串聯型或并聯型電壓基準的選擇

本文介紹了不同類型電壓基準芯片的選擇，提供了選擇串聯型和并聯型電壓基準時需要考慮的幾項指標。

串聯型電壓基準

串聯型電壓基準具有三個端子：V_IN、V_OUT和GND，類似于線性穩壓器，但其輸出電流較低、具有非常高的精度。串聯型電壓基準從結構上看與負載串聯(圖1)，可以當作一個位于V_IN和V_OUT端之間的壓控電阻。通過調整其內部電阻，使V_IN值與內部電阻的壓降之差(等于V_OUT端的基準電壓)保持穩定。因為電流是產生壓降所必需的，因此器件需汲取少量的靜態電流以確保空載時的穩壓。串聯型電壓基準具有以下特點：

• 電源電壓(V_CC)必須足夠高，保證在內部電阻上產生足夠的壓降，但電壓過高時會損壞器件。
• 器件及其封裝必須能夠耗散串聯調整管的功率。
• 空載時，唯一的功耗是電壓基準的靜態電流。
• 相對于并聯型電壓基準，串聯型電壓基準通常具有更好的初始誤差和溫度系數。

圖1. 三端串聯型電壓基準框圖

串聯型基準設計

串聯型電壓基準的設計相當簡便，只需確保輸入電壓和功耗在IC規定的最大值以內：

P_SER = (V_SUP - V_REF)IL + (V_SUP × I_Q)

對于串聯型電壓基準，最大功耗出現在最高輸入電壓、負載最重的情況下：

WC_P_SER = (V_MAX - V_REF)IL_MAX + (V_MAX x I_Q)

其中：

P_SER = 串聯型基準的功耗
V_SUP = 電源電壓
V_REF = 基準電壓輸出
IL = 負載電流
I_Q = 電壓基準的靜態電流
WC_P_SER = 最大功耗
V_MAX = 最大電源電壓
IL_MAX = 最大負載電流

并聯型電壓基準

并聯型電壓基準有兩個端子：OUT和GND。它在原理上和穩壓二極管很相似，但具有更好的穩壓特性，類似于穩壓二極管，它需要外部電阻并且和與負載并聯工作(圖2)。并聯型電壓基準可以當作一個連接在OUT和GND之間的壓控電流源，通過調整內部電流，使電源電壓與電阻R1的壓降之差(等于OUT端的基準電壓)保持穩定。換一種說法，并聯型電壓基準通過使負載電流與流過電壓基準的電流之和保持不變，來維持OUT端電壓的恒定。并聯型基準具有以下特點：

• 選擇適當的R1保證符合功率要求，并聯型電壓基準對最高電源電壓沒有限制。
• 電源提供的最大電流與負載無關，流經負載和基準的電源電流需在電阻R1上產生適當的壓降，以保持OUT電壓恒定。
• 作為簡單的2端器件，并聯型電壓基準可配置成一些新穎的電路，例如負電壓穩壓器、浮地穩壓器、削波電路以及限幅電路。
• 相對于串聯型電壓基準，并聯型電壓基準通常具有更低的工作電流。

圖2. 2端并聯型電壓基準框圖

并聯型基準設計

并聯型電壓基準的設計稍微有些難度，必須計算外部電阻值。該數值(R1)需要保證由電壓基準和負載電流產生的壓降等于電源電壓與基準電壓的差值。采用最低輸入電源電壓和最大負載電流計算R1，以確保電路能在最壞情況下正常工作。下列等式用于計算R1的數值和功耗，以及并聯型電壓基準的功耗(圖3)。

R1 = (V_MIN - V_REF)/(I_MO + IL_MAX)

R1上的電流和功耗僅與電源電壓有關，負載電流對此沒有影響，因為負載電流與電壓基準的電流之和為固定值：

I_R1 = (V_SUP - V_REF)/R1
P_R1 = (V_SUP - V_REF)2/R1
P_SHNT = V_REF(I_MO + I_R1 - IL)

最差工作條件發生在輸入電壓最大、輸出空載時：

WC_I_R1 = (V_MAX - V_REF)/R1
WC_P_R1 = (V_MAX - V_REF)2/R1
WC_P_SHNT = V_REF(I_MO + WC_I_R1)
或
WC_P_SHNT = V_REF(I_MO + (V_MAX - V_REF)/R1)

其中：

R1 = 外部電阻
I_R1 = R1的電流
P_R1 = R1的功耗
P_SHNT = 電壓基準的功耗
V_MIN = 最低電源電壓
V_MAX = 最高電源電壓
V_REF = 基準輸出
I_MO = 電壓基準最小工作電流
IL_MAX = 最大負載電流
WC_I_ R1 = 最差情況下R1的電流
WC_P_R1 = 最差情況下R1的功耗
WC_P_SHNT = 最差情況下并聯電壓基準的功耗


圖3. 并聯型電壓基準調整電流(I_MO)以產生穩定的V_REF

選擇電壓基準

理解了串聯型和并聯型電壓基準的差異，即可根據具體應用選擇最合適的器件。為了得到最合適的器件，最好同時考慮串聯型和并聯型基準。在具體計算兩種類型的參數后，即可確定器件類型，這里提供一些經驗方法：

• 如果需要高于0.1%的初始精度和25ppm的溫度系數，一般應該選擇串聯型電壓基準。
• 如果要求獲得最低的工作電流，則選擇并聯型電壓基準。
• 并聯型電壓基準在較寬電源電壓或大動態負載條件下使用時必須倍加小心。請務必計算耗散功率的期望值，它可能大大高于具有相同性能的串聯型電壓基準(請參考以下范例)。
• 對于電源電壓高于40V的應用，并聯型電壓基準可能是唯一的選擇。
• 構建負電壓穩壓器、浮地穩壓器、削波電路或限幅電路時，一般考慮并聯型電壓基準。

例1：低電壓、固定負載

在這個便攜式應用中，最關鍵的參數是功耗。以下為相應的技術指標：

V_MAX = 3.6V
V_MIN = 3.0V
V_REF = 2.5V
IL_MAX = 1μA

我們把范圍縮小到兩個器件：

串聯型電壓基準MAX6029

I_Q = 5.75μA
WC_P_SER = (V_MAX - V_REF)IL_MAX + (V_MAX × I_Q)
WC_P_SER = (3.6V - 2.5V)1μA + (3.6V × 5.75μA) = 21.8μW

該串聯型基準是電路中唯一消耗功率的器件，因此，在最差工作條件下的總功耗為21.8μW。

并聯型電壓基準MAX6008

I_MO = 1μA
R1 = (V_MIN - V_REF)/(I_MO + IL_MAX)
R1 = (3.0V - 2.5V)/(1μA + 1μA) = 250kΩ
WC_I_R1 = (V_MAX - V_REF)/R1
WC_I_R1 = (3.6V - 2.5V)/250kΩ = 4.4μA
WC_P_R1 = (V_MAX - V_REF)2/R1
WC_P_R1 = (3.6V - 2.5V)2/250kΩ = 4.84μW
WC_P_SHNT = V_REF(I_MO + (V_MAX - V_REF)/R1)
WC_P_SHNT = 2.5V(1μA + (3.6V - 2.5V)/250kΩ) = 13.5μW

最差工作條件下的總功耗是R1的功耗(WC_P_R1)與并聯基準功耗(WC_P_SHNT)的和，因此，總功耗為18.3μW。

該應用中最合適的器件應該是并聯型電壓基準MAX6008，其功率損耗為18.3μW (而MAX6029的功耗為21.8μW)。該實例說明電源電壓變化對設計的影響較大。最初，并聯型電壓基準的1μA最小工作電流具有極大優勢，但是為了確保能在最差工作條件下工作，其工作電流被迫增加至4.4μA。若電源電壓的變化范圍比本例中的要求(3.0V至3.6V)更寬一些，都會優先考慮使用串聯型電壓基準。

例2：低電壓、變化的負載

本例類似于例1，但技術指標有一些小的改變。與1μA固定負載不同，本例中的負載周期性地吸收電流，在99ms的時間內吸收電流為1μA，1ms的時間內吸收電流為1mA：

V_MAX = 3.6V
V_MIN = 3.0V
V_REF = 2.5V
IL_MAX = 1mA (1%的時間)
IL_MIN = 1μA (99%的時間)

我們考慮同樣的兩種器件：

串聯型電壓基準MAX6029

I_Q = 5.75μA
WC_P_SER = (V_MAX - V_REF)IL_MAX + (V_MAX × I_Q)
WC_P_SER (1mA IL) = (3.6V - 2.5V)1mA + (3.6V × 5.75μA)
= 1.12mW (1%的時間)
WC_P_SER (1μA IL) = (3.6V - 2.5V)1μA + (3.6V x 5.75μA)
= 21.8μW (99%的時間)

平均功耗 = 1.12mW × 1% + 21.8μW × 99% = 32.78μW

并聯型電壓基準MAX6008

I_MO = 1μA
R1 = (V_MIN - V_REF)/(I_MO + IL_MAX)
R1 = (3.0V - 2.5V)/(1μA + 1mA) = 499Ω

對于I_LOAD = 1mA：
WC_P_R1 = (V_MAX - V_REF)2/R1
WC_P_R1 = (3.6V - 2.5V)2/499Ω = 2.42mW (1%的時間)
P_SHNT = V_REF(I_MO + I_R1 - IL)
P_SHNT = 2.5V(1μA + 1mA - 1mA) = 2.5μW (1%的時間內)

對于I_LOAD = 1μA：
WC_P_R1 = (V_MAX - V_REF)2/R1
WC_P_R1 = (3.6V - 2.5V)2/499Ω = 2.42mW (99%的時間內)
P_SHNT = V_REF(I_MO + I_R1 - IL)
P_SHNT = 2.5V(1μA + 1mA - 1μA) = 2.5mW (99%的時間內)

平均功耗 = 2.42mW × 1% + 2.5μW ×1% + 2.42mW × 99% + 2.5mW × 99% = 4.895mW。

從上述實例可以看出：并聯型電壓基準的功耗超過了串聯型電壓基準的100倍。對于負載電流變化范圍較寬的應用，串聯型電壓基準是更好的選擇。