对二极管压降变化进行补偿以减少容差错误的三个实例说明

周三, 26 五月 2021 - 14:56

作者：John Betten

二极管正向压降与二极管整流同样实用，它会随温度的不同而发生很大变化，从而导致损耗增加，使电源出现容许误差。

虽然不可能消除损耗，但可以使用二极管来减少某些应用中的容差错误。本文将通过三个实例来展示如何达成这一目标。

您可以使用一个电阻器和一个齐纳二极管构建一款简单的低电流稳压器。这种稳压器通常适用于非临界应用，如内部偏置电压等。一般来说，电路会将输出电压的容许误差控制在约±10%的范围，但也可能通过串联一个二极管来改进调节功能。

图1显示了在齐纳二极管电路中串联一个二极管，曲线绘制了齐纳二极管的不同电压对应的温度系数。当稳压二极管电压大于4.7V时，温度系数逐渐变为正数，因此当工作温度升高时，齐纳二极管电压随之升高。如果与温度系数为负值的二极管配对，通过降低二极管正向电压，齐纳二极管增加的电压会被抵销，从而消除温度误差。

齐纳二极管电压小于4.7V时，对应的温度系数为负值，串联一个二极管实际上会增大调节误差。

图1：将正温度系数齐纳二极管与负温度系数二极管串联可以降低温度误差。

例如，7.5V的齐纳二极管的温度系数为+5mV/°C，而传统二极管(BAT16)的温度系数在10mA电流下约为-1.6mV/°C。二极管电流非常小时，温度系数会逐渐变小(-3mV/°C)，因此务必在齐纳二极管有电流经过时进行检查。理想的情况是正负温度系数完全相互抵消，但是这不切实际也没有必要，简单的改进便已足够。在二极管具有高电压且正温度系数更高的情况下，可以使用两个（或两个以上）二极管改进抵消的效果。

图2显示了在工作温度范围为25°C~100°C时，在没有串联二极管、串联一个二极管和串联两个二极管的情况下，图1中计算得出的电压调整偏差与不同齐纳二极管输出电压的对比情况。图2中的垂直线显示增加串联二极管后，在7.5V输出电压下，与温度相关的误差可以减少3~5%。

图2：将一个或多个二极管与电压值超过4.7V的齐纳二极管串联可以降低电压调节误差。

第2个例子中使用了转换器，该转换器要求电平移位器向控制电路发送输出电压信息。

图3是一个负输入到正输出的反相降压-升压电路。控制电路以-Vin轨为基准，输出电压以接地端为基准。为了使控制电路精确调整输出电压，电平移位器重建了“FB和-Vin”间的差分“Vout到GND”电压。在这一实现中，约等于(Vout - Vbe Q1)/R的电流源从Vout流向Vin。电流在较低电阻中流动，重建以-Vin为基准的输出电压。增加Q2，配置成二极管，可以恢复Q1产生的Vbe压降损失。此时，除了与beta相关的小误差，FB引脚处的电平位移电压差不多复制了Vout和GND间的电压。

增加“二极管”Q2的一个好处是可以使Q2的正向电压和Q1的电压非常接近，因为流经这两者的电流几乎完全一样。要想获得与Q2匹配的最佳电压，应使用与Q1同样的电阻器。另一个好处是两个电阻器具有相同的温度系数，使两者可以更准确地追踪彼此的正向电压。与Vbe变化相关的温度误差显著减少，因为它们彼此相互抵消 (VFB ~ Vout — Vbe Q1 + Vbe Q2)。将Q1和Q2放在相邻的位置非常重要，因为这样两者就处于相同的温度下，如有可能，请使用双晶体管封装。

图3：电平移位器用Q2抵消Q1相关的变化。

图4的第3个示例显示带有一组电荷泵级的升压转化器，每级“n” 向总输出增加近似“V1”，得到结果 “Vn + 1”。

图4：电荷泵二极管压降可以相互抵消。

总输出电压的近似值为：

在公式（1）中，可以看出Vn+1很大程度上由n的倍数决定，但受到二级管正向压降相关的“误差项”和电荷泵转换电容纹波电压的影响，会有所减少。假设所有二极管都是相同类型的，那么它们的正向电压等于：

VD1 = VDa = VDb，得出公式（2）：

公式（2）中，右边的“误差项”使输出电压低于理想的n+1倍。要改进这点，VDa和VDb使用肖特基二极管，而VD1使用传统二极管，正向电压降等于：

VDa = VDb = VD1/2，得出公式（3）：

从公式（3）可以看出，减少二极管压降相关的误差项从而进一步增加输出电压是可能的。但公式（3）仍然只是一个近似值，输出电压增加的概念是有效的。

二极管正向电压和温度变化常常会降低电路的性能，但不一定总是如此。这些设计实例展示的方法都有可能抵消或最大程度减小二极管温度相关的误差。

本文转载自《电子技术设计》网站