使用標準穩(wěn)壓器產(chǎn)生極低電壓

問題:

有什么好的解決方案可以產(chǎn)生只有幾百毫伏的微型直流電源電壓？

答案:

只需將一個干凈的外加正電壓連接至DC-DC轉(zhuǎn)換器的反饋電阻即可。

在過去的幾年里，由于微控制器、CPU、DSP等數(shù)字電路的幾何結(jié)構(gòu)尺寸不斷縮小，電子元器件的電源電壓一直持續(xù)下降。在測量領(lǐng)域也有一些需要低電源電壓的應(yīng)用。

多年以來，線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器一直采用約1.2 V的反饋電壓。此電壓由DC-DC轉(zhuǎn)換器IC中的帶隙電路產(chǎn)生，它確定了使用外部電阻分壓器可以設(shè)置的最低電壓。到目前為止，大多數(shù)現(xiàn)代穩(wěn)壓器IC都可以產(chǎn)生0.8 V、0.6 V甚至0.5 V的輸出電壓。內(nèi)部基準電壓源也按這種方式設(shè)計，所以能夠獲得更低的電壓。圖1所示為這種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器 LTC3822 ，它以0.6 V的基準電壓產(chǎn)生0.6 V的反饋電壓。

圖1 可產(chǎn)生0.6 V或更高低輸出電壓的LTC3822 DC-DC轉(zhuǎn)換器

但是，如果需要低于0.6 V的電源電壓，則需要對圖1所示的電路進行調(diào)整，否則無法使用。

利用一些技巧，您也可以使開關(guān)或線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生低于反饋電壓的電壓?？梢酝ㄟ^使用圖2所示的電路實現(xiàn)。將電阻分壓器與一個外加的偏置正電壓連接，用于調(diào)節(jié)輸出電壓。該電壓可以由低壓降穩(wěn)壓器(LDO)或基準電壓源產(chǎn)生。這樣，電阻分壓器構(gòu)成了一個電壓分壓器，電流IFB的流動方向與圖1中的常規(guī)情況相反。在圖2中，電流從外部基準電壓源經(jīng)由電阻分壓器流向輸出電壓。

公式1顯示了IC的反饋電壓(VFB)、所需的輸出電壓(VOUT)、外加正極直流偏置電壓(VOFFSET)，以及電阻分壓器的電阻R1和R2之間關(guān)系。

對于電阻分壓器的阻值選擇，建議R1、R2的總和介于(100~500) kΩ之間。這使偏置電流在功率效率方面足夠低，但又高到可以防止過多的噪聲耦合到敏感的反饋路徑。

圖2 對圖1電路進行調(diào)整，可以產(chǎn)生低于0.6 V的輸出電壓

這一設(shè)計理念通常適用于產(chǎn)生低于開關(guān)穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器的額定最低電壓的電壓。但是，應(yīng)注意幾點：外加的基準電壓源應(yīng)在DC-DC轉(zhuǎn)換器開啟之前啟動和運行。如果該輔助電壓為0 V或具有高電阻，DC-DC轉(zhuǎn)換器可能會產(chǎn)生過高的電壓并損壞負載電路。

在最糟糕的情況下，即當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓器尚未開啟但輔助電壓已經(jīng)施加時，流經(jīng)電阻分壓器的電流IFB將為輸出電容充電，使其電壓高于設(shè)置電壓。當(dāng)負載具有極高阻抗時，就會發(fā)生這種情況。所以設(shè)置1個最小負載以避免這種情況可能是必要的。

電阻分壓器的輔助電壓（在圖2中為1 V）精度會直接影響所產(chǎn)生的電源電壓精度。因此，應(yīng)使用特別干凈的低紋波電壓。

此外，并非所有電壓轉(zhuǎn)換器都適合進行此類操作。例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器中電流檢測放大器的測量范圍也許只能提供較高電壓下的工作范圍。還應(yīng)該注意的是，在較高輸入電壓下產(chǎn)生極低電壓，還需要低占空比。這里，選擇1個具有較短最小導(dǎo)通時間的開關(guān)穩(wěn)壓器IC，并在低開關(guān)頻率下工作可能是非常有幫助的。

圖3 可以使用仿真工具（例如ADI的LTspice^?）對電路實施初始測試

如果要以低于IC制造商指定的輸出電壓運行線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器，使用仿真工具（例如ADI的LTspice）進行初始檢查是非常有用的。圖3顯示了一個LTC3822構(gòu)成的電路，使用額外的電壓源作為反饋路徑的偏置。在這個電路中，產(chǎn)生1個200 mV輸出電壓。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，LTC3822適用于產(chǎn)生最低0.6 V的輸出電壓。在電路中，輔助電壓源（圖3中的電壓源V2）可以通過LDO穩(wěn)壓器或基準電壓源實現(xiàn)。利用本文所述的技巧，對電路進行完全測試，甚至可能產(chǎn)生更低的輸出電壓。

作者簡介

Frederik Dostal：曾就讀于德國埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任多種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負責(zé)開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，現(xiàn)擔(dān)任位于德國慕尼黑的ADI公司的電源管理現(xiàn)場應(yīng)用工程師。