我們是否曾經需要偏置低電流負載并且根本不想添加另一個穩(wěn)壓器?或者處于需要合理水平電壓精度的情況下,所以簡單的分壓器還不夠?
多年來,設計人員使用齊納二極管作為簡單的并聯(lián)穩(wěn)壓器,如圖 1 所示。使用單個電阻器,該器件將保持制造過程中確定的固定電壓。
圖 1:單個電阻器和齊納二極管創(chuàng)建一個簡單的電壓軌
一個好的齊納二極管工作良好,但是當我們仔細查看數據表時,我們會發(fā)現需要提供超過幾毫安的電流才能實現準確的齊納電壓 (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。如圖 2 所示,這個范圍可能高達 5mA,尤其是對于低成本、非溫度補償二極管。
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,這會影響整個系統(tǒng)的損耗和溫度。例如,對于 12V 輸入,使用 2.5V 齊納二極管需要一個 1.9kΩ 的串聯(lián)電阻以保持 5mA(假設沒有負載電流)。5mA 的 1.9kΩ 電阻器會導致電阻器上的損耗超過 47mW。使用 24V 時,損耗超過 100mW。
電壓基準(也稱為帶隙基準)提供與齊納二極管相同的功能,但需要更少的電流來維持更準確的電壓。在齊納二極管使用具有特定摻雜的單個 pn 結來產生齊納擊穿電壓的情況下,電壓基準使用晶體管的組合并采用正溫度系數 pn 結與負溫度系數晶體管配合使用以產生零-溫度系數參考。
帶隙基準的概念和設計是由 Bob Widlar 在 1970 年代引入的,當時他還是一名功率集成電路 (IC) 設計師。盡管電壓基準因其隨溫度和時間變化的電壓精度(遠低于 1%)而經常被使用,但半導體電路、工藝和封裝的進步已將它們帶入新的應用中。
更寬的容差和更低成本的電壓基準(1% 和 2%)打開了它們在以前從未考慮過的應用中的使用,在這些應用中我們可能會使用齊納二極管或穩(wěn)壓器。使用電壓基準代替齊納二極管是為了提高效率和簡單性。
如圖 3 所示,當 Iz 僅為 50μA 時,參考電壓兩端的電壓得到很好的調節(jié)。圖 3 顯示了德州儀器 (TI) LM4040 在 25°C 下的特性,但數據表顯示在 -40°C 至 +125°C 的環(huán)境溫度范圍內偏置遠低于 100μA 時具有出色的電壓精度(這是擴展 Q-級溫度版本;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行,例如 ATL431 和 LM385。
圖 3:TI LM4040 2.5V 電壓基準
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,遠低于使用齊納二極管時的 47mW 損耗。當然,當向負載提供電流時,我們需要選擇一個較低值的電阻器,以便在提供負載電流的同時保持所需的 Iz,以便在負載變化時進行調節(jié)。如圖 4 所示,只需計算通過分流電阻器 (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載電流,并在選擇此電阻時考慮容差。
圖 4:計算 Rs 以適應最壞情況的負載電流,同時保持最小的 Iz
通過使用 TI 的 2% LM4040E 等寬容差電壓基準,我們可以以低于典型穩(wěn)壓器的價格實現優(yōu)于大多數穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓電壓,并且與齊納二極管相當。這些器件還提供小型 SC70 封裝。將電壓基準用于電壓調節(jié)應用的一個優(yōu)勢是它們能夠在非常大的電壓范圍內工作;電壓參考不關心電壓,只關心電流。通過根據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載的額外偏置電流。此應用程序可以使用 LM4040-N 器件的低成本 2% E 版本。如我們所見,使用0402無源元件時電路非常簡單和小巧。
圖 5:用于開發(fā) 5V 的 LM4040 電壓基準
因為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。通過大多數電壓基準的最大電流在 10mA 到 30mA 的數量級,這限制了應用。
對于更高的電流,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) 將隨負載電流變化,作為 FET 的 R DS(on)特性的函數。通過添加誤差放大器(單個軌到軌運算放大器工作良好),圖 6 中所示的電路檢測 Vout 并將其與參考電壓進行比較,以在負載電流和溫度的各種變化下提供良好調節(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整為大于或等于參考電壓的任何電壓的方法。
電壓基準是幾乎所有集成穩(wěn)壓器的核心。我們可能會問,如果這么簡單,為什么還要使用集成穩(wěn)壓器呢?一個原因是電壓調節(jié)器還包括用于監(jiān)控和限制負載電流的電路,并監(jiān)控溫度以在故障情況下保護設備和負載。盡管設計人員可以并且確實可以設計基于分立參考電壓的穩(wěn)壓器,但使用當今可用的眾多集成穩(wěn)壓器之一通常更實用且更具成本效益。
因此,下次我們需要低電流軌電壓時,請考慮使用電壓基準。
順便提一下,線性和開關模式電壓調節(jié)器也取得了重大的技術進步。在嘗試開發(fā) 5V(或更高)電壓軌的低電流電壓時,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 5.5V 的輸入,并提供多種電壓選項、一個關斷引腳,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濟高效的替代方案
從開關模式調節(jié)器的角度來看,該行業(yè)在低電流和高電流調節(jié)器解決方案方面也取得了重大進展。獨立的切換器模塊取得了很大進步,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,主要基于獨立高速開關節(jié)點之間的低阻抗連接。最近,基于它們的易用性和基于規(guī)模經濟的降低成本,它們在當地鐵路發(fā)電中非常受歡迎。
的TPS8208X 降壓調節(jié)器是非常小的(3.0毫米X2.8毫米)并產生緊密調節(jié)的電壓與輸出電流高達3A。對于高達 36VDC 的輸入電壓,請考慮LMZM23601。這種小型 3.8mm X 3.0mm 模塊可以產生電流高達 1A 的低電壓軌,并且提供更高電流版本。
為特定應用選擇最佳功率調節(jié)解決方案總是需要時間和精力,而如今可用的解決方案比以往任何時候都多。在這里,我們描述了一些明顯的和一些不那么明顯的設計選項,每個選項都有特定的微妙但通常是關鍵的優(yōu)勢,這些優(yōu)勢因系統(tǒng)應用而異。
該穩(wěn)壓器在其輸入 (C IN ) 和輸出 (C OUT )處使用電容器來增強其高頻響應。您應該仔細考慮電容器的電介質、值和位置,因為它們會極大地影響穩(wěn)壓器特性。C OUT主導調節(jié)器的動態(tài)響應;C IN的重要性要小得多,只...
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