非常見問題:使用標準穩壓器產生極低電壓

現場應用工程師Frederik Dostal


問題:

有什麼好方法可以產生只有幾百毫伏的微型直流電源電壓?

RAQ Issue: 181

答案:

只需將一個乾淨的外加正電壓連接至DC-DC轉換器的回饋電阻即可。

在過去的幾年裡,由於微控制器、CPU、DSP等數位電路的幾何結構尺寸不斷縮小,電子零件的電源電壓一直持續下降,而在測量領域中,也有一些需要低電源電壓的應用。

多年以來,線性穩壓器和開關穩壓器一直採用約1.2 V的回饋電壓。此電壓由DC-DC轉換器IC中的帶隙電路產生,它確定了使用外部電阻分壓器可以設定的最低電壓。到目前為止,大多數現代穩壓器IC都可以產生0.8 V、0.6 V甚至0.5 V的輸出電壓。內部基準電壓源也按這種方式設計,因此能夠獲得更低的電壓。圖1所示為此類型的開關穩壓器 LTC3822,它以0.6 V的基準電壓產生0.6 V的回饋電壓。

Figure 1. An LTC3822 dc-to-dc converter for generating low output voltages of 0.6 V or higher.
圖1.可產生0.6 V或更高低輸出電壓的LTC3822 DC-DC轉換器。

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

利用一些技巧,您也可以使開關或線性穩壓器產生低於回饋電壓的電壓。可以透過使用圖2所示的電路實現。將電阻分壓器與一個外加的正電壓連接,用於調節輸出電壓。該電壓可以由低壓降穩壓器(LDO)或基準電壓源產生。這樣一來,電阻分壓器構成了一個電壓分壓器,電流IFB的流動方向與圖1中的常規情況相反。在圖2中,電流從外部基準電壓源經由電阻分壓器流向輸出電壓。

公式1顯示了IC的回饋電壓(VFB)、所需的輸出電壓(VOUT)、外加正極直流偏壓電壓(VOFFSET),以及電阻分壓器的電阻R1和R2之間關係。

Equation 1

對於電阻分壓器的阻值選擇,建議R1、R2的總和介於100 kΩ和500 kΩ之間。這使得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雜訊耦合到敏感的回饋路徑。

Figure 2. Circuit of Figure 1 modified to generate output voltages of less than 0.6 V.
圖2.對圖1電路進行調整,可以產生低於0.6 V的輸出電壓。

這一個設計理念通常適用於產生低於開關穩壓器或線性穩壓器的額定最低電壓的電壓。但是,應注意幾點:外加的基準電壓源應在DC-DC轉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轉換器可能會產生過高的電壓並損壞負載電路。

在最糟糕的情況下,即當開關穩壓器尚未開啟但輔助電壓已經施加時,流經電阻分壓器的電流IFB將為輸出電容充電,使其電壓高於設置電壓。當負載具有極高阻抗時,就會發生這種情況。所以設置一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生的電源電壓精度。因此,應使用特別乾淨的低漣波電壓。

此外,並非所有電壓轉換器都適合進行此類操作。例如,DC-DC轉換器中電流檢測放大器的測量範圍也許只能提供較高電壓下的工作範圍。還應該注意的是,在較高輸入電壓下產生極低電壓,還需要低工作週期。這裡,選擇一個具有較短最小導通時間的開關穩壓器IC,並在低開關頻率下工作可能是非常有幫助的。

Figure 3. A simulation tool such as LTspice® from Analog Devices can be used for initial testing of the circuit.
圖3.可以使用模擬工具(例如ADI的LTspice®)對電路進行初始測試。

如果要以低於IC製造商指定的輸出電壓運行線性穩壓器或開關穩壓器,使用模擬工具(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構成的電路,使用額外的電壓源作為回饋路徑的偏置。在這個電路中,產生一個200 mV輸出電壓。根據資料手冊,LTC3822適用於產生最低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)可以透過LDO穩壓器或基準電壓源實現。利用本文所述的技巧,對電路進行完全測試,甚至可能產生更低的輸出電壓。