В слаботочных приложениях источник опорного напряжения лучше стабилитрона

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2018

Robert Hanrahan

Electronic Design

В качестве слаботочных источников напряжения смещения, как правило, используются стабилитроны, но тот же результат, без ухудшения характеристик и с намного меньшими потерями мощности можно получить, выбрав подходящий источник опорного напряжения

Иногда вам необходимо подать смещающее напряжение на низковольтную нагрузку, но не хочется добавлять другой регулятор напряжения, или же требуемый уровень точности не позволяет воспользоваться простым делителем напряжения. В течение многих лет в качестве простых шунтовых регуляторов напряжения разработчики использовали стабилитроны (Рисунок 1). С помощью одного резистора такое устройство может поддерживать на своем выходе фиксированное напряжение, установленное на этапе его производства.

Рисунок 1.	В простейшем случае шина питания создается с помощью одного резистора и стабилитрона.

Хороший стабилитрон работает хорошо, но, внимательно прочитав техническое описание, вы увидите, что для этого через него должен протекать ток не менее нескольких миллиампер. Для обеспечения нужной точности необходимо выбрать достаточно низкое сопротивление последовательного резистора, гарантирующее, что обратный ток стабилитрона I_Z попадет в нужный диапазон. Этот ток может достигать 5 мА, особенно для дешевых стабилитронов без температурной компенсации (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Обычно, чтобы достичь напряжения «излома» VZ, стабилитрону требуется ток не менее нескольких миллиампер.

Потери мощности на последовательном резисторе, определяемые законами Ома и Джоуля, влияют на общие потери и температуру системы. Для примера, использование 2.5-вольтового стабилитрона при входном напряжении 12 В потребует последовательного резистора 1.9 кОм, чтобы обеспечить ток 5 мА (при отсутствии тока нагрузки). Мощность, теряемая на резисторе 1.9 кОм, через который проходит ток 5 мА, составляет 47 мВт, а при входном напряжении 24 В потери превысят 100 мВт.

Источники опорного напряжения (называемые также источниками напряжения, определяемого шириной запрещенной зоны) выполняют те же функции, что и стабилитроны, однако они потребляют намного меньший ток и обеспечивают намного более высокую точность. Если в стабилитроне используется единственный p-n переход со специфическим легированием, определяющим напряжение зенеровского пробоя, то в источнике опорного напряжения для получения нулевого температурного коэффициента используется комбинация транзисторов с положительным и отрицательными температурными коэффициентами p-n переходов.

Концепция и конструкция опорного источника на основе ширины запрещенной зоны были предложены Бобом Видларом (Bob Widlar) в 1970-х годах, когда он работал разработчиком микросхем питания. Хотя источники опорного напряжения часто используются из-за температурной и временнóй стабильности их напряжения (значительно лучше 1%), развитие полупроводниковой схемотехники, технологических процессов и способов корпусирования открыло для них новые области применения.

Более дешевые опорные источники меньшей точности (1% и 2%) начинают проникать в сферы, где возможность их использования никогда не рассматривалась, включая приложения, в которых могли бы применяться стабилитроны или стабилизаторы напряжения. Использование источника опорного напряжения вместо стабилитрона – это сочетание эффективности и простоты.

Напряжение на источнике опорного напряжения начинает хорошо стабилизироваться уже при токе I_Z, равном всего 40 мкА. В техническом описании приведены характеристики микросхемы LM4040 компании Texas Instruments при 25 °C (Рисунок 3), из которых видна ее превосходная точность уже при токе смещения значительно ниже 100 мкА. Некоторые опорные источники работают при еще более низких токах, такие, например, как ATL431 и LM385.

Рисунок 3.	Вольтамперная характеристика 2.5-вольтового опорного источника LM4040 подтверждает высокую точность микросхемы, даже при токе, намного меньшем 100 мкА.

В том же примере с входным напряжением 12 В вместо 5 мА потребуется ток всего 75 мкА, ограниченный резистором 126 кОм; при этом точность выходного напряжения будет значительно выше. Мощность, рассеиваемая на резисторе 126 кОм, не превышает 1 мВт, что намного ниже 47 мВт, теряемых при использовании стабилитрона.

Рисунок 4.	Иллюстрация к расчету величины сопротивления RS с учетом максимального тока нагрузки и минимального тока стабилитрона.

Разумеется, в случае, когда надо отдавать ток в нагрузку, необходимо выбирать резистор с меньшим сопротивлением, чтобы при любых вариациях нагрузки обеспечивалось требуемое для нормальной стабилизации значение тока I_Z. Как видно из Рисунка 4, ток I_R через последовательный резистор R_S равен сумме

где – I_L – ток нагрузки. Теперь, используя закон Ома, можно рассчитать

Выбирая этот резистор, учитывайте допустимое отклонение его сопротивления и предусматривайте случай наихудшего тока нагрузки.

При использовании источника опорного напряжения с большим допуском, такого как LM4040E, максимальное отклонение напряжения которого составляет 2%, можно реализовать регулятор с характеристиками, лучшими, чем у большинства интегральных стабилизаторов напряжения, цена которого будет ниже, чем у типичного интегрального стабилизатора, и сопоставима с ценой стабилитрона. (Эти устройства выпускаются также в миниатюрных корпусах SC70). Преимуществом опорных источников в приложениях стабилизации напряжения является их способность работать в очень большом диапазоне напряжений. Фактически, для такого источника напряжение безразлично, а имеет значение только ток. При правильном выборе сопротивления последовательного резистора, учитывающем значения входных напряжений и выходного тока, схема, основанная на простом решении, будет работать в очень широком диапазоне входных напряжений.

На Рисунке 5 приведен пример использования LM4040 в схеме формирования слаботочной 5-вольтовой шины из входного напряжения 22…25 В для смещения 5-вольтового входа микросхемы контроллера USB, которому, в худшем случае, требуется всего 100 мкА. Сопротивление резистора здесь выбрано с учетом тока, забираемого нагрузкой, не показанной на схеме. В этом приложении можно использовать дешевую микросхему LM4040-N группы E, имеющую допуск 2%. Как видите, схема очень проста, и при использовании пассивных компонентов типоразмера 0402 занимает совсем мало места.

Рисунок 5.	Слаботочная 5-вольтовая шина, питаемая схемой, использующей источник опорного напряжения LM4040.

При больших выходных токах следует увеличивать размеры последовательного резистора, чтобы позволить ему рассеивать дополнительную мощность. Максимальный ток, который может пропустить через себя большинство источников опорного напряжения, лежит в пределах от 10 мА до 30 мА, что ограничивает возможности приложений.

Для бóльших токов можно использовать тот же опорный источник с резистором, дополнив его транзистором, способным выдерживать необходимую разность напряжений между входом и выходом. Управляемый усилителем ошибки p-канальный МОП-транзистор может поддерживать намного более высокие токи. Усилитель ошибки (в качестве которого используется микросхема одиночного rail-to-rail операционного усилителя) измеряет напряжение V_OUT и сравнивает его с опорным напряжением, поддерживая на выходе хорошо стабилизированное напряжение при различных изменениях тока нагрузки и температуры (Рисунок 6).

Рисунок 6.	Основу этого регулятора с широким диапазоном входных напряжений составляет источник опорного напряжения; способность отдавать большой выходной ток обеспечивается дополнительным внешним p-канальным МОП-транзистором.

Если удалить R2 (и закоротить R1), схема будет очень хорошо стабилизировать напряжение, равное напряжению опорного источника. Делитель R1, R2 обеспечивает возможность установки на выходе любого напряжения, равного опорному, или большему, чем опорное. Несмотря на то, что этот вопрос выходит за рамки данного обсуждения, необходимо напомнить о входном и выходном конденсаторах, которые на схеме не показаны, но обычно необходимы.

Источник опорного напряжения составляет основу почти всех интегральных стабилизаторов напряжения. Вы можете спросить: «Если это так просто, зачем же вообще использовать интегральные стабилизаторы напряжения?» Одна из причин заключается в том, что стабилизатор напряжения содержит схему контроля и ограничения тока нагрузки, а также цепи теплового контроля, защищающие устройство и нагрузку в аварийных ситуациях. И хотя конструкторы могут разработать, и разрабатывают дискретные регуляторы на основе источников опорных напряжений, часто бывает практичнее и экономичнее использовать один из множества доступных сегодня интегральных стабилизаторов напряжения.

В следующий раз, когда вам понадобится слаботочная шина питания, не торопитесь подбирать стабилитрон; вместо этого рассмотрите вопрос об использовании источника опорного напряжения.

Материалы по теме