V 時(shí)，損耗超過(guò) 100mW。

電壓基準(zhǔn)（也稱為帶隙基準(zhǔn)）提供與齊納二極管相同的功能，但需要更少的電流來(lái)維持更準(zhǔn)確的電壓。在齊納二極管使用具有特定摻雜的單個(gè) pn 結(jié)來(lái)產(chǎn)生齊納擊穿電壓的情況下，電壓基準(zhǔn)使用晶體管的組合并采用正溫度系數(shù) pn 結(jié)與負(fù)溫度系數(shù)晶體管配合使用以產(chǎn)生零-溫度系數(shù)參考。

帶隙基準(zhǔn)的概念和設(shè)計(jì)是由 Bob Widlar 在 1970 年代引入的，當(dāng)時(shí)他還是一名功率集成電路 (IC) 設(shè)計(jì)師。盡管電壓基準(zhǔn)因其隨溫度和時(shí)間變化的電壓精度（遠(yuǎn)低于 1%）而經(jīng)常被使用，但半導(dǎo)體電路、工藝和封裝的進(jìn)步已將它們帶入新的應(yīng)用中。

更寬的容差和更低成本的電壓基準(zhǔn)（1% 和 2%）打開(kāi)了它們?cè)谝郧皬奈纯紤]過(guò)的應(yīng)用中的使用，在這些應(yīng)用中我們可能會(huì)使用齊納二極管或穩(wěn)壓器。使用電壓基準(zhǔn)代替齊納二極管是為了提高效率和簡(jiǎn)單性。

如圖 3 所示，當(dāng) Iz 僅為 50μA 時(shí)，參考電壓兩端的電壓得到很好的調(diào)節(jié)。圖 3 顯示了德州儀器 (TI) LM4040 在 25°C 下的特性，但數(shù)據(jù)表顯示在 -40°C 至 +125°C 的環(huán)境溫度范圍內(nèi)偏置遠(yuǎn)低于 100μA 時(shí)具有出色的電壓精度（這是擴(kuò)展 Q-級(jí)溫度版本；正常工業(yè)溫度范圍為 -40°C 至 +85°C）。一些參考電壓以更低的電流運(yùn)行，例如 ATL431 和 LM385。

圖 3：TI LM4040 2.5V 電壓基準(zhǔn)

使用與上述相同的 12V 示例，Iz 為 75μA 而不是 5mA，我們可以使用 126kΩ 電阻器并保持更準(zhǔn)確的電壓。使用 126kΩ 電阻器還可以使電阻器的功率損耗低于 1mW，遠(yuǎn)低于使用齊納二極管時(shí)的 47mW 損耗。當(dāng)然，當(dāng)向負(fù)載提供電流時(shí)，我們需要選擇一個(gè)較低值的電阻器，以便在提供負(fù)載電流的同時(shí)保持所需的 Iz，以便在負(fù)載變化時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖 4 所示，只需計(jì)算通過(guò)分流電阻器 (Rs) 的電流，其中 Ir = Iz + Iload，然后使用歐姆定律確定分流電阻器 (Rs) 的大小，R = (Vs-Vz)/Ir。確保使用最壞情況下的負(fù)載電流，并在選擇此電阻時(shí)考慮容差。

圖 4：計(jì)算 Rs 以適應(yīng)最壞情況的負(fù)載電流，同時(shí)保持最小的 Iz

通過(guò)使用 TI 的 2% LM4040E 等寬容差電壓基準(zhǔn)，我們可以以低于典型穩(wěn)壓器的價(jià)格實(shí)現(xiàn)優(yōu)于大多數(shù)穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓電壓，并且與齊納二極管相當(dāng)。這些器件還提供小型 SC70 封裝。將電壓基準(zhǔn)用于電壓調(diào)節(jié)應(yīng)用的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它們能夠在非常大的電壓范圍內(nèi)工作；電壓參考不關(guān)心電壓，只關(guān)心電流。通過(guò)根據(jù)輸入電壓范圍和輸出電流選擇正確的分流電阻值，我們可以使用簡(jiǎn)單的解決方案支持非常寬的范圍。

圖 5 是使用 LM4040 從 22-25V 輸入開(kāi)發(fā)低電流 5V 軌以將 5V 輸入偏置到 USB 控制器 IC 的示例，在最壞情況下僅需 100μA。選擇的電阻值考慮了未顯示負(fù)載的額外偏置電流。此應(yīng)用程序可以使用 LM4040-N 器件的低成本 2% E 版本。如我們所見(jiàn)，使用0402無(wú)源元件時(shí)電路非常簡(jiǎn)單和小巧。

圖 5：用于開(kāi)發(fā) 5V 的 LM4040 電壓基準(zhǔn)

因?yàn)?/span>我們需要更高的電流，分流電阻器需要更大，以消散由壓降引起的熱損耗。通過(guò)大多數(shù)電壓基準(zhǔn)的最大電流在 10mA 到 30mA 的數(shù)量級(jí)，這限制了應(yīng)用。

對(duì)于更高的電流，我們可以使用帶有偏置電阻器和附加晶體管的相同電壓參考，以提供必要的輸入到輸出壓降。直接從電壓基準(zhǔn)偏置的 p 溝道 FET 晶體管可以提供更高的電流，但輸出電壓 (Vout) 將隨負(fù)載電流變化，作為 FET 的 R DS(on)特性的函數(shù)。通過(guò)添加誤差放大器（單個(gè)軌到軌運(yùn)算放大器工作良好），圖 6 中所示的電路檢測(cè) Vout 并將其與參考電壓進(jìn)行比較，以在負(fù)載電流和溫度的各種變化下提供良好調(diào)節(jié)的電壓。

圖 6：電壓參考是所有穩(wěn)壓器電路的核心

去掉 R2（并短接 R1），圖 6 中所示的電路將提供一個(gè)非常良好的穩(wěn)壓電壓，等于參考電壓的電壓。分壓器 R1 和 R2 提供了一種將輸出調(diào)整為大于或等于參考電壓的任何電壓的方法。

電壓基準(zhǔn)是幾乎所有集成穩(wěn)壓器的核心。我們可能會(huì)問(wèn)，如果這么簡(jiǎn)單，為什么還要使用集成穩(wěn)壓器呢？一個(gè)原因是電壓調(diào)節(jié)器還包括用于監(jiān)控和限制負(fù)載電流的電路，并監(jiān)控溫度以在故障情況下保護(hù)設(shè)備和負(fù)載。盡管設(shè)計(jì)人員可以并且確實(shí)可以設(shè)計(jì)基于分立參考電壓的穩(wěn)壓器，但使用當(dāng)今可用的眾多集成穩(wěn)壓器之一通常更實(shí)用且更具成本效益。

因此，下次我們需要低電流軌電壓時(shí)，請(qǐng)考慮使用電壓基準(zhǔn)。

順便提一下，線性和開(kāi)關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器也取得了重大的技術(shù)進(jìn)步。在嘗試開(kāi)發(fā) 5V（或更高）電壓軌的低電流電壓時(shí)，德州儀器最近發(fā)布了一系列成本優(yōu)化的小型解決方案尺寸線性穩(wěn)壓器。圖 7 中所示的新型TLV702穩(wěn)壓器支持高達(dá) 5.5V 的輸入，并提供多種電壓選項(xiàng)、一個(gè)關(guān)斷引腳，并且該系列采用非常小的封裝。

圖 7：TLV70 穩(wěn)壓器系列為基于齊納二極管的并聯(lián)穩(wěn)壓器提供了另一種經(jīng)濟(jì)高效的替代方案

從開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)器的角度來(lái)看，該行業(yè)在低電流和高電流調(diào)節(jié)器解決方案方面也取得了重大進(jìn)展。獨(dú)立的切換器模塊取得了很大進(jìn)步，其中包括所有必要的磁性元件，非常適合創(chuàng)建低壓軌。這些小模塊還具有比傳統(tǒng)分立解決方案更低 EMI 的優(yōu)勢(shì)，主要基于獨(dú)立高速開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的低阻抗連接。最近，基于它們的易用性和基于規(guī)模經(jīng)濟(jì)的降低成本，它們?cè)诋?dāng)?shù)罔F路發(fā)電中非常受歡迎。

的TPS8208X 降壓調(diào)節(jié)器是非常小的（3.0毫米X2.8毫米）并產(chǎn)生緊密調(diào)節(jié)的電壓與輸出電流高達(dá)3A。對(duì)于高達(dá) 36VDC 的輸入電壓，請(qǐng)考慮LMZM23601。這種小型 3.8mm X 3.0mm 模塊可以產(chǎn)生電流高達(dá) 1A 的低電壓軌，并且提供更高電流版本。

為特定應(yīng)用選擇最佳功率調(diào)節(jié)解決方案總是需要時(shí)間和精力，而如今可用的解決方案比以往任何時(shí)候都多。在這里，我們描述了一些明顯的和一些不那么明顯的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，每個(gè)選項(xiàng)都有特定的微妙但通常是關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)因系統(tǒng)應(yīng)用而異。