如何為我們的電路設(shè)計(jì)合適的電壓基準(zhǔn)

你有沒(méi)有不得不在你最喜歡的兩種甜點(diǎn)之間挑選，然后想，“為什么我不能兩者都吃？” 好吧，在使用可編程電壓基準(zhǔn) (V REF )進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，工程師每天都會(huì)遇到同樣的事情。

工程師的一個(gè)非常普遍的目標(biāo)是提出具有一定功能的超低功耗設(shè)計(jì)：感應(yīng)溫度、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，甚至為我們提供我們喜歡的糖果。但是你知道嗎，為了實(shí)現(xiàn)低功耗操作，工程師也在放棄其他優(yōu)勢(shì)？為了實(shí)現(xiàn)低功耗，工程師通常必須使用 V REF進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提供非常低的電流，但在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)精度損失。這些工程師有沒(méi)有辦法得到他們的蛋糕并吃掉它？我想你知道答案。

首先，讓我們看一下我所說(shuō)的 V REF精度以及直接影響精度的條件。對(duì)于這個(gè)例子，我將使用常用的TL431來(lái)驅(qū)動(dòng)我的分析。

ATL431 和 ATL432 為三引腳可調(diào)節(jié)分流穩(wěn)壓器，在適用的汽車(chē)級(jí)、商業(yè)級(jí)和工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)均可滿(mǎn)足規(guī)定的熱穩(wěn)定性。 這兩款穩(wěn)壓器均可通過(guò)兩個(gè)外部電阻將輸出電壓設(shè)置為 Vref（約為 2.5V）至 36V 范圍內(nèi)的任意值。 其輸出阻抗典型值均為 0.05Ω。此類(lèi)器件的有源輸出電路具有出色的導(dǎo)通特性，因此成為了許多應(yīng)用中齊納二極管的絕佳替代產(chǎn)品，例如板載穩(wěn)壓器、可調(diào)節(jié)電源和開(kāi)關(guān)電源。

ATL43X 的陰極電流范圍相比其上一代產(chǎn)品 TL43X 有 20 倍以上的提升。 另外穩(wěn)定性也有所提高，可支持范圍更為寬泛的負(fù)載電容類(lèi)型和容值。

ATL431 和 ATL432 這兩款器件的功能完全相同，只是引腳分配和訂貨編號(hào)有所不同。 ATL43X 提供 A 和 B 兩個(gè)等級(jí)，25°C 溫度下的初始容差分別為 1% 和 0.5%。 此外，這兩款器件的輸出溫度漂移較低，可確保在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持出色的穩(wěn)定性。

ATL43xxI 器件的額定工作溫度范圍為 –40°C 至 85°C；ATL43xxQ 器件的額定工作溫度范圍為 –40°C 至 125°C。

如果我們有類(lèi)似于圖 1 的電路，我們可以設(shè)置 R1 和 R2 以根據(jù) V REF獲得所需的 V KA輸出。我們可以在本應(yīng)用筆記中找到有關(guān)如何執(zhí)行此操作的更多信息。

圖 1：電源電流限制器

V REF并不總是在其標(biāo)稱(chēng)值；事實(shí)上，它可以保證有一個(gè)基于設(shè)備運(yùn)行條件的偏移量。表 1 顯示了直接影響 V REF的規(guī)格表。

表 1：TL431 電氣規(guī)格

假設(shè) V KA = 5V 和陰極電流為 2mA，我們可以使用公式 1通過(guò)添加這些參數(shù) (典型值) 的集體效應(yīng)來(lái)計(jì)算有效VREF 。

  (1)

這告訴我們，對(duì)于 TL431，有效 V REF現(xiàn)在為 2.4899V，或 0.2% 的準(zhǔn)確度，這在普通情況下并沒(méi)有顯著差異。但是，一旦達(dá)到最大值（通常發(fā)生在高溫下），我們將獲得2.539V 的有效 VREF，即 1.78% 的準(zhǔn)確度。

這對(duì)我們的系統(tǒng)有何影響？

在模擬環(huán)境中，總電壓漂移可能是觸發(fā)運(yùn)算放大器的必要閾值，44.5mV 最大值/6mV 最小值偏移可能意味著調(diào)節(jié)和待機(jī)之間的差異，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。但是，當(dāng)我們考慮使用 TL431 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的參考時(shí)，這將成為一個(gè)更大的問(wèn)題。最低有效位 (LSB) 電壓取決于轉(zhuǎn)換器的位數(shù)精度。假設(shè) 5V 和 8 位 ADC 的相同條件，我們得到 19.53mV 的 LSB，這在典型操作期間應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題，如等式 2 所示。但隨著溫度的變化，操作會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)可能會(huì)讀取錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或執(zhí)行不正確。

(2)

那么如何解決精度問(wèn)題并仍然保持低功耗運(yùn)行呢？一種解決方案是ATL431，它具有更低的運(yùn)行功耗，但顯著提高了精度。在與以前相同的條件和設(shè)計(jì)參數(shù)下使用 ATL431，我們將獲得2.499V (0.95mV) 的有效 VREF，即 0.03% 的精度。在考慮模擬操作時(shí)，這為我們提供了更大的誤差范圍，但更重要的是，我們現(xiàn)在可以使用分辨率更高的 ADC（公式 3）：

(3)

最后，在正確方向上的微小變化可以產(chǎn)生與我們圍繞 TL431 的原始設(shè)計(jì)更大的折衷結(jié)果。ATL431是一種解決方案，它提供了足夠好的節(jié)能效果，同時(shí)也提高了準(zhǔn)確性，而不必為了另一個(gè)而犧牲一個(gè)。最后，即使妥協(xié)，也有可能兩全其美。