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。