串联型或并联型电压基准的选择策略

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  引言
  
  本文描述了电压基准芯片的主要类型(串联型或并联型),以及各自的优、缺点。在对可以利用的器件进行比较之前,首先要确定哪种类型最适合。
  
  串联型电压基准
  
  串联型电压基准具有三个端子:Vin、Vout和GND,类似于线性稳压器,但其输出电流较低、具有非常高的精度。串联型电压基准从结构上看与负载串联(见图1),可以当作一个位于Vin和Vout端之间的压控电阻。通过调整其内部电阻,使Vin值与内部电阻的压降之差(等于Vout端的基准电压)保持稳定。因为电流是产生压降所必需的,因此器件需汲取少量的静态电流以确保空载时的稳压。串联型电压基准具有以下特点:
  电源电压(Vcc)必须足够高,保证在内部电阻上产生足够的压降,但电压过高时会损坏器件。
  器件及其封装必须能够耗散串联
  
  调整管的功率。
  
  空载时,唯一一的功耗是电压基准的静态电流。
  相对于并联型电压基准,串联型电压基准通常具有更好的初始误差和温度系数。
  
  串联型基准设计
  
  串联型电压基准的设计相当简便,只需确保输入电压和功耗在芯片规定的最大值以内:
  P_SER=(Vsup Vref)IL+(Vsup xIq)。
  对于串联型电压基准,最大功耗出现在输入电压最高、负载最重的情况下:
  WC_P_SER=(Vmax Vref)lLmax+(VmaxxIq),此处
  P_SER=串联型基准的功耗
  Vsup=电源电压
  Vref=基准电压输出
  IL=负载电流
  Iq=电压基准的静态电流
  WC_P_SER=最大功耗
  Vmax=最大电源电压
  ILmax=最大负载电流
  
  并联型电压基准
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  并联型电压基准有两个端子:OUT和GND。它在原理上和稳压二极管很相似,但具有更好的稳压特性,类似于稳压二极管,它需要外部电阻并且和与负载并联工作(见图2)。并联型电压基准可以当作一个连接在OUT和GND之间的压控电流源,通过调整内部电流,使电源电压与电阻Rl的压降之差(等于OUT端的基准电压)保持稳定。换一种说法,并联型电压基准通过使负载电流与流过电压基准的电流之和保持不变,来维持OUT端电压的恒定。并联型基准具有以下特点:
  选择适当的Rl保证符合功率要求,并联型电压基准对最高电源电压没有限制。
  电源提供的最大电流与负载无关,流经负载和基准的电源电流需在电阻Rl上产生适当的压降,以保持OUT电压恒定。
  作为简单的2端器件,并联型电压基准可配置成一些新颖的电路,例如负电压稳压器、浮地稳压器、削波电路以及限幅电路。
  相对于串联型电压基准,并联型电压基准通常具有更低的工作电流。
  
  并联型基准设计
  
  并联型电压基准的设计稍微有些难度,必须计算外部电阻值。该数值(Rl)需要保证由电压基准和负载电流产生的压降等于电源电压与基准电压的差值。采用最低输入电源电压和最大负载电流计算Rl,以确保电路能在最坏情况下正常工作。下列等式用于计算Rl的数值和功耗,以及并联型电压基准的功耗(见图3)。
  Rl=(Vmin Vref)/(Imo+ILmax)
  Rl上的电流和功耗仅与电源电压有关,负载电流对此没有影响,因为负载电流与电压基准的电流之和为固定值:
  I_Rl=(Vsup Vref)/Rl
  P_R1=(Vsup Vref)2/Rl
  P_SHNT=Vref(I_Rl IL)
  最差工作条件发生在输入电压最大、输出空载时:
  WC_I_Rl=(Vmax Vref)/Rl
  WC_P_R1=(Vmax Vref)2/Rl
  WC_P_SHNT=Vref(Imo+WC_I_Rl),或
  WC_P_SHNT=Vref(Imo+(Vmax
  Vref)/R1),此处
  Rl=外部电阻
  I_Rl=Rl的电流
  P_Rl=Rl的功耗
  P_SHNT=电压基准的功耗
  Vmin=最低电源电压
  Vmax=最高电源电压
  Vref=基准输出
  Imo=电压基准最小工作电流
  ILmax=最大负载电流
  WC_I_Rl=最差情况下Rl的电流
  WC_P_Rl=最差情况下Rl的功耗
  WC_P_SHNT=最差情况下并联电压基准的功耗
  
  选择电压基准
  
  理解了串联型和并联型电压基准的差异,即可根据具体应用选择最合适的器件。在具体计算两种类型的参数后,即可确定器件类型,这里提供一些经验方法:
  如果需要高于0.1%的初始精度和25ppm的温度系数,一般应该选择串联型电压基准。
  如果要求获得最低的工作电流,则选择并联型电压基准。
  并联型电压基准在较宽电源电压或大动态负载条件下使用时必须倍加小心。请务必计算耗散功率的期望值,它可能大大高于具有相同性能的串联型电压基准。
  对于电源电压高于40V的应用,并联型电压基准可能是唯一的选择。
  构建负电压稳压器、浮地稳压器、削波电路或限幅电路时,一般考虑并联型电压基准。
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