ZHCT480 February 2024 LM5155 , LM5156
盡管二極管的整流特性很有用，但在不同溫度下，它們產(chǎn)生的正向壓降差異很大。這會增加損耗，可能會在電源中引入容差誤差。
雖然可能無法消除二極管的損耗，但在某些應(yīng)用中可以使用它們來減少容差誤差。本文將提供三個示例，向您展示如何做到這一點。
您可以利用電阻器和齊納二極管，構(gòu)建一個簡單的低電流穩(wěn)壓器。這類穩(wěn)壓器通常足以滿足非關(guān)鍵應(yīng)用的需求，如內(nèi)部偏置電壓。電路通常會將輸出電壓調(diào)節(jié)至大約 ±10% 容差。不過，通過增加一個串聯(lián)二極管，可以改善穩(wěn)壓效果。
圖 1 顯示增加了一個與齊納二極管串聯(lián)的二極管。圖 1 ?中的曲線繪制了不同齊納電壓的溫度系數(shù)。當(dāng)值超過 4.7V，溫度系數(shù)會變?yōu)樵絹碓酱蟮恼?，因此隨著工作溫度的升高，齊納二極管上的電壓將會增加。如果配合二極管的負(fù)溫度系數(shù)，增加的齊納電壓一部分會因二極管正向電壓降低而抵消，從而消除溫度誤差。
低于 4.7V 的齊納值具有負(fù)溫度系數(shù)，因此增加串聯(lián)二極管實際上會加大調(diào)節(jié)誤差。
圖 1 正溫度系數(shù)齊納二極管與負(fù)溫度系數(shù)二極管相串聯(lián)，可減小溫度誤差。例如，7.5V 齊納二極管顯示溫度系數(shù)為 +5mV/°C，而傳統(tǒng)二極管 (BAT16) 在 10mA 下的溫度系數(shù)約為 ?1.6mV/°C。當(dāng)二極管電流非常小時，該值變?yōu)樵絹碓叫〉呢?fù)值 (?3mV/°C)，因此請務(wù)必在齊納二極管的電流水平下進行檢查。理想情況下，兩個溫度系數(shù)將完全抵消，但這并不現(xiàn)實，也并非總是有此必要，因為簡單的改進可能就已足夠。對于正溫度系數(shù)更高的較高電壓齊納二極管，兩個（或更多）二極管可能會改善消除效果。
圖 2 顯示了不同齊納值（無串聯(lián)二極管、具有一個串聯(lián)二極管和具有兩個串聯(lián)二極管）的輸出電壓下，計算出的圖 1 對應(yīng)電壓調(diào)節(jié)誤差，工作溫度在 25°C 和 100°C 之間。圖 2 中的垂直線顯示，在 7.5V 輸出下，增加串聯(lián)二極管可以將溫度相關(guān)誤差減小 3-5%。
圖 2 在超過 4.7V 的齊納值下增加一個或多個串聯(lián)二極管可減小電壓調(diào)節(jié)誤差。第二個示例涉及一些轉(zhuǎn)換器，它們需要一個電平轉(zhuǎn)換器來將輸出電壓信息發(fā)送到控制電路。
圖 3 是負(fù)輸入轉(zhuǎn)正輸出反相降壓/升壓?？刂齐娐芬??Vin 軌為基準(zhǔn)，但輸出電壓以 GND 為基準(zhǔn)。為了使控制電路準(zhǔn)確調(diào)節(jié)輸出電壓，電平轉(zhuǎn)換器會在“FB 和?Vin”之間重建差分“Vout 至 GND”電壓。?在這種實現(xiàn)中，電流源大約等于從 Vout 到 ?Vin 的 (Vout ? Vbe Q1)/R 流。該電流在下電阻器中流動，從而重建以 ?Vin 為基準(zhǔn)的輸出電壓。通過添加配置為二極管的 Q2，會恢復(fù)從 Q1 損耗的 Vbe 壓降。現(xiàn)在，除了與 β 相關(guān)的小誤差外，F(xiàn)B 引腳上的電平轉(zhuǎn)換電壓會密切復(fù)制 Vout 和 GND 之間的電平轉(zhuǎn)換電壓。
增加“二極管”Q2 的一個優(yōu)點是，它的正向電壓將非常接近 Q1 的電壓，因為流經(jīng)二者的電流幾乎完全相同。要在 Q2 上實現(xiàn)最佳的電壓匹配，應(yīng)使用與 Q1 相同的晶體管。另一個優(yōu)點是兩個晶體管具有相同的溫度系數(shù)，使得它們的正向電壓可以更精確地相互跟蹤。與 Vbe 差異相關(guān)的溫度誤差得以顯著減小，因為它們會互相抵消 (VFB ~ Vout ?Vbe Q1 + Vbe Q2)。Q1 和 Q2 務(wù)必要彼此靠近放置，以便它們暴露在相同的溫度下，或者使二者盡可能使用雙晶體管封裝。
圖 3 電平轉(zhuǎn)換器通過實現(xiàn) Q2 來消除與 Q1 相關(guān)的差異。圖 4 ?中所示的第三個示例顯示了一個具有一系列電荷泵級的升壓轉(zhuǎn)換器，此時每個級“n”會在“Vn + 1”時的總輸出上增加大約“V1”。有關(guān)電壓倍增器工作的更多詳細(xì)信息，請參閱“電源設(shè)計小貼士：倍增您的輸出電壓”。
圖 4 電荷泵二極管壓降可以相互抵消。方程式 1 將總輸出電壓近似為：
從方程式 1 可以看出，Vn + 1 在很大程度上由 n 的倍數(shù)決定，但會因與二極管正向壓降和電荷泵轉(zhuǎn)換電容器紋波電壓相關(guān)的“誤差項”而降低。假設(shè)所有二極管類型相同，且其正向電壓相等：
VD1 = VDa = VDb，則方程式 2 為：
在方程式 2 中，右側(cè)“誤差項”會將輸出降低至其理想的 n + 1倍數(shù)以下。為了改善這一點，對 VDa 和 VDb 使用肖特基二極管，并對 VD1 使用傳統(tǒng)二極管，正向壓降等于：
VDa = VDb = VD1 /2，則方程式 3 為：
從方程式 3 可以看出，可以減小與二極管壓降相關(guān)的誤差項，從而進一步增加輸出電壓。雖然方程式 3 仍是一個近似值，但此概念有效，原因在于輸出電壓將會增加。
二極管正向電壓和溫度變化通常會降低電路性能，但并非總是如此。這些設(shè)計示例證明借助一些方法，可以消除或盡可能降低二極管的溫度相關(guān)特性。
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