周末隨想: 帶隙(能隙)基準(zhǔn)電壓 Band Gap
DCDC或ACDC控制器的基準(zhǔn)電壓或參考電壓也就是輸出電壓反饋管腳VFB對應(yīng)的內(nèi)部運(yùn)放的基準(zhǔn)電壓,輸出電壓通過分壓電阻連接到VFB管腳,在輸入電壓以及負(fù)載發(fā)生變化的時(shí)候,通過內(nèi)部的調(diào)節(jié),維持輸出電壓的穩(wěn)定。如果環(huán)境溫度發(fā)生變化,輸出電壓也要穩(wěn)定,因此基準(zhǔn)電壓也要具有溫度補(bǔ)償特性,控制器內(nèi)部通常使用帶隙(能隙)基準(zhǔn)電壓。
什么是帶隙基準(zhǔn)電壓?先來看看PN結(jié)二極管的特性,二極管的電流ID為:
可以得到:
其中,VT為熱電勢,IS為PN結(jié)的飽和電流,K為玻爾茲曼常數(shù)(1.381*10-23),q為電子電荷(1.602*10-19),T為絕對溫度,B為比例常數(shù),VGO為硅的能隙(帶隙)電壓(1.205V)。
基于PN結(jié)的基準(zhǔn)電壓的輸出主要由硅的能隙電壓VGO來決定,因此其稱為能隙電壓基準(zhǔn),或帶隙電壓基準(zhǔn),Band Gap。
PN結(jié)通二極管過一定的正向偏置電流ID時(shí),VD隨溫度變化公式為:
(2)(3)(4)代入(1):
(6)(7)代入(5):
PN結(jié)二極管在T=25C,VD=0.65V時(shí),可以計(jì)算二極管正向電壓的溫度系數(shù):
PN結(jié)二極管正向壓降為負(fù)溫度系數(shù),使用硅的能隙電壓設(shè)計(jì)基準(zhǔn)(參考)電壓,必須使用具有正溫度系數(shù)的器件如電阻和PN結(jié)串聯(lián),如果選擇值合適,二者由于溫度變化產(chǎn)生的電壓漂移剛好相互抵消,那么PN結(jié)和電阻串聯(lián)后的電壓的溫度系數(shù)為0,從而實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償。
圖1:溫度補(bǔ)償
電阻R1的電壓為VR1=a*VT,VBE=VD,得到:
調(diào)整a的值就可以保證PN結(jié)和電阻串聯(lián)后的電壓的溫度系數(shù)為0。
帶隙電壓基準(zhǔn)由Brokaw發(fā)明,具體電路如圖2所示,Q1、Q2的發(fā)射極面積不同,分別為nAE、AE,因此IS1/IS2=n;Q1、Q2的集電極電阻相等同,因此IC1=IC2。
圖2:Brokaw帶隙電壓基準(zhǔn)
忽略基極電流,則有:
所以,基準(zhǔn)電壓VBG為:
調(diào)整R4/R3和n的值,就可以保證PN結(jié)和電阻串聯(lián)后的電壓的溫度系數(shù)為0。
通過運(yùn)放、R1和R2,可以將VBG電壓抬高:
如果將VGB直接作為基準(zhǔn)電壓,那么VBG相當(dāng)于電源控制器的VFB管腳,運(yùn)放的輸出就相當(dāng)于COMP管腳,如圖3所示。
圖3:電源PWM控制器輸出反饋
若R3=30K,R4=150k,n=10,VFB=1.255V;若R3=60k,R4=280k,n=10,VFB=1.23V。
這個(gè)電路是很多DCDC電源IC的輸出電壓反饋運(yùn)算放大器,對于交流信號,當(dāng)輸出電壓增大、VFB管腳電壓增大時(shí):
因此,運(yùn)放的輸入電壓將降低,COMP管腳的電壓增加,反之亦然,達(dá)到調(diào)節(jié)的要求。
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