Kapazitive Anwendungen im Stromversorgungsdesign

2020-01-03 16:44:07

Referenzspannungsquellenschaltung

Es gibt viele Möglichkeiten, einen Referenzspannungsquellen-IC zu entwerfen, jede mit spezifischen Vor- und Nachteilen.
Referenzspannungsquelle basierend auf Zenerdiode

Eine tief vergrabene Zener-Referenzspannungsquelle ist ein relativ einfaches Design. Zener- (oder Lawinen-)Dioden haben vorhersagbare Sperrspannungen, die eine ausgezeichnete Temperaturstabilität und ausgezeichnete Zeitstabilität aufweisen. Diese Dioden haben normalerweise ein sehr geringes Rauschen und eine sehr gute Zeitstabilität, wenn sie in einem kleinen Temperaturbereich gehalten werden, sodass sie für Anwendungen geeignet sind, bei denen die Referenzspannungsänderungen gering sind.
Im Vergleich zu anderen Arten von Referenzspannungsquellenschaltungen ist diese Stabilität auf eine geringe Anzahl von Komponenten und eine kleine Chipfläche zurückzuführen, und die Konstruktion von Zenerkomponenten ist sehr empfindlich. Es kommt jedoch häufig zu relativ großen Schwankungen bei der Anfangsspannung und dem Temperaturdrift. Es können Schaltungen hinzugefügt werden, um diese Mängel auszugleichen, oder es kann eine Reihe von Ausgangsspannungen bereitgestellt werden. Sowohl Shunt- als auch Serienreferenzspannungsquellen verwenden Zenerdioden.

Bandgap-Referenzspannungsquelle
Zenerdioden können zur Erzeugung von Referenzspannungsquellen mit hoher Leistung verwendet werden, sind jedoch nicht flexibel. Insbesondere erfordern sie eine Versorgungsspannung von mehr als 7 V und liefern eine relativ geringe Ausgangsspannung. Im Gegensatz dazu können Bandgap-Referenzspannungsquellen eine Vielzahl von Ausgangsspannungen mit einer sehr geringen Leistungsreserve (normalerweise weniger als 100 mV) erzeugen. Bandgap-Referenzspannungsquellen können so ausgelegt werden, dass sie sehr genaue Anfangsausgangsspannungen und einen sehr geringen Temperaturdrift liefern, ohne dass eine zeitaufwändige Kalibrierung im Betrieb erforderlich ist.

Bandgap-Operationen basieren auf den grundlegenden Eigenschaften von Bipolartransistoren. Abbildung 1 zeigt eine grundlegende Bandgap-Referenzspannungsquelle. Man kann erkennen, dass die VBE eines Paars nicht übereinstimmender Bipolartransistoren einen Unterschied aufweist, der proportional zur Temperatur ist. Dieser Unterschied kann genutzt werden, um einen Strom zu erzeugen, der linear mit der Temperatur ansteigt. Wenn dieser Strom durch einen Widerstand und einen Transistor geleitet wird, gleicht die Temperaturschwankung der Basis-Emitter-Spannung des Transistors mit der Temperatur die Spannungsschwankung an beiden Enden des Widerstands aus, wenn dieser die richtige Größe hat. Obwohl dieser Versatz nicht vollständig linear ist, kann er durch zusätzliche Schaltkreise kompensiert werden, um die Temperaturdrift sehr gering zu halten.

 

Abbildung 1: Der entworfene Bandlückenschaltkreis bietet einen theoretischen Temperaturkoeffizienten von Null

Die Mathematik hinter der grundlegenden Bandlücken-Referenzspannungsquelle ist interessant, da sie einen bekannten Temperaturkoeffizienten mit einem einzigartigen Widerstand kombiniert, um eine Referenzspannung mit einer theoretischen Temperaturdrift von Null zu erzeugen. Abbildung 1 zeigt die beiden Transistoren, die so eingestellt sind, dass die Emitterfläche von Q10 10-mal so groß ist wie die von Q11, während der Kollektorstrom von Q12 und Q13 gleich bleibt. Dadurch entsteht eine bekannte Spannung zwischen den beiden Transistorbasen:

Dabei ist k die Boltzmann-Konstante in J/k (1.38×10-23), T die Kelvin-Temperatur (273+T(°C)). Q ist die Elektronenladung in Coulomb (1.6x10-19). Bei 25°C beträgt der Wert von kT/q 25.7mV und der positive Temperaturkoeffizient beträgt 86 °V/°C. ? VBE ist diese Spannung multipliziert mit ln(10) oder 2.3. Bei 25°C beträgt die Spannung ungefähr 60mV bei einem Temperaturkoeffizienten von 0.2mV/°C.

Das Anlegen dieser Spannung an den zwischen der Basis angeschlossenen 50k-Widerstand erzeugt einen Strom, der proportional zur Temperatur ist. Die Stromoffsetdiode Q14 hat eine Spannung von 575mV und einen Temperaturkoeffizienten von -2.2mV/°C bei 25°C. Der Widerstand wird verwendet, um einen Spannungsabfall mit einem positiven Temperaturkoeffizienten zu erzeugen, der auf die Spannung der Q14-Diode angewendet wird, was zu einem Referenzspannungspotential von ungefähr 1.235V mit einem theoretischen Temperaturkoeffizienten von 0mV/°C führt. Diese Druckabfälle sind in Abbildung 1 dargestellt. Der Ausgleich der Schaltung liefert den Offsetstrom und den Ausgangsantrieb.
Referenzspannungsquelle mit fraktionaler Bandlücke
Die Referenzspannungsquelle basiert auf den Temperatureigenschaften des Bipolartransistors, die Ausgangsspannung kann jedoch nur wenige mV betragen. Sie eignet sich für Schaltkreise mit extrem niedriger Spannung, insbesondere für Komparatoranwendungen, bei denen der Schwellenwert unter der herkömmlichen Bandlückenspannung (ca. 1.2 V) liegen muss.

 

Abbildung 2 zeigt den Kernschaltkreis des LM10, der einer normalen Bandlücken-Referenzquelle ähnelt, bei der Komponenten, die proportional und umgekehrt proportional zur Temperatur sind, kombiniert werden, um eine konstante Referenzspannung von 200 mV zu erhalten. Häufig werden Referenzspannungsquellen mit fraktionaler Bandlücke verwendet. VBE erzeugt einen Strom, der proportional zur Temperatur ist, und die Verwendung von VBE erzeugt einen Strom, der umgekehrt proportional zur Temperatur ist. Die beiden werden in einem geeigneten Verhältnis in einem Widerstandselement kombiniert, um eine Spannung zu erzeugen, die sich nicht mit der Temperatur ändert. Die Widerstandsgröße kann geändert werden, um die Referenzspannung zu ändern, ohne die Temperaturcharakteristik zu beeinflussen. Dies unterscheidet sich von herkömmlichen Bandlückenschaltungen dadurch, dass fraktionale Bandlückenschaltungen Ströme kombinieren, während herkömmliche Schaltungen dazu neigen, Spannungen zu kombinieren, normalerweise den Emitter, die Basisspannung und den I? R.

 

Abbildung 2:0mV Referenzspannungsquellenschaltung

Referenzspannungsquellen mit fraktionalem Bandabstand wie die LM10-Schaltung sind in manchen Fällen auch subtraktiv. Einige Geräte haben eine Mikroleistung, eine Niederspannungsreferenz von 400 mV und eine Serienreferenz des Verstärkers. Daher kann die Referenzspannung geändert werden, indem die Verstärkung des Verstärkers geändert und ein gepufferter Ausgang bereitgestellt wird. Mit dieser einfachen Schaltung kann jede Ausgangsspannung unterhalb der Versorgungsspannung von 0.4 V bis zu einigen Millivolt erzeugt werden.

 

Abbildung 3: Unterstützung für den Vergleich mit einem Schwellenwert von nur 400 mV

Einige Geräte kombinieren eine 400-mV-Referenzspannungsquelle mit einem Komparator, was eine stärker integrierte Lösung darstellt und als Spannungsmonitor oder Fensterkomparator verwendet werden kann. Die 400-mV-Referenzspannungsquelle kann kleine Eingangssignale überwachen und so die Komplexität der Überwachungsschaltung reduzieren (Abbildung 3). Sie kann auch Schaltungskomponenten überwachen, die mit sehr niedriger Spannung betrieben werden. Wenn der Schwellenwert hoch ist, kann ein einfacher Widerstandsteiler hinzugefügt werden (Abbildung 4). Diese Produkte sind in kleinen Größen (SOT23) verpackt, verbrauchen sehr wenig Strom (weniger als 10xa) und unterstützen einen breiten Leistungsbereich (1.4 V bis 18 V).

 

Abbildung 4: Ein höherer Schwellenwert wird durch die Eingangsspannung eingestellt

Auswählen der Referenzspannungsquelle
Angesichts all dieser Optionen stellt sich die Frage, wie Sie die richtige Spannungsreferenzquelle für Ihre Anwendung auswählen können. Hier sind einige Tipps, um Ihre Optionen einzugrenzen:

● Sehr hohe Versorgungsspannung? Wählen Sie die Shunt-Referenzspannungsquelle.
● Schwankt die Versorgungsspannung oder der Laststrom stark? Wählen Sie eine serielle Referenzspannungsquelle.
● Benötigen Sie einen hohen Wirkungsgrad? Wählen Sie eine serielle Referenzspannungsquelle.
● Bestimmen Sie den tatsächlichen Temperaturbereich. Die Temperaturen reichen von 0 °C bis 70 °C, von -40 °C bis 85 °C und von -40 °C bis 125 °C.
● Genauigkeitsanforderungen sollten realistisch sein. Es ist wichtig, die für die Anwendung erforderliche Präzision zu verstehen. Dies hilft bei der Bestimmung der wichtigsten Spezifikationen. Für diese Anforderung multiplizieren Sie die Temperaturdrift mit dem angegebenen Temperaturbereich plus
Die Gesamtgenauigkeit ergibt sich aus dem Abzug aller Elemente, die im Werk kalibriert oder in regelmäßigen Abständen neu kalibriert werden, vom anfänglichen Genauigkeitsfehler, der thermischen Hysterese und der langfristigen Drift während der erwarteten Produktlebensdauer. Bei den anspruchsvollsten Anwendungen können auch Rauschen, Spannungsanpassung und Lastanpassungsfehler hinzugefügt werden. Zum Beispiel:

Eine Referenzspannungsquelle hat einen anfänglichen Genauigkeitsfehler von 0.1 % (1000 ppm), einen Temperaturdrift von 25 ppm/°C von –40 °C bis 85 °C, eine thermische Verzögerung von 200 ppm, ein Spitze-Spitze-Rauschen von 2 ppm und einen Zeitdrift von 50 ppm/√kHr.
Dann wird die Gesamtunsicherheit beim Aufbau der Schaltung 4300 ppm überschreiten.
In den ersten 1000 Stunden nach dem Einschalten des Stromkreises erhöht sich diese Unsicherheit um 50 ppm. Die anfängliche Genauigkeit kann kalibriert werden, um den Fehler auf 3300 ppm+50 ppm zu reduzieren, richtig? Quadratwurzel von t über 1000 Stunden.

● Wie groß ist der tatsächliche Leistungsbereich? Wie hoch ist die maximal zu erwartende Versorgungsspannung? Gibt es Fehlerzustände, denen der Referenzspannungsquellen-IC standhalten muss, wie z. B. Batteriestromausfall oder Hot-Plug-Induktionsspannungsspitzen? Dies kann die Anzahl der verfügbaren Referenzquellen erheblich reduzieren.
● Wie hoch ist der potenzielle Stromverbrauch der Referenzspannungsquelle? Referenzspannungsquellen lassen sich in der Regel in mehrere Kategorien einteilen:
Größer als 1 ma, ~500 Mol A, <300 Mol A, <50 Mol A, <10 Mol A, <1 Mol A.
● Wie groß ist der Laststrom? Verbraucht die Last große Mengen Strom oder erzeugt sie den Strom, den die Referenzquelle aufnehmen muss? Viele Referenzspannungsquellen können der Last nur eine kleine Menge Strom liefern, und nur wenige können eine große Menge Strom aufnehmen. Die Spezifikation der Lastanpassungsrate kann dieses Problem gut veranschaulichen.

● Wie viel Platz ist für die Installation vorhanden? Die Referenzspannungsquelle ist in verschiedenen Gehäusen erhältlich, darunter Metallkappengehäuse, Kunststoffdichtungen (DIP, SOIC, SOT) und sehr kleine Gehäuse, wie z. B. Produkte mit 2 mm x 2 mm DFN. Es ist allgemein anerkannt, dass der Fehler aufgrund mechanischer Belastung einer Referenzspannungsquelle in einem größeren Gehäuse geringer ist als der einer Referenzspannungsquelle in einem kleineren Gehäuse. Obwohl es einige Referenzspannungsquellen gibt, die in größeren Gehäusen besser funktionieren, gibt es Hinweise darauf, dass Leistungsunterschiede nicht direkt mit der Gehäusegröße zusammenhängen. Wahrscheinlicher ist, dass Produkte in kleineren Gehäusen kleinere Chips verwenden und daher eine Art Leistungskompromiß eingegangen werden muss, um die Schaltkreise auf den Chip zu bringen. Oft hat die Installationsmethode des Gehäuses einen größeren Einfluss auf die Leistung als das eigentliche Gehäuse, und wenn man genau auf die Installationsmethode und den Installationsort achtet, maximiert man die Leistung. Darüber hinaus kann ein Gerät mit kleinerem Platzbedarf beim Biegen einer Leiterplatte weniger Belastung ausgesetzt sein als eines mit größerem Platzbedarf.