Χωρητικές εφαρμογές στο σχεδιασμό τροφοδοτικών

2020-01-03 16:44:07

Κύκλωμα πηγής τάσης αναφοράς

Υπάρχουν πολλοί τρόποι σχεδιασμού ενός IC πηγής τάσης αναφοράς, ο καθένας με συγκεκριμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Πηγή τάσης αναφοράς με βάση τη δίοδο zener

Η βαθιά θαμμένη πηγή τάσης αναφοράς zener είναι σχετικά απλός σχεδιασμός. Οι δίοδοι Zener (ή χιονοστιβάδα) έχουν προβλέψιμες αντίστροφες τάσεις που έχουν εξαιρετική σταθερότητα θερμοκρασίας και εξαιρετική σταθερότητα χρόνου. Αυτές οι δίοδοι έχουν συνήθως πολύ χαμηλό θόρυβο και πολύ καλή χρονική σταθερότητα όταν διατηρούνται σε μικρό εύρος θερμοκρασίας, επομένως είναι κατάλληλες για εφαρμογές όπου οι αλλαγές τάσης αναφοράς είναι μικρές.
Σε σύγκριση με άλλους τύπους κυκλωμάτων πηγής τάσης αναφοράς, αυτή η σταθερότητα μπορεί να αποδοθεί σε έναν μικρό αριθμό εξαρτημάτων και σε μια μικρή περιοχή τσιπ, και η κατασκευή των εξαρτημάτων zener είναι πολύ λεπτή. Ωστόσο, είναι σύνηθες να βλέπουμε σχετικά μεγάλες διακυμάνσεις στην αρχική τάση και μετατόπιση θερμοκρασίας. Μπορούν να προστεθούν κυκλώματα για την αντιστάθμιση αυτών των ελαττωμάτων ή μπορεί να παρασχεθεί μια σειρά από τάσεις εξόδου. Και οι δύο πηγές τάσης αναφοράς διακλάδωσης και σειράς χρησιμοποιούν διόδους zener.

Πηγή τάσης αναφοράς διάκενου ζώνης
Οι δίοδοι Zener μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή πηγών τάσης αναφοράς υψηλής απόδοσης αλλά στερούνται ευελιξίας. Συγκεκριμένα, απαιτεί τάση τροφοδοσίας μεγαλύτερη από 7V και παρέχει σχετικά μικρή τάση εξόδου. Αντίθετα, οι πηγές τάσης αναφοράς διάκενου ζώνης μπορούν να παράγουν μια μεγάλη ποικιλία τάσεων εξόδου με πολύ μικρό περιθώριο ισχύος (συνήθως μικρότερο από 100 mV). Οι πηγές τάσης αναφοράς Bandgap μπορούν να σχεδιαστούν για να παρέχουν πολύ ακριβείς αρχικές τάσεις εξόδου και πολύ χαμηλή μετατόπιση θερμοκρασίας χωρίς την ανάγκη χρονοβόρας βαθμονόμησης κατά τη λειτουργία.

Οι λειτουργίες Bandgap βασίζονται στα βασικά χαρακτηριστικά των τρανζίστορ διπολικής διασταύρωσης. Το σχήμα 1 δείχνει μια βασική πηγή τάσης αναφοράς διάκενου ζώνης. Μπορεί να φανεί ότι το VBE ενός ζεύγους αταίριαστων διπολικών τρανζίστορ διασταύρωσης έχει μια διαφορά ανάλογη της θερμοκρασίας. Αυτή η διαφορά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ρεύματος που αυξάνεται γραμμικά με τη θερμοκρασία. Όταν αυτό το ρεύμα διοχετεύεται μέσω μιας αντίστασης και ενός τρανζίστορ, η μεταβολή της θερμοκρασίας της τάσης βάσης-εκπομπού του τρανζίστορ με τη θερμοκρασία ακυρώνει τη διακύμανση της τάσης και στα δύο άκρα της αντίστασης, εάν είναι το σωστό μέγεθος. Αν και αυτή η μετατόπιση δεν είναι εντελώς γραμμική, μπορεί να αντισταθμιστεί από πρόσθετα κυκλώματα για να κάνει τη μετατόπιση της θερμοκρασίας πολύ χαμηλή.

 

Σχήμα 1: σχεδιασμένο κύκλωμα διάκενου ζώνης παρέχει θεωρητικά μηδενικό συντελεστή θερμοκρασίας

Τα μαθηματικά πίσω από τη βασική πηγή τάσης αναφοράς διάκενου ζώνης είναι ενδιαφέροντα επειδή συνδυάζουν έναν γνωστό συντελεστή θερμοκρασίας με μια μοναδική ειδική ειδική αντίσταση για να παράγουν μια τάση αναφοράς με μια θεωρητική μετατόπιση θερμοκρασίας μηδέν. Το Σχήμα 1 δείχνει τα δύο τρανζίστορ, ρυθμισμένα έτσι ώστε η περιοχή εκπομπού του Q10 να είναι 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Q11, ενώ το ρεύμα συλλέκτη των Q12 και Q13 παραμένει το ίδιο. Αυτό δημιουργεί μια γνωστή τάση μεταξύ των δύο βάσεων τρανζίστορ:

Όπου, k είναι σταθερά boltzmann σε J/k (1.38×10-23), T είναι θερμοκρασία Κέλβιν (273+T(°C)). Q είναι το φορτίο ηλεκτρονίων σε κουλόμπ (1.6x10-19). Στους 25°C, η τιμή του kT/q είναι 25.7 mV και ο θετικός συντελεστής θερμοκρασίας είναι 86° V/°C. ? VBE είναι αυτή η τάση πολλαπλασιασμένη επί ln(10) ή 2.3. Στους 25°C η τάση είναι περίπου 60 mV με συντελεστή θερμοκρασίας 0.2 mV/°C.

Η εφαρμογή αυτής της τάσης στην αντίσταση 50k που συνδέεται μεταξύ της βάσης παράγει ένα ρεύμα ανάλογο της θερμοκρασίας. Η δίοδος μετατόπισης ρεύματος Q14 έχει τάση 575 mV και συντελεστή θερμοκρασίας -2.2 mV/°C στους 25°C. Η αντίσταση χρησιμοποιείται για την παραγωγή πτώσης τάσης με θετικό συντελεστή θερμοκρασίας που εφαρμόζεται στην τάση διόδου Q14, με αποτέλεσμα ένα δυναμικό τάσης αναφοράς περίπου 1.235v, με θεωρητικό συντελεστή θερμοκρασίας 0mV/°C. Αυτές οι πτώσεις πίεσης φαίνονται στο σχήμα 1. Η ισορροπία του κυκλώματος παρέχει το ρεύμα μετατόπισης και την κίνηση εξόδου.
Πηγή τάσης αναφοράς κλασματικού κενού ζώνης
Η πηγή τάσης αναφοράς βασίζεται στα χαρακτηριστικά θερμοκρασίας του διπολικού τρανζίστορ, αλλά η τάση εξόδου μπορεί να είναι τόσο χαμηλή όσο μερικά mV. Είναι κατάλληλο για κυκλώματα εξαιρετικά χαμηλής τάσης, ειδικά για εφαρμογές σύγκρισης όπου το όριο πρέπει να είναι μικρότερο από το συμβατικό bandgap τάση (περίπου 1.2v).

 

Το σχήμα 2 δείχνει το κύκλωμα πυρήνα του LM10, το οποίο είναι παρόμοιο με μια κανονική πηγή αναφοράς διάκενου ζώνης, όπου εξαρτήματα ανάλογα και αντιστρόφως ανάλογα της θερμοκρασίας συνδυάζονται για να ληφθεί μια σταθερή τάση αναφοράς 200 mV. Συνήθως χρησιμοποιούνται πηγές τάσης αναφοράς κλασματικού διακένου. Το VBE παράγει ρεύμα ανάλογο της θερμοκρασίας και η χρήση του VBE παράγει ρεύμα αντιστρόφως ανάλογο της θερμοκρασίας. Τα δύο συνδυάζονται σε κατάλληλη αναλογία σε ένα στοιχείο αντίστασης για να παράγουν μια τάση που δεν μεταβάλλεται ανάλογα με τη θερμοκρασία. Το μέγεθος αντίστασης μπορεί να αλλάξει για να αλλάξει η τάση αναφοράς χωρίς να επηρεαστεί το χαρακτηριστικό θερμοκρασίας. Αυτό διαφέρει από τα παραδοσιακά κυκλώματα διακενού ζώνης στο ότι τα κυκλώματα κλασματικού διακένου συνδυάζουν ρεύματα, ενώ τα παραδοσιακά κυκλώματα τείνουν να συνδυάζουν τάσεις, συνήθως τον πομπό, την τάση βάσης και το I? R.

 

Σχήμα 2: 0mV κύκλωμα πηγής τάσης αναφοράς

Οι πηγές τάσης αναφοράς κλασματικού διακένου, όπως το κύκλωμα LM10, είναι επίσης αφαιρετικές σε ορισμένες περιπτώσεις. Ορισμένες συσκευές έχουν μικροισχύ, αναφορά χαμηλής τάσης 400 mV και αναφορά σειράς του ενισχυτή. Επομένως, η τάση αναφοράς μπορεί να αλλάξει αλλάζοντας το κέρδος του ενισχυτή και παρέχοντας μια έξοδο buffer. Η χρήση αυτού του απλού κυκλώματος μπορεί να παράγει οποιαδήποτε τάση εξόδου κάτω από την τάση τροφοδοσίας από 0.4v έως μερικά χιλιοστόβολτα.

 

Εικόνα 3: υποστήριξη για σύγκριση με όριο τόσο χαμηλό όσο 400 mV

Ορισμένες συσκευές συνδυάζουν μια πηγή τάσης αναφοράς 400 mV με έναν συγκριτή, ο οποίος είναι μια πιο ολοκληρωμένη λύση και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως οθόνη παρακολούθησης τάσης ή σύγκριση παραθύρων. Η πηγή τάσης αναφοράς 400 mV μπορεί να παρακολουθεί μικρά σήματα εισόδου, μειώνοντας έτσι την πολυπλοκότητα του κυκλώματος παρακολούθησης (εικόνα 3). Μπορεί επίσης να παρακολουθεί εξαρτήματα κυκλώματος που λειτουργούν σε πολύ χαμηλές τάσεις ισχύος. Εάν το κατώφλι είναι μεγάλο, μπορεί να προστεθεί ένας απλός διαχωριστής αντίστασης (εικόνα 4). Αυτά τα προϊόντα συσκευάζονται σε μικρά μεγέθη (SOT23), καταναλώνουν πολύ μικρή ισχύ (λιγότερο από 10xa) και υποστηρίζουν ένα ευρύ φάσμα ισχύος (1.4v έως 18V).

 

Σχήμα 4: υψηλότερο όριο ορίζεται από τη μερική τάση της τάσης εισόδου

Επιλέξτε την πηγή τάσης αναφοράς
Έχοντας υπόψη όλες αυτές τις επιλογές, πώς επιλέγετε τη σωστή πηγή αναφοράς τάσης για την εφαρμογή σας; Ακολουθούν ορισμένες συμβουλές για να περιορίσετε τις επιλογές σας:

● πολύ υψηλή τάση τροφοδοσίας; Επιλέξτε την πηγή τάσης αναφοράς διακλάδωσης.
● η τάση τροφοδοσίας ή το ρεύμα φορτίου ποικίλλει πολύ; Επιλέξτε μια πηγή τάσης αναφοράς σειράς.
● χρειάζεστε υψηλό δείκτη απόδοσης; Επιλέξτε μια πηγή τάσης αναφοράς σειράς.
● προσδιορίστε το πραγματικό εύρος θερμοκρασίας. Οι θερμοκρασίες κυμαίνονται από 0°C έως 70°C, -40°C έως 85°C και -40°C έως 125°C.
● οι απαιτήσεις ακρίβειας πρέπει να είναι ρεαλιστικές. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε την ακρίβεια που απαιτείται για την εφαρμογή. Αυτό βοηθά στον καθορισμό των βασικών προδιαγραφών. Για αυτήν την απαίτηση, πολλαπλασιάστε τη μετατόπιση θερμοκρασίας με το καθορισμένο εύρος θερμοκρασίας, συν
Η συνολική ακρίβεια προκύπτει αφαιρώντας τυχόν στοιχεία που θα βαθμονομηθούν στο εργοστάσιο ή θα επαναβαθμονομηθούν σε τακτά χρονικά διαστήματα από το αρχικό σφάλμα ακρίβειας, τη θερμική υστέρηση και τη μακροπρόθεσμη μετατόπιση κατά την αναμενόμενη διάρκεια ζωής του προϊόντος. Για τις πιο απαιτητικές εφαρμογές, μπορούν επίσης να προστεθούν σφάλματα θορύβου, ρύθμισης τάσης και προσαρμογής φορτίου. Οπως:

Μια πηγή τάσης αναφοράς έχει αρχικό σφάλμα ακρίβειας 0.1% (1000 ppm), μετατόπιση θερμοκρασίας 25 ppm/°C από -40°C σε 85°C, θερμική καθυστέρηση 200 ppm, θόρυβο από κορυφή σε κορυφή 2 ppm και χρονική μετατόπιση 50 ppm/√kHr.
Τότε η συνολική αβεβαιότητα θα ξεπεράσει τα 4300 ppm όταν κατασκευαστεί το κύκλωμα.
Τις πρώτες 1000 ώρες μετά την ενεργοποίηση του κυκλώματος, αυτή η αβεβαιότητα αυξάνεται κατά 50 ppm. Η αρχική ακρίβεια μπορεί να βαθμονομηθεί για να μειωθεί το σφάλμα σε 3300ppm+50ppm, σωστά; Τετραγωνική ρίζα t πάνω από 1000 ώρες.

● ποιο είναι το πραγματικό εύρος ισχύος; Ποια είναι η μέγιστη αναμενόμενη τάση τροφοδοσίας; Υπάρχουν συνθήκες σφάλματος που πρέπει να αντέξει το IC της πηγής τάσης αναφοράς, όπως διακοπή ρεύματος μπαταρίας ή αιχμές επαγωγής τροφοδοσίας θερμού βύσματος; Αυτό μπορεί να μειώσει σημαντικά τον αριθμό των διαθέσιμων πηγών αναφοράς.
● ποια είναι η δυνητική κατανάλωση ισχύος της πηγής τάσης αναφοράς; Οι πηγές τάσης αναφοράς τείνουν να εμπίπτουν σε διάφορες κατηγορίες:
Περισσότερο από 1 ma, ~500 moles A, <300 moles A, <50 moles A, <10 moles A, <1 moles A.
● πόσο μεγάλο είναι το ρεύμα φορτίου; Το φορτίο καταναλώνει μεγάλες ποσότητες ρεύματος ή δημιουργεί το ρεύμα που πρέπει να απορροφήσει η πηγή αναφοράς; Πολλές πηγές τάσης αναφοράς μπορούν να παρέχουν μόνο μικρή ποσότητα ρεύματος στο φορτίο και λίγες μπορούν να απορροφήσουν μεγάλη ποσότητα ρεύματος. Η προδιαγραφή ρυθμού προσαρμογής φορτίου μπορεί να απεικονίσει αποτελεσματικά αυτό το πρόβλημα.

● πόσος χώρος εγκατάστασης υπάρχει; Η πηγή τάσης αναφοράς διατίθεται σε μια ποικιλία συσκευασιών, συμπεριλαμβανομένων μεταλλικών καπακιών, πλαστικών σφραγίδων (DIP, SOIC, SOT) και πολύ μικρών συσκευασιών, όπως προϊόντα με DFN 2mmx2mm. Είναι γενικά αποδεκτό ότι το σφάλμα λόγω μηχανικής καταπόνησης μιας πηγής τάσης αναφοράς σε μια μεγαλύτερη συσκευασία είναι μικρότερο από αυτό μιας πηγής τάσης αναφοράς σε μια μικρότερη συσκευασία. Ενώ υπάρχουν ορισμένες πηγές τάσης αναφοράς που αποδίδουν καλύτερα με μεγαλύτερα πακέτα, υπάρχουν ενδείξεις ότι οι διαφορές απόδοσης δεν σχετίζονται άμεσα με το μέγεθος της συσκευασίας. Πιθανότερο, επειδή τα προϊόντα σε μικρότερες συσκευασίες χρησιμοποιούν μικρότερα τσιπ, πρέπει να γίνει κάποιο είδος αντιστάθμισης απόδοσης για να χωρέσει το κύκλωμα στο τσιπ. Συχνά, η μέθοδος εγκατάστασης του πακέτου έχει μεγαλύτερο αντίκτυπο στην απόδοση από το πραγματικό πακέτο και η μεγάλη προσοχή στη μέθοδο εγκατάστασης και την τοποθεσία μεγιστοποιεί την απόδοση. Επιπλέον, όταν ένα PCB είναι λυγισμένο, μια συσκευή με μικρότερο αποτύπωμα μπορεί να έχει λιγότερη πίεση από μια συσκευή με μεγαλύτερο αποτύπωμα.