問題:
有什么好的解決方案可以產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 等數字電路的幾何結構尺寸不斷縮小,電子元器件的電源電壓一直持續下降。在測量領域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采用約 1.2 V 的反饋電壓。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置的最低電壓。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,所以能夠獲得更低的電壓。圖 1 所示為這種類型的開關穩壓器 LTC3822,它以 0.6 V 的基準電壓產生 0.6 V 的反饋電壓。

 

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,如果需要低于 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于反饋電壓的電壓??梢酝ㄟ^使用圖 2 所示的電路實現。將電阻分壓器與一個外加的偏置正電壓連接,用于調節輸出電壓。該電壓可以由低壓降穩壓器(LDO)或基準電壓源產生。這樣,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 之間關系。

 


對于電阻分壓器的阻值選擇,建議 R1、R2 的總和介于 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噪聲耦合到敏感的反饋路徑。

 

圖 2. 對圖 1 電路進行調整,可以產生低于 0.6 V 的輸出電壓

 

這一設計理念通常適用于產生低于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并損壞負載電路。


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,使其電壓高于設置電壓。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,應使用特別干凈的低紋波電壓。


此外,并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范圍也許只能提供較高電壓下的工作范圍。還應該注意的是,在較高輸入電壓下產生極低電壓,還需要低占空比。這里,選擇一個具有較短最小導通時間的開關穩壓器 IC,并在低開關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壓器或開關穩壓器,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,產生一個 200 mV 輸出電壓。根據數據手冊,LTC3822 適用于產生最低 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)可以通過 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。