采用ICL8211和ICL8212的電源

摘要：ICL8211和ICL8212是微功率的雙極性單片集成電路，主要用于精密電壓檢測(cè)和精密電壓產(chǎn)生。這兩種集成電路分別由精密基準(zhǔn)電壓、比較器和一對(duì)輸出緩沖/驅(qū)動(dòng)器組成。

1引言

　　當(dāng)加至ICL8211預(yù)置門(mén)限輸入端（THRESHOLD）的電壓低于1.15V時(shí)，它具有7mA的輸出限流功能。圖1是ICL8211的功能框圖。

　　當(dāng)輸入ICL8212預(yù)置端電壓大于1.15V時(shí)，它為一飽和晶體管輸出（無(wú)限流）。圖2是ICL8212工作框圖。

這兩個(gè)電路，當(dāng)預(yù)置輸入端電壓大于1.15V時(shí)，輸出級(jí)飽和，并具有可控低電流回差。

　　ICL8211和ICL8212可用于不同輸出電壓檔次的應(yīng)用場(chǎng)合，并可用作溫度監(jiān)測(cè)元件。

　　ICL8211/ICL8212也可用于各種電壓檢測(cè)、電源故障檢測(cè)、穩(wěn)壓器、可編程基準(zhǔn)電壓和恒流源等應(yīng)用場(chǎng)合。下面主要討論ICL8211/ICL8212在各種電源電路中的應(yīng)用。其主要優(yōu)點(diǎn)是可使電源在很低的電壓和電流下工作，而普通的標(biāo)準(zhǔn)電源又不能適應(yīng)這些工作場(chǎng)合。同時(shí)，由于ICL8211/ICL8212的獨(dú)特特性，使得它們?cè)谠S多輔助電路，如電流源、過(guò)壓保護(hù)、可編程基準(zhǔn)電壓源和電源故障保護(hù)應(yīng)用中非常有用。

圖1ICL8211功能框圖

圖2ICL8212工作框圖

2正極性輸出穩(wěn)壓電源

　　采用ICL8211/ICL8212可以設(shè)計(jì)一系列低電壓輸入、低壓差輸出的穩(wěn)定電源。這在低功耗的電路板上低輸入輸出電壓應(yīng)用場(chǎng)合特別有用。

　　圖3所示的ICL8211具有提供基準(zhǔn)參考電壓和

采用V1作為輸出擴(kuò)展功能。電阻R1決定ICL8211的輸出電流，C1、C2用以使電路穩(wěn)定工作，并可起抑制輸入到輸出的瞬態(tài)變化。R2、R3用以決定輸出電壓Vout。

圖3采用PNP管擴(kuò)展輸入的正極性輸出穩(wěn)壓電源

圖4采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管加大輸入電壓范圍電路

圖5采用NPN和PNP管擴(kuò)展輸入電壓

圖6采用晶閘管擴(kuò)展的正極性穩(wěn)壓器

Vout=1.15(R2＋R3)/R3

　　同時(shí)，R2、R3為V1提供一個(gè)小維持電流，以確保電路穩(wěn)定工作。當(dāng)輸出電壓可調(diào)時(shí)，可將R2或R3改為可變電阻。當(dāng)R2可變時(shí)，輸出電壓隨R2轉(zhuǎn)動(dòng)角度呈線性變化。但是當(dāng)R2開(kāi)路時(shí)，輸出電壓將上升。所以，一般使R3為可調(diào)，這樣可使電路輸出不致于由于R3斷開(kāi)而使輸出電壓上升，從而達(dá)到保護(hù)作用。

　　V1的選擇取決于輸出的需要。ICL8211在最差的情況下，它的最大輸出電流為4mA，所以選適當(dāng)?shù)腣1，它可輸出50mA電流，并使輸入/輸出間壓降為0.5V。如果要使輸出電流更大，V1可采用復(fù)合管，但電源的輸入/輸出電壓差將增加。

　　需注意的是，電路中的V1具有反相作用，所以使用時(shí)，應(yīng)使用ICL8211的同相輸出端，以確保電路具有負(fù)反饋?zhàn)饔谩?/P>

　　應(yīng)注意圖3在實(shí)際使用時(shí)，ICL8211的最大工作電壓為30V。采用圖4所示電路，可使供電電壓更高。

　　這個(gè)電路中，輸入電壓的最大值取決于V1的額定值，輸入/輸出電壓降取決于V1管的內(nèi)阻RDS（on）。例如V1選用IN4391時(shí)，電路的最大輸出電流IDSS（max）=50mA，則輸入/輸出壓差為：

RDS（on）×ILOAD=30Ω×50mA=1.5V　　當(dāng)負(fù)載電流變小時(shí)，相應(yīng)的輸入/輸出壓差將更小。

　　如采用場(chǎng)效應(yīng)管擴(kuò)展輸入電壓范圍，應(yīng)使場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)斷電壓值必須低于輸出電壓，以便于ICL8212能在空載時(shí)使它的V1柵極電壓足夠低，確保電路關(guān)斷。

　　電路的時(shí)間常數(shù)主要取決于R2×C1。這個(gè)時(shí)間常數(shù)值應(yīng)足夠小，以保證電路的瞬態(tài)響應(yīng)特性和電路工作穩(wěn)定性。電容C2的取值和輸出電壓保持時(shí)間有關(guān)。然而由于ICL8212的寬頻帶和場(chǎng)效應(yīng)管的快速特性，所以以上限制并非十分嚴(yán)格。

　　當(dāng)電路的輸出電流要求更大時(shí)，可采用雙極型晶體管進(jìn)一步擴(kuò)展輸出電流。當(dāng)使用中既需要擴(kuò)展輸入電壓范圍又需降低輸入/輸出壓差時(shí)，可采用圖5所示電路。

　　這個(gè)電路除V1工作在共基極狀態(tài)用以緩沖由于輸入電壓變化對(duì)ICL8211輸出的影響，R1、D1用以保護(hù)ICL8211。在這個(gè)電路中，ICL8211不能由穩(wěn)壓后的電壓供電。否則，電路無(wú)法自起動(dòng)。R2、R3、R4、C1和C2的選擇同圖3。D1的工作電壓值需等于或稍大于輸出電壓值。R1為ICL8211提供工作電流。起動(dòng)電路的另一種變通是用R5和D2取代D1。在這種情況下，R1、R5的選擇原則是一旦電源穩(wěn)定工作后，ICL8211通過(guò)D2供電。

　　圖5所示電路中，V1和V2用典型的SCR或晶閘管的方式連接。圖6的電路使用元器件數(shù)量少，并且輸入電壓較高。晶閘管工作在線性狀態(tài)，陰極控制門(mén)極輸出。

　　注意，圖4所示電路的輸出電流主要取決于IDSS。一般而言，不要在回路中串聯(lián)電流取樣元件。當(dāng)電源直接安裝在電路主板上時(shí)，輸出短路的可能性不大，所以輸出過(guò)流保護(hù)不是十分必要。即使需保護(hù)電路，添加也十分方便。圖7是在圖3上加了最簡(jiǎn)單的恒流保護(hù)功能的電路圖。

圖7具有限流功能的PNP擴(kuò)展電壓、電流的正極性輸出電路

圖8結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管擴(kuò)流的負(fù)極性輸出穩(wěn)壓電源

圖9采用NPN、PNP管擴(kuò)展輸出的負(fù)極性輸出穩(wěn)壓電路

圖10采用NPN、PNP管擴(kuò)展輸出的負(fù)極性輸出限流電路

　　圖中的電流限定值由電阻R2決定。

3負(fù)極性輸出穩(wěn)壓器

　　按圖4所示電路可以很方便地構(gòu)造一個(gè)負(fù)輸出電壓的穩(wěn)壓電源。當(dāng)然這時(shí)的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)選用P溝道型，其余的選擇原則同圖4。當(dāng)需要進(jìn)一步擴(kuò)展輸出電流時(shí)，可再加一只NPN型的擴(kuò)流三極管V2。然而由于NPN晶體管的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)將降低環(huán)路帶寬。所以應(yīng)加大R2或C1來(lái)保護(hù)電路工作穩(wěn)定性。注意在圖8中，使用的是ICL8211而不是ICL8212，這樣可確保反饋信號(hào)極性正確，保證電路工作在負(fù)反饋狀態(tài)。

　　圖9是圖5、圖6的等效電路。電路中，R1、R2和D1用以確保電路自起動(dòng)。R1、R2的取值應(yīng)確保V1的基極電壓足夠（－1V），以保證在最低輸出電壓情況下電路起動(dòng)，但是一旦電路工作后，即使在最大輸出電壓情況下，D1必須保持導(dǎo)通，否則，ICL8212的輸出電位不足以低，以致在空載時(shí)關(guān)斷V2。這樣當(dāng)最低輸入電壓－4V輸出電壓－3V的情況下，R1/(R1＋R2)應(yīng)為1/4,當(dāng)最大輸入為－12V時(shí)，可使V1的基極不低于－3V。不受這種條件限制的另一種變通情況是將R1用一只穩(wěn)壓二極管代替，并同時(shí)減小R2的取值和不用二極管D1。

　　在這種情況下的唯一限制就是穩(wěn)壓二極管的電壓值應(yīng)低于或等于穩(wěn)壓電路的輸出電壓值。

　　在圖9所示電路中，在最大負(fù)載條件下，R3的取值應(yīng)使通過(guò)V1給V2提供足夠的基極驅(qū)動(dòng)電流。通過(guò)R3的最大電流值為12mA，為最差工作條件下ICL8212的輸出電流。

　　利用圖7所示的類似方法可在圖9所示電路中實(shí)現(xiàn)輸出限流。在這種情況下，通過(guò)R3為V2基極提供基極電流，從而確保電路完成限流功能。

4可編程電源電路和輔助電源電路

　　圖11為采用ICL8212做可編程基準(zhǔn)電源電路。適當(dāng)選用R2值，基準(zhǔn)電壓變化范圍為2V～30V，基準(zhǔn)電壓值由下式?jīng)Q定：

VZ=1.15×（R1＋R2）/R1　　由于在ICL8212中沒(méi)有內(nèi)部補(bǔ)償，圖11中的電容C1用來(lái)確保電路穩(wěn)定工作是必不可少的。值得注意的兩點(diǎn)是：在300μA～12mA的工作電流范圍，極低的轉(zhuǎn)折電流（低于300μA）和低的動(dòng)態(tài)阻抗（典型值4Ω～7Ω）。

圖11可編程基準(zhǔn)電源

圖12恒流源

圖13可編程電流源

圖14標(biāo)準(zhǔn)限流電路

圖15限流措施的改進(jìn)

　　圖12所示電路表示如何利用ICL8211/ICL8212構(gòu)成恒流源。主要應(yīng)用于在電源設(shè)計(jì)中為差分放大器提供射極電流。更有用的應(yīng)用是圖13所示的可編程電流源。

　　在這種情況下輸出電流可由下式?jīng)Q定：

IO=25μA＋VBE/R1＋1.15/R2(1＋β)

　　式中β表示V1的放大倍數(shù)，VBE表示發(fā)射極—基極電壓。這個(gè)電流值和實(shí)際值有偏差是由于β值隨V1集電極電壓變化的原因。在2V～30V的工作電壓范圍內(nèi)可編程電流范圍為300μA～50mA。這個(gè)電流可用作常用的串聯(lián)穩(wěn)壓源的工作電流。在這一些高穩(wěn)定應(yīng)用場(chǎng)合，可用這個(gè)恒流源作穩(wěn)壓管的供電電流。同時(shí)由于ICL8212中沒(méi)有補(bǔ)償，C1用作確保電路穩(wěn)定工作，并可在供電電壓發(fā)生變化或瞬態(tài)期間保證輸出電流恒定。

　　在簡(jiǎn)單串聯(lián)穩(wěn)壓電源中的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)流保護(hù)電路如圖14所示。

　　限流值由下式?jīng)Q定：

ICL=VBE(V3)/R2

　　這個(gè)電路的缺點(diǎn)是V3發(fā)射極—基極的溫度系數(shù)不理想，由于穩(wěn)流環(huán)的增益不高而致使穩(wěn)流、穩(wěn)壓瞬態(tài)特性不佳。

　　這種情況下的限流值由下式?jīng)Q定：

ICL=1.15V/R2

　　這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是較好地改善了限流電路的溫度系數(shù)。圖14的典型溫度系數(shù)為0.39％/℃，而圖15所示電路的溫度系數(shù)典型值為0.02％/℃。同時(shí)，由于ICL8212的較大的增益使得在限壓、限流的轉(zhuǎn)換特性很好。這個(gè)電路中的門(mén)限電壓范圍也較低，如需要精密調(diào)節(jié)門(mén)限值時(shí)，可以添加電阻R3、R4，具體做法如圖15所示。

　　這個(gè)電路的主要缺點(diǎn)是R2引起的額外500mV的壓降而影響電路的限流特性。同時(shí)由于低工作電壓和電源電流可使ICL8212直接由電源的基極驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)。

圖16高壓關(guān)斷電路

圖17撬桿式過(guò)壓保護(hù)電路

圖18撬桿過(guò)壓保護(hù)電路

圖19欠壓保護(hù)

　　對(duì)于電源中對(duì)高電壓瞬態(tài)特性敏感的負(fù)載，這個(gè)電路有保護(hù)作用。如果輸入電壓高于電阻R1、R2設(shè)定的門(mén)限電壓值，ICL8211在負(fù)載的瞬態(tài)期間可關(guān)斷V1，從而保護(hù)負(fù)載，如需要可通過(guò)設(shè)定R3來(lái)選擇適當(dāng)?shù)幕夭铍妷骸?/P>

　　過(guò)壓保護(hù)電路的典型應(yīng)用形式是晶閘管撬桿電路，在過(guò)壓情況下，它可以短路電源輸出。圖17所示電路，當(dāng)達(dá)到由R1、R2設(shè)定的門(mén)限電壓時(shí)，電路觸發(fā)晶閘管。極低的ICL8212靜態(tài)電流意味著可忽略在檢測(cè)期間R4上的壓降，所以精度很高，并且可靠觸發(fā)晶閘管。由于只要達(dá)到門(mén)限電壓值時(shí)，電路將提供負(fù)反饋，電阻R4上的電壓將上升，這樣通過(guò)第2引腳可提供回差電壓，這點(diǎn)可通過(guò)第2引腳的足夠正反饋來(lái)克服。電阻R3用以限制ICL8212的輸出電流到一個(gè)安全值，即20mA。為使電路正常工作，晶閘管的觸發(fā)電流不大于10mA，可采用圖18所示電路得到更大的晶閘管觸發(fā)電流。

　　在這種情況下，ICL8211使V1的基極電位保持低值，直至這個(gè)晶閘管被觸發(fā)。電路中通過(guò)R3的電流最大值為4mA，過(guò)大會(huì)超過(guò)ICL8211的輸出能力。這個(gè)電路中晶閘管的觸發(fā)電流范圍為50mA～100mA。

　　注意在以上兩個(gè)電路中要使撬桿保護(hù)電路工作電壓低至3V，只需單一電源供電即可。所以這種電路很適用于為邏輯電路供電，實(shí)際上為了使電路安全可靠工作，不希望使用輔助電源。

　　如果供電電壓低于由R1、R2決定的設(shè)定值時(shí)，V1關(guān)斷，完全切斷負(fù)載，致使電路不工作。需注意的是，當(dāng)斷開(kāi)負(fù)載瞬間會(huì)使輸出電壓上升并可能伴有振蕩現(xiàn)象。所以，利用電阻R3提供一個(gè)回差電壓，這個(gè)回差電壓應(yīng)大于滿載時(shí)穩(wěn)壓電源壓降。

　　圖16和圖19所示電路可接成如圖20所示的電路：電源電壓在一個(gè)指定范圍內(nèi)只接有一個(gè)負(fù)載。這種電路中，IC1用作過(guò)壓檢測(cè)而IC2用于欠壓檢測(cè)。同樣由電阻R3、R5可設(shè)定電路回差范圍。

　　在許多電路系統(tǒng)中，特別是采用微處理器的電路系統(tǒng)中，為保護(hù)系統(tǒng)正常工作，常需在整個(gè)系統(tǒng)供電發(fā)生故障前能使系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，從而使整個(gè)系統(tǒng)能先于電源故障關(guān)斷。在這種情況上僅用欠壓保護(hù)顯得不足。　　利用圖21所示電路可以在穩(wěn)壓電源的輸入端檢測(cè)電源的早期故障，電路中電容C1的容量應(yīng)足夠大，以確保系統(tǒng)在供電發(fā)生故障的情況下有足夠的時(shí)間對(duì)系統(tǒng)電路提供保護(hù)。電源的典型故障波形如圖22所示。

圖20具有窗口檢測(cè)功能的電源

圖21簡(jiǎn)單電源故障檢測(cè)系統(tǒng)

圖22簡(jiǎn)單電源故障保護(hù)電路波形

圖23改進(jìn)電源故障保護(hù)電路

圖24改進(jìn)電源故障保護(hù)電路波形

　　電路中如要使邏輯輸出“1”信號(hào)來(lái)完成關(guān)斷功能，則應(yīng)使用ICL8212做門(mén)限檢測(cè)器，如果使用邏輯輸出“0”信號(hào)來(lái)完成關(guān)斷功能，則應(yīng)選用ICL8211。ICL8212可驅(qū)動(dòng)7個(gè)TTL負(fù)載，而ICL8211只能驅(qū)動(dòng)2個(gè)TTL負(fù)載。

　　注意，在穩(wěn)壓電源的輸入端總是有紋波成分，當(dāng)電源輸入發(fā)生故障時(shí)需要一定的時(shí)間才能被檢測(cè)到，為了克服這種現(xiàn)象，可加大穩(wěn)壓電源的輸入電壓，但這又降低了電源的效率。

　　圖23所示電路中，在穩(wěn)壓二極管工作期間，通過(guò)R1為C2補(bǔ)充電荷，可使全波整流輸出電壓過(guò)零時(shí)使ICL8211或ICL8212的輸入高于門(mén)限電壓值。然而在電源發(fā)生故障的情況下，C2將通過(guò)R2放電至1.15V的門(mén)限電壓值，這時(shí)將使電源故障的邏輯信號(hào)輸出有效，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

　　這種工作方式的最差工作情況是在AC輸入的上升期間發(fā)生電源故障，但由于電路工作速度快，圖23所示電路在實(shí)施關(guān)斷保護(hù)功能的時(shí)間特性上是優(yōu)于圖21所示電路的。