如何使用电压参考作为电压调节器

我们是否曾经需要偏置低电流负载并且根本不想添加另一个稳压器？或者处于需要合理水平电压精度的情况下，所以简单的分压器还不够？

多年来，设计人员使用齐纳二极管作为简单的并联稳压器，如图 1 所示。使用单个电阻器，该器件将保持制造过程中确定的固定电压。

图 1：单个电阻器和齐纳二极管创建一个简单的电压轨

一个好的齐纳二极管工作良好，但是当我们仔细查看数据表时，我们会发现需要提供超过几毫安的电流才能实现准确的齐纳电压 (Vz)。为了保持精度，我们必须选择足够低的串联电阻值，以确保齐纳反向偏置电流 (Iz) 落在可接受的范围内。如图 2 所示，这个范围可能高达 5mA，尤其是对于低成本、非温度补偿二极管。

图 2：齐纳二极管通常需要几毫安以上的电流才能达到 Vz

欧姆定律和焦耳定律决定了分流电阻器上的功率损耗，这会影响整个系统的损耗和温度。例如，对于 12V 输入，使用 2.5V 齐纳二极管需要一个 1.9kΩ 的串联电阻以保持 5mA（假设没有负载电流）。5mA 的 1.9kΩ 电阻器会导致电阻器上的损耗超过 47mW。使用 24V 时，损耗超过 100mW。

电压基准（也称为带隙基准）提供与齐纳二极管相同的功能，但需要更少的电流来维持更准确的电压。在齐纳二极管使用具有特定掺杂的单个 pn 结来产生齐纳击穿电压的情况下，电压基准使用晶体管的组合并采用正温度系数 pn 结与负温度系数晶体管配合使用以产生零-温度系数参考。

带隙基准的概念和设计是由 Bob Widlar 在 1970 年代引入的，当时他还是一名功率集成电路 (IC) 设计师。尽管电压基准因其随温度和时间变化的电压精度（远低于 1%）而经常被使用，但半导体电路、工艺和封装的进步已将它们带入新的应用中。

更宽的容差和更低成本的电压基准（1% 和 2%）打开了它们在以前从未考虑过的应用中的使用，在这些应用中我们可能会使用齐纳二极管或稳压器。使用电压基准代替齐纳二极管是为了提高效率和简单性。

如图 3 所示，当 Iz 仅为 50µA 时，参考电压两端的电压得到很好的调节。图 3 显示了德州仪器 (TI) LM4040 在 25°C 下的特性，但数据表显示在 -40°C 至 +125°C 的环境温度范围内偏置远低于 100µA 时具有出色的电压精度（这是扩展 Q-级温度版本；正常工业温度范围为 -40°C 至 +85°C）。一些参考电压以更低的电流运行，例如 ATL431 和 LM385。

图 3：TI LM4040 2.5V 电压基准

使用与上述相同的 12V 示例，Iz 为 75μA 而不是 5mA，我们可以使用 126kΩ 电阻器并保持更准确的电压。使用 126kΩ 电阻器还可以使电阻器的功率损耗低于 1mW，远低于使用齐纳二极管时的 47mW 损耗。当然，当向负载提供电流时，我们需要选择一个较低值的电阻器，以便在提供负载电流的同时保持所需的 Iz，以便在负载变化时进行调节。如图 4 所示，只需计算通过分流电阻器 (Rs) 的电流，其中 Ir = Iz + Iload，然后使用欧姆定律确定分流电阻器 (Rs) 的大小，R = (Vs-Vz)/Ir。确保使用最坏情况下的负载电流，并在选择此电阻时考虑容差。

图 4：计算 Rs 以适应最坏情况的负载电流，同时保持最小的 Iz

通过使用 TI 的 2% LM4040E 等宽容差电压基准，我们可以以低于典型稳压器的价格实现优于大多数稳压器的稳压电压，并且与齐纳二极管相当。这些器件还提供小型 SC70 封装。将电压基准用于电压调节应用的一个优势是它们能够在非常大的电压范围内工作；电压参考不关心电压，只关心电流。通过根据输入电压范围和输出电流选择正确的分流电阻值，我们可以使用简单的解决方案支持非常宽的范围。

图 5 是使用 LM4040 从 22-25V 输入开发低电流 5V 轨以将 5V 输入偏置到 USB 控制器 IC 的示例，在最坏情况下仅需 100μA。选择的电阻值考虑了未显示负载的额外偏置电流。此应用程序可以使用 LM4040-N 器件的低成本 2% E 版本。如我们所见，使用0402无源元件时电路非常简单和小巧。

图 5：用于开发 5V 的 LM4040 电压基准

因为我们需要更高的电流，分流电阻器需要更大，以消散由压降引起的热损耗。通过大多数电压基准的最大电流在 10mA 到 30mA 的数量级，这限制了应用。

对于更高的电流，我们可以使用带有偏置电阻器和附加晶体管的相同电压参考，以提供必要的输入到输出压降。直接从电压基准偏置的 p 沟道 FET 晶体管可以提供更高的电流，但输出电压 (Vout) 将随负载电流变化，作为 FET 的 R DS(on)特性的函数。通过添加误差放大器（单个轨到轨运算放大器工作良好），图 6 中所示的电路检测 Vout 并将其与参考电压进行比较，以在负载电流和温度的各种变化下提供良好调节的电压。

图 6：电压参考是所有稳压器电路的核心

去掉 R2（并短接 R1），图 6 中所示的电路将提供一个非常良好的稳压电压，等于参考电压的电压。分压器 R1 和 R2 提供了一种将输出调整为大于或等于参考电压的任何电压的方法。

电压基准是几乎所有集成稳压器的核心。我们可能会问，如果这么简单，为什么还要使用集成稳压器呢？一个原因是电压调节器还包括用于监控和限制负载电流的电路，并监控温度以在故障情况下保护设备和负载。尽管设计人员可以并且确实可以设计基于分立参考电压的稳压器，但使用当今可用的众多集成稳压器之一通常更实用且更具成本效益。

因此，下次我们需要低电流轨电压时，请考虑使用电压基准。

顺便提一下，线性和开关模式电压调节器也取得了重大的技术进步。在尝试开发 5V（或更高）电压轨的低电流电压时，德州仪器最近发布了一系列成本优化的小型解决方案尺寸线性稳压器。图 7 中所示的新型TLV702稳压器支持高达 5.5V 的输入，并提供多种电压选项、一个关断引脚，并且该系列采用非常小的封装。

图 7：TLV70 稳压器系列为基于齐纳二极管的并联稳压器提供了另一种经济高效的替代方案

从开关模式调节器的角度来看，该行业在低电流和高电流调节器解决方案方面也取得了重大进展。独立的切换器模块取得了很大进步，其中包括所有必要的磁性元件，非常适合创建低压轨。这些小模块还具有比传统分立解决方案更低 EMI 的优势，主要基于独立高速开关节点之间的低阻抗连接。最近，基于它们的易用性和基于规模经济的降低成本，它们在当地铁路发电中非常受欢迎。

的TPS8208X 降压调节器是非常小的（3.0毫米X2.8毫米）并产生紧密调节的电压与输出电流高达3A。对于高达 36VDC 的输入电压，请考虑LMZM23601。这种小型 3.8mm X 3.0mm 模块可以产生电流高达 1A 的低电压轨，并且提供更高电流版本。

为特定应用选择最佳功率调节解决方案总是需要时间和精力，而如今可用的解决方案比以往任何时候都多。在这里，我们描述了一些明显的和一些不那么明显的设计选项，每个选项都有特定的微妙但通常是关键的优势，这些优势因系统应用而异。