如何創(chuàng)建可編程輸出反相降壓-升壓穩(wěn)壓器

作者：德州儀器Akshay Mehta, Frank De Stasi

在很多應(yīng)用中，尤其是測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域，您都需要借助外部裝置或數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器設(shè)置反相降壓/升壓穩(wěn)壓器的輸出電壓。在常規(guī)的降壓拓?fù)渲校@種操作很簡(jiǎn)單：只需要借助一個(gè)帶有串聯(lián)電阻器的電壓電源、一個(gè)電流源或者一個(gè)DAC將電流導(dǎo)入反饋節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

1.采用降壓拓?fù)涞目删幊屉妷?/p>

但是，如果您需要改變降壓-升壓拓?fù)渲械碾娮杵鞯碾妷?，就有一點(diǎn)麻煩了。

您可以通過(guò)反相接地和VOUT電位并使集成電路的參考位于-VOUT電位而配置降壓-升壓拓?fù)渲械慕祲悍€(wěn)壓器。也就是說(shuō)穩(wěn)壓器集成電路的接地腳位于-VOUT。由于穩(wěn)壓器的FB引腳位于-VOUT電位而非接地電位上，將電流導(dǎo)入FB引腳便有一點(diǎn)棘手。為將電流導(dǎo)入反相降壓-升壓拓?fù)渲械腇B引腳，您需要電平移動(dòng)電壓源/DAC的信號(hào)。在本文中，我將向大家介紹一些不同的方法。

以德州儀器的LMZM33606為例。LMZM33606是一個(gè)額定輸入電壓為36V的降壓電源模塊，最大負(fù)載為6A。 圖2說(shuō)明了如何將LMZM33606設(shè)置為反相降壓-升壓穩(wěn)壓器。

2.利用LMZM33606反相降壓-升壓。

方法1：使用一個(gè)PNP的電平位移器

在這些降壓-升壓應(yīng)用中使用LMZM33606時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)-15V至-5V的可編程輸出電壓范圍。通過(guò)電流源方法，您能夠以絕對(duì)量級(jí)調(diào)低穩(wěn)壓器的輸出。這樣，在設(shè)置反饋分頻器電阻器時(shí)，便可以將設(shè)計(jì)的默認(rèn)輸出設(shè)為-15V。添加外部電流源時(shí)，您可以將穩(wěn)壓器輸出設(shè)置為-5V。默認(rèn)輸出為-15V時(shí)，計(jì)算的高反饋值和低反饋值分別為：

·RFBT = 100kΩ.

·RFBB = 7.42kΩ.

電平位移接地參考信號(hào)以將電流導(dǎo)入FB引腳的最簡(jiǎn)單的方法是，使用單PNP型雙極性晶體管(BJT)。圖三說(shuō)明了如何將一個(gè)單PNP作為電平位移器使用。

3.使用單PNP的部署。

PNP Q1的基極接地，反射極通過(guò)電阻器連接DAC/電壓源。電壓源高于PNP基地發(fā)射下拉(VBE)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生等式1所述的電流：

Rext設(shè)定為50kΩ。FB節(jié)點(diǎn)可以應(yīng)用基爾霍夫電流定律，您可以使用等式2計(jì)算電流IX：

在等式2中代入等式1，得出等式3，由此可以計(jì)算出調(diào)整輸出電壓VOUT所需的編程電壓VX：

將等式3變成等式4，可以得出根據(jù)VX值進(jìn)行變成的VOUT:

等式4說(shuō)明了VOUT對(duì)晶體管VBE的從屬關(guān)系。晶體管VBE本身取決于集電極電流，隨溫度變化時(shí)，會(huì)影響編程VOUT的精確度。

下一個(gè)方法說(shuō)明了如何從等式中移除VBE。圖4所示是一個(gè)有兩個(gè)PNP晶體管的電路，所采用的連接方式可以抵消VBE的影響。

方法2：使用兩個(gè)PNP的電平位移器

4.使用兩個(gè)PNP抵消VBE的部署。

本方法需要使用兩個(gè)PNP，最好是使用兩個(gè)組合包裝的PNP BJT，以確保兩個(gè)晶體管之間匹配良好。本方法還可以減少輸出電壓編程中的錯(cuò)誤。

Q1晶體管的基極連接至程控電壓源。發(fā)射極經(jīng)由一個(gè)串聯(lián)電阻器RS連接至另一個(gè)正電軌，并且集電極接地。這樣便可以在晶體管的發(fā)射極形成一個(gè)VX + VBE電壓。Q2晶體管的發(fā)射極通過(guò)電阻器RX連接至Q1的發(fā)射極。RX設(shè)置導(dǎo)入FB節(jié)點(diǎn)的電流?；鶚O接地后，Q2發(fā)射極節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)+VBE。等式5計(jì)算了流至發(fā)射極的電流(理想情況)：

之前曾解釋過(guò)，晶體管的VBE取決于集電極電流，如等式6所述：

其中IC為集電極電流，IS為飽和電流，VT為熱電壓。

如果兩個(gè)晶體管的集電極電流差異較大，則VBE不會(huì)完全彼此抵消。等式7闡述了晶體管兩個(gè)VBE之間的差異：

簡(jiǎn)化為等式8：

其中X為兩個(gè)集電極電流的比率。

如您所見(jiàn)，如果兩個(gè)集電極電流相同，則VBE將完全抵消。在圖4所示的配置中，設(shè)定RS的值時(shí)，需要確保集電極電流之間的差異不是太大。在本例中，我選擇的RS為10kΩ，RX為50kΩ。VBE的增量也會(huì)隨著VT而變化，它會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生。

方法3：改良版威爾遜電流鏡

使用電流鏡匹配集電極電流是一個(gè)非常有效的方法。對(duì)此，相比常規(guī)的電流鏡，威爾遜電流鏡是一個(gè)更好的選擇。圖5是威爾遜電流鏡中使用的原理圖。

5.使用威爾遜電流鏡部署

本方法中，有另外一個(gè)BJT，基極連接至Q1的集電極。Q3的發(fā)射極連接至電流鏡的VBE結(jié)點(diǎn)。程控電流經(jīng)Q3晶體管的集電極流至FB引腳。

現(xiàn)在可暫時(shí)忽略電阻器RB，等式9按照以下方式計(jì)算導(dǎo)入本設(shè)置中的參考電流：

等式10得出了導(dǎo)入電流與參考電流的比率。

在晶體管的增量() 為較大的值時(shí)，可以看到威爾遜電流鏡的精度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)電流鏡。

威爾遜電流鏡不會(huì)完全消除對(duì)VBE的依賴性。但可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的方法避開(kāi)。將電阻器RB從源VX連接至電流鏡基極，如圖5所示，形成一個(gè)添加至參考電流IX的電流。將等式9改寫為等式11：

等式12選擇RB：

等式13：

等式13中的VBE組件完全抵消，得出等式14：

等式14說(shuō)明，導(dǎo)入FB節(jié)點(diǎn)的電流僅基于程控電壓，不受VBE影響。

無(wú)論使用哪一種方法，都可以借助少數(shù)幾個(gè)組件為反相電軌創(chuàng)建一個(gè)程控輸出電壓。電路的復(fù)雜性依具體的系統(tǒng)要求而異。對(duì)于要求極高保真度的應(yīng)用，威爾遜電流鏡是最佳的解決方案，因?yàn)樗梢缘贸雠c程控電壓最接近的響應(yīng)。