TSM101/A電壓與電流控制器：特性、應用及設計攻略

一、引言

在電子工程師的日常設計工作中，精確的電壓和電流控制是實現各種電路功能的關鍵。TSM101/A 作為一款功能強大的集成電路，為電源管理和電池充電等應用提供了理想的解決方案。今天就帶大家深入了解這款器件的特性、應用以及設計要點。

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二、TSM101/A 概述

2.1 主要特性

• 高精度電壓基準：TSM101A 具備 1.24V 系列電壓基準，輸出電流可達 10mA，精度高達 1%，能為電路提供穩定可靠的參考電壓。
• 雙運算放大器：擁有兩個帶或輸出的運算放大器，增益帶寬積為 1MHz，可靈活應用于各種信號處理和比較電路中。
• 內置電流發生器：具備使能/禁用功能，能夠根據實際需求調整電流限制，為電源保護和控制提供了便利。
• 寬電源電壓范圍：支持 4.5 至 32V 的電源電壓，適用于多種不同的電源環境。
• 多種封裝形式：提供 SO8 和 DIP8 封裝，方便不同電路板的布局和安裝。

2.2 工作原理

TSM101/TSM101A 集成電路將高穩定性的串聯帶隙電壓基準、兩個或連接的運算放大器和一個電流源集成在一起。它會將開關電源輸出的直流電壓和電流水平與內部參考值進行比較，然后通過光耦合器向初級側的 PWM 控制器集成電路提供反饋，實現對輸出電壓和電流的精確控制。同時，受控電流發生器可通過補償來自電流檢測電阻的信息來修改電流限制水平。

三、應用領域

3.1 電池充電器

這款電路專為具有恒壓和有限輸出電流的電池充電器而設計。它能夠精確控制充電電壓和電流，確保電池安全、高效地充電。比如在常見的鎳鎘電池充電器中，就可以發揮其高精度的電壓和電流控制優勢。

3.2 精密電壓調節和電流限制應用

在各種需要高精度電壓調節和電流限制的應用中，TSM101/A 都能大顯身手，如電壓監控器、過壓保護電路等。

四、電氣特性分析

4.1 絕對最大額定值

在使用 TSM101/A 時，一定要注意其絕對最大額定值，如直流電源電壓 (V{CC}) 最大為 36V，輸出電流 (I{out}) 最大為 20mA 等。超出這些額定值可能會導致器件損壞，影響電路的正常工作。你在實際設計中，有沒有因為忽略額定值而遇到過問題呢？

4.2 工作條件

其工作電源電壓范圍為 4.5 至 32V，不同的環境溫度范圍對應不同的型號，如 TSM101C/AC 適用于 -20°C 至 +80°C 的環境，TSM101I/AI 適用于 -40°C 至 +105°C 的環境。選擇合適的型號對于保證電路在不同環境下的穩定性至關重要。

4.3 電氣特性參數

• 運算放大器：在 (T{amb}=25^{circ} C) ， (V{CC}=15 ~V) 的條件下，輸入電壓范圍為 0 至 (V_{CC}- 1.5V)，輸入失調電壓在不同溫度下有一定的波動范圍等。這些參數直接影響著運算放大器的性能和應用效果。
• 電壓基準：不同型號的 TSM101 和 TSM101A 在參考電壓、溫度穩定性、負載調節和線路調節等方面有具體的參數要求。例如 TSM101A 的參考電壓在 (I{out}=1mA) ， (T{amb}=25^{circ} C) 時，典型值為 1.24V，最小值為 1.227V，最大值為 1.252V。
• 電流發生器：能產生典型值為 1.4mA 的電流，具有一定的溫度穩定性和線路調節特性。通過控制使能引腳的電壓，可以實現電流源的開啟和關閉。

五、引腳功能詳解

TSM101/A 共有 8 個引腳，每個引腳都有其特定的功能：

• Vref（引腳 1）：電壓基準輸出引腳，提供 1.24V 的參考電壓，最大輸出電流為 10mA，使用時切勿短路。
• Vrin（引腳 7）：電壓調節環路輸入引腳，用于輸入需要調節的電壓信號。
• Crin（引腳 5）：電流限制環路輸入引腳，連接到檢測電阻，用于檢測電流大小。
• Crref（引腳 3）：電流限制參考輸入引腳，設置電流限制的參考值。
• Csen（引腳 2）：電流源使能輸入引腳，當該引腳的輸入電壓低于 0.8V 時，電流源開啟，可用于補償檢測電阻上的電壓測量值，從而修改充電電流。
• OUTPUT（引腳 6）：電壓調節和電流限制環路的公共輸出引腳，可驅動光耦合器的初級側（LED）。
• Vcc（引腳 8）：電源輸入引腳，輸入 4.5 至 32V 的直流電源。
• GND（引腳 4）：接地引腳，為電路提供參考電位。

六、應用實例 - 電池充電器設計

6.1 整體方案

以一個 12V 鎳鎘電池充電器為例，說明如何使用 TSM101 與開關模式電源（SMPS）結合實現電池充電功能。TSM101 的主要作用是對 SMPS 的輸出電流進行精細調節，并實現精確的電壓限制。

6.2 工作原理

• 電流調節環路：通過檢測低阻值電阻 R5 兩端的電壓，并將其與由 R2 和 R3 組成的電橋設定的固定值進行比較。當 R5 上的電壓高于 R3 上的電壓時，電流環路運算放大器的輸出降低，光耦合器電流增加，通過 PWM 控制器降低輸出電壓。
• 電壓調節環路：將輸出電壓的一部分（通過電阻橋 R6、R7 和 P1 分壓）與 1.24V 的電壓基準進行比較。如果該部分電壓高于 1.24V，電壓環路運算放大器的輸出降低，同樣通過光耦合器和 PWM 控制器降低輸出電壓。
• 電流源補償：通過使能 TSM101 的電流源（引腳 2），可以用一個等于 (R4 * I{0})（ (I{0}=1.4 ~mA) ）的電壓來補償電流檢測值，從而降低輸出充電電流，可用于對不同容量的電池進行充電。

  6.3 元件計算

• 電壓限制：根據公式 (V{out }=frac{R 6 + R 7}{R 6} × V{r}) 和 (R 6=left(frac{ Vref }{ Vout - Vref }right) × R 7) 計算電阻 R6 和 R7 的值。例如在應用板上， (R 7 = 12 kOmega) ， (R 6 = 1 kOmega) ， (P1 = 220 Omega) 。
• 電流調節：電流調節有效時，R5 上的電壓降等于 TSM101 引腳 5 上的電壓。對于中等電流（<1A），R5 上 200mV 的電壓降是一個合適的值。例如選擇 (R5 = 0.285 Omega) （四個 1.2Ω 電阻并聯）。同時，根據公式 (R 2 = R 3 timesleft(frac{V r e f - V r 5}{V r 5}right)) 選擇 R2 和 R3 的值。
• 充電控制：當引腳 2 懸空時，充電電流為標稱值 700mA；當引腳 2 接地時，內部電流源開啟，可降低充電電流。在示例中，電流偏移為 500mA，對應 R4 上的電壓偏移為 140mV，選擇 (R4 = 100 Omega) 。

6.4 電路改進

• 高頻補償：使用兩個 R - C 器件（R9 + C2 和 R10 + C3）來穩定高頻調節，電容 C2 和 C3 的估算值為 100nF。
• 電源供應：在低電壓電池充電或充電器處于電流調節模式時，輸出電壓可能不足以正確為 TSM101 供電。可以在變壓器的次級側添加一個輔助繞組，為 TSM101 提供近似恒定的電源電壓。
• 高精度電壓控制：在需要最高精度電壓控制的應用中，可采用特定的連接原理圖，定義 0V 參考點，同時需要使用 TSM101A（內部電壓參考精度為 1%）。
• 不同充電階段的電流控制：通過添加一個雙比較器（如 LM393），可以根據電池的充電階段調整充電電流。例如在正常充電條件下，充電電流固定為 800mA；當電池電壓低于 2.5V 時，充電電流降低到 200mA，以優化電池壽命。

七、評估板使用

TSM101 評估板可作為電壓和電流控制器，適用于任何電源或電池充電器（SMPS 或線性）。使用時，將評估板的“IN +”和“IN -”電源輸入直接連接到電源次級的電源線，“Vcc”輸入連接到輔助電源線。在 SMPS 電源中，“Reg”輸出連接到光耦合器輸入以調節初級側的 PWM 塊；在線性電源中，“Reg”輸出連接到達林頓管的基極以調節功率輸出。同時，需要根據實際需求選擇合適的元件參數，如通過選擇電阻橋 R6/R7 來控制電壓，選擇檢測電阻 R5 來控制電流等。文中還給出了一些具體的元件列表示例，可根據不同的電壓和電流控制要求進行選擇。

八、結語

TSM101/A 集成電路憑借其高精度的電壓和電流控制能力、豐富的功能以及靈活的應用特性，為電子工程師在電源管理和電池充電等領域的設計提供了有力的支持。通過深入了解其特性、工作原理和應用設計方法，我們可以充分發揮其優勢，設計出更加穩定、高效的電路。你在使用 TSM101/A 進行設計的過程中，有沒有遇到一些獨特的問題或者有什么好的經驗分享呢？歡迎在評論區留言交流。