可以使用一個電阻器和一個齊納二極體建構一款簡單的低電流穩壓器。這種穩壓器通常適用於非臨界應用,如內部偏置電壓等。一般來說,電路會將輸出電壓的容許誤差控制在約±10%的範圍,但也可能透過串聯一個二極體來改進調節功能。

圖1顯示在齊納二極體電路中串聯一個二極體,曲線繪製齊納二極體的不同電壓對應的溫度係數。當穩壓二極體電壓大於4.7V時,溫度係數逐漸變為正數,因此當工作溫度升高時,齊納二極體電壓隨之升高。如果與溫度係數為負值的二極體配對,利用降低二極體正向電壓,齊納二極體增加的電壓會被抵銷,從而消除溫度誤差。

20180227TA01P1 圖1 將正溫度係數齊納二極體與負溫度係數二極體串聯可以降低溫度誤差。

齊納二極體電壓小於4.7V時,對應的溫度係數為負值,串聯一個二極體實際上會增大調節誤差。

例如,7.5V的齊納二極體的溫度係數為+5mV/℃,而傳統二極體(BAT16)的溫度係數在10mA電流下約為-1.6mV/℃。二極體電流非常小時,溫度係數會逐漸變小(-3mV/℃),因此務必在齊納二極體有電流經過時進行檢查。理想的情況是正負溫度係數完全相互抵消,但是這不切實際也沒有必要,簡單的改進便已足夠。在二極體具有高電壓且正溫度係數更高的情況下,可以使用兩個(或兩個以上)二極體改善抵消的效果。

圖2顯示在工作溫度範圍為25℃~100℃時,在沒有串聯二極體、串聯一個二極體和串聯兩個二極體的情況下,圖1中計算得出的電壓調整偏差與不同齊納二極體輸出電壓的對比情況。圖2中的垂直線顯示增加串聯二極體後,在7.5V輸出電壓下,與溫度相關的誤差可以減少3~5%。

20180227TA01P2 圖2 將一個或多個二極體與電壓值超過4.7V的齊納二極體串聯可以降低電壓調節誤差。

第2個例子中使用了轉換器,該轉換器要求電平移位器向控制電路發送輸出電壓資訊。

圖3是一個負輸入到正輸出的反相降壓-升壓電路。控制電路以-Vin軌為基準,輸出電壓以接地端為基準。為了使控制電路精確調整輸出電壓,電平移元器重建了「FB和-Vin」間的差分「Vout到GND」電壓。在這一實現中,約等於(Vout-Vbe Q1)/R的電流源從Vout流向Vin。電流在較低電阻中流動,重建以-Vin為基準的輸出電壓。增加Q2,配置成二極體,可以恢復Q1產生的Vbe壓降損失。此時,除了與beta相關的小誤差,FB接腳處的電平位移電壓差不多複製了Vout和GND間的電壓。

20180227TA01P3 圖3 電平移位器用Q2抵消Q1相關的變化。

增加「二極體」Q2的一個好處是可以使Q2的正向電壓和Q1的電壓非常接近,因為流經這兩者的電流幾乎完全一樣。要想獲得與Q2匹配的最佳電壓,應使用與Q1同樣的電阻;另一個好處是兩個電阻器具有相同的溫度係數,使兩者可以更準確地追蹤彼此的正向電壓。與Vbe變化相關的溫度誤差顯著減少,因為它們彼此相互抵消(VFB~Vout-Vbe Q1+Vbe Q2)。將Q1和Q2放在相鄰的位置非常重要,因為這樣兩者就處於相同的溫度下,如有可能,請使用雙電晶體封裝。

圖4的第3個示例顯示帶有一組電荷泵級的升壓轉化器,每級「n」向總輸出增加近似「V1」,得到結果「Vn+1」。

20180227TA01P4 圖4 電荷泵二極體壓降可以相互抵消。

總輸出電壓的近似值為:

20180227TA01P4-1

在公式(1)中,可以看出Vn+1很大程度上由n的倍數決定,但受到二級體正向壓降相關的「誤差項」和電荷泵轉換電容波紋電壓的影響,會有所減少。假設所有二極體都是相同類型的,那麼它們的正向電壓等於:

VD1 = VDa = VDb,得出公式(2):

20180227TA01P4-2

公式(2)中,右邊的「誤差項」使輸出電壓低於理想的n+1倍。要改進這點,VDa和VDb使用蕭特基二極體,而VD1使用傳統二極體,正向電壓降等於:

VDa = VDb = VD1/2,得出公式(3):

20180227TA01P4-3

從公式(3)可以看出,減少二極體壓降相關的誤差項從而進一步增加輸出電壓是可能的。但公式(3)仍然只是一個近似值,輸出電壓增加的概念是有效的。

二極體正向電壓和溫度變化常常會降低電路的性能,但不一定總是如此。不過,這些設計實例展示的方法都有可能抵消或最大程度減少二極體溫度相關的誤差。

(參考原文: Power Tips #80: Compensating for diode drop variations,by John Betten)