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周末随想: 带隙(能隙)基准电压 Band Gap
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2023.10.31 上海

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DCDC或ACDC控制器的基准电压或参考电压也就是输出电压反馈管脚VFB对应的内部运放的基准电压输出电压通过分压电阻连接到VFB管脚,在输入电压以及负载发生变化的时候,通过内部的调节,维持输出电压的稳定。如果环境温度发生变化,输出电压也要稳定,因此基准电压也要具有温度补偿特性,控制器内部通常使用带隙(能隙)基准电压。

什么是带隙基准电压?先来看看PN结二极管的特性,二极管的电流ID为:

可以得到:

其中,VT为热电势,IS为PN结的饱和电流,K为玻尔兹曼常数(1.381*10-23),q为电子电荷(1.602*10-19),T为绝对温度,B为比例常数,VGO为硅的能隙(带隙)电压(1.205V)。

于PN结的基电压的输出主要由硅的能隙电压VGO来决定,因此其称为能隙电压基准,或带隙电压基准,Band Gap

PN结通二极管过一定的正向偏置电流ID时,VD随温度变化公式为:

(2)(3)(4)代入(1):

(6)(7)代入(5):

PN结二极管在T=25C,VD=0.65V时,可以计算二极管正向电压的温度系数:

PN结二极管正向压降为负温度系数使用硅的能隙电压设计基准(参考)电压,必须使用具有正温度系数的器件如电阻和PN结串联,如果选择值合适,二者由于温度变化产生的电压漂移刚好相互抵消,那么PN结和电阻串联后的电压的温度系数为0,从而实现温度的补偿。

图1:温度补偿

电阻R1的电压为VR1=a*VT,VBE=VD,得到:

调整a的值就可以保证PN结和电阻串联后的电压的温度系数为0。

带隙电压基准由Brokaw发明,具体电路如图2所示,Q1、Q2的发射极面积不同,分别为nAE、AE,因此IS1/IS2=n;Q1、Q2的集电极电阻相等同,因此IC1=IC2

图2:Brokaw带隙电压基准

忽略基极电流,则有:

所以,基准电压VBG为:

调整R4/R3和n的值,就可以保证PN结和电阻串联后的电压的温度系数为0。

通过运放、R1和R2,可以将VBG电压抬高:

如果将VGB直接作为基准电压,那么VBG相当于电源控制器的VFB管脚,运放的输出就相当于COMP管脚,如图3所示。

图3:电源PWM控制器输出反馈

若R3=30K,R4=150k,n=10,VFB=1.255V;若R3=60k,R4=280k,n=10,VFB=1.23V。

这个电路是很多DCDC电源IC的输出电压反馈运算放大器对于交流信号,当输出电压增大、VFB管脚电压增大时: 

因此,运放的输入电压将降低,COMP管脚的电压增加,反之亦然,达到调节的要求。

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