《高档开关电源控制系统选用的精密运算放大器IC、能实现零温度系数的IC内精密基准电路分析》

第十六届全国电源技术年会论文集《高档开关电源控制系统选用的精密运算放大器ＩＣ、能实现零温度系数的Ｉ　　　　　　Ｃ内精密基准电路分析》刘胜利深圳中电公司摘要：本文讨论了三项内容：一是ＯＰ１７７精密运放核心电路、主要指标；二是ＬＭ３５８又运放内电路分析；三是ＬＭ３３１Ｎ中实现零温度系数的基准电路设计特点和广泛应用。本文一些内容引自我早先编著的显示器和彩电ＩＣ电路分析。叙词：高档控制电路精密运放ＩＣ零温度系数。（　　　　１）精密运算放大器（ＤＰ１７７的ＩＣ内部核心电路、主要性能指标：　　　　１．超低的失调电压：２５ｕＶ（ｍａｘ），２５℃时；２．　　　　杰出的失调电压偏移：０．　１ＡＩＶ／０Ｃ　ｍａｘ；３．　　　　极佳的开环增益和增益线性度：１２Ｖ／ｔＬＶ（典型值）；４．共模抑制比：　　　　１３０ｄＢ；５．电源抑制比：　　　　１１５ｄＢ；。６。１，＊Ａ　　　　　　　占８　２２１　　　　４１ｕ２Ａ　ｋ　ｔ＇　　　１００Ａ　　＋　　　　Ｑ５她　　，入ＱＬＬ　Ｘ斌３。；宁Ｃ１Ｑ１２）１０１ｓＱ８　　　　　　　Ｑｆ门Ｒ２｝ｌｗ位Ｊ！愉出６．电源电流比：　　　　２．　ＯｍＡ（ｍａｘ）　；７．首任工业标准的精密运算放大器产品。　　　　ＶＯＳ　ＴＲＩＭＶＯＳ　ＴＲＩＭＶｆＯｕｒＮＣ图３　　　　　　　　　　ＬＭ３５８（或ＨＡ１７３５８）３Ｒ重（两组相同的）运算放大器基本电路结构特点　　　　　　　　　　　　　　ｑｌ　１２　　　　　　　　　　　　　　　　　　图１　　ＯＰ１７７引脚安排１００ｒ．Ａ（　　　　２）最常用的ＬＭ３５８双运算放大器基本电路分析：式中确。是ｑ（）的电流增益，约为１００；汤、是Ｑ：，的电流增益约为ＬＭ３５８／ＨＡ１７３５８两组运算放大器其中之一的内部简化电１０；　　　　１１２是Ｃｈ：的集电极电流，即为电流源电流１０即Ａｏ路，如图３所示（偏置电路省略未画出），这是一个二级放大的典第二级的增益，　　　　决定于互补输出级的输入电阻，即第二级的型运放电路。图中ｑ一ｑ为达林顿ＰＮＰ管组成的带射极醒流负载电阻Ｒ，；：，可表示为：源的差分输人级，它具有很高的电流放大倍数，电流源Ｑ与ｑ作为其集电极负载彼此又构成镜像恒流源。差分输人级的增益可简单表达为：式中，９Ｍｓ是ｑ（或ｑ）的跨导，其值由偏流和一个ＰＮ结热力学结电压确定（为Ｋｒ／ｑ，Ｋ为９！一＂　２Ｋ１，０－１Ｑｏ　－Ｑ１２构成第二放大级，其中Ｑ，ｏ．Ｑｊｌ为跟随器，Ｑｌ２是共翎＋ＩＮ协ＮＣ　ａ　ＮＯ　ＣＯＮＮＥＣＴ发放大级，１００１ＡＡ电流源是其负载，第二级的输入电阴Ｒ，２可以由（（２．４．４）式中出：Ｒ１２、汤。．汤１２６ｍＶＫＴ＝１０＇０　Ｘ＝２６０ｋｏＡＶ：２・１ｈ９Ｒ，．２＝瓷・　Ｒ１３・Ｒ，２２６０ｋｎ＝Ａｖ２　－０．　２６ｋｆ２１０００若（３１３、　　１００，Ｒ，２　＝２．　６ｋｎ，则Ａｖ，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　－　ｇｍｎ・Ｒ１２于是这个运放开环电压增益凡可表达为：八＝Ａｖ１・Ａｖ２二６，Ａ七１．１５Ｘ１０－＂ｎ５２ｍＶ一１２Ｋ０－１，－‘Ｒｉｏ’ｐｉｔ．Ｋｒ．Ｌ．１ｐｖ，　　　１２　．　　．ｒ一Ｌ＇一洲．１　．１１１Ｚ＂　１＝１０１・Ｒｉｏ・Ａｌ・Ｒ１３・Ａ２２Ｋｒ　　１０５　Ｘ　２．　６ｋｆ２￣３Ｘ１０＂ｓ．　９ｋ０・９０１高当开关电源控制系统选用的精密运算放大器ＩＣ，能实现零湿度系数的ＩＣ内精密基准电路分析ｖ＋（，５“’４‘Ｒｔ八（ＯＭＯｌＲＡＮＵＬＬ）吧土丁．止“沐ｎＲ自日　　１ｃ砍同相输人反相走ａｓ０３　０ｓａｉｌ　０１ｓ越ｎ立。，，１（备叻Ｏａ６妈输人Ｒｄ０２１　ｉｊ山３ａ之２石０２‘图２简化的精密运算放大器（）Ｐ１７７芯片内部核心电路图　　　　可见是一个高增益的运放，因此在构成深度负反馈时，有很抗变换的隔离作用。这是因为运放接成阻跟随器时，可以近似高的运算精度，当接成电压跟随器时，输人输出误差仅为３Ｘ１０－０，即近似为（设汤－＾ｒ１）：看成是一个输人阻抗无限大、输出阻抗趋于零的缓冲器。ＩＣ的Ｖ，关到减速法器运放ｎ的反相输入端，它与从电源电压（１２Ｖ）经Ｒ２１ｏ，　Ｒ２２。及ＶＲ２ｏ：分压确定的直流电夺相减，再放大后输出。八。Ｅ＝二一弄一、牛伪．八．十Ｉ　　　　　　整个运放内电路工作原理如下：当ＩＣ２０２　－　Ｖ，变化使６脚电压由于电源电压是一个常量，但ＶＲ２ｏ：可变，为简单起见，运放ｎ的输出可以利用运放虚地特性十分方便地得到（即利用ＩＣ－Ｖ５　－Ｖ６）：升高时，ＶＳ个￣Ｉｃ，告｝Ｊ，今￣因（Ｉａ十Ｉｃ３）　＝　６ｔＬＡ恒流，故坛个－ＶＢ，ｏ个－ＩＢ，ｏ专￣又因（Ｉ󰀀，ｏ＋ＩＢ󰀀）＝４ｔ．Ａ恒流，故坛，个￣Ｖ󰀀，，个￣ＶＷ２个￣Ｉｎ：个￣又因（Ｉｃ，：十１１９１３　＋　ＩＣ７　＋　Ｉ，５　）　＝１００ｔｉＡ恒流ＩｂＢ５和Ｉｃｙ维持不变，故当ＩＣ１２增大时必使Ｉｓ，　３专，故Ｖｄ３今－ＩＣ１：个￣它在Ｒ，上压降增大￣ＶＨ，３专￣即Ｖ７专。可见经ＩＣ内电路调整后，第二运放ｑ　－ｑ３工作规律是：输出端电压Ｖ７变化趋势与榆人电压Ｖ６的变化趋势相反，即Ｖ６升高时使Ｖ７Ｖ７一Ｖ５＋［Ｃ　　Ｖ５　Ｒ－２ｏｓ　Ｖ　］Ｉ〕　　Ｘ　Ｒ２２，当调节Ｖ５＝５．　５６Ｖ时，若ＶＩＮ　＝　２．　９６Ｖ，则Ｖ，＾－ｒ２．　９５Ｖ，按上式Ｖ＝Ｖ，－－８．７Ｖ．降低或叭降低时使认升高。但由于７脚与６脚之间外经ＩＣ内电路调整后，第二运放ｑ　－ｑ：工作规律是：输出端电压Ｖ７变化趋势与输人电压Ｖ６的变化趋势相反，即认升高时使Ｖ７降低或讥降低时使认升高。但由于７脚与６脚之间外接电阻Ｒ２２１（１２ｋｎ　），使认的变化被Ｖ７的反向变化所抵消，这一深度负反馈作用能使ＩＣ的叭在不同行频时维持恒定不变。可见当行频升高或降低使输入电压ＶＩＮ　＝　Ｖａ或Ｖ１线性增大（或减小）时，虽然Ｖ６维持不变，但Ｖ７会反方向相应减小（或增大）。ＬＭ３５８是一个双运算放大器，　　　　它由芯片内两个相同电路组成，第一个运放接成典型的电压跟随器，第二个运放则通过外部电路构成一个减法放大器，它是一个高增益深度负反馈放大器，如图４所示。由于第二运放输出端７脚与反相输人端６脚之间接一个电阻Ｒ２２１，从而使之构成一个倒相放大器，它在行频变化使ＩＣ－Ｖ改变时，使Ｖ７有一个幅度相同、极性相反的变化，从图４双运放ＬＭ３５８组成的电压跟随器和　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　高增益深度负反馈放大器（　　　　３）能实现零温度系数的ＩＣ内部精密基准电路分析：零温度系数的基准电源，一直是精密电子设备追求的单元部件。通过对双极晶体管ＶＢｅ电压的温度特性研究，提出了著名的能隙基准电源概念。近年来，由于微调技术应用在集成电路中，已研制出温度系数小于ｌ　Ｏｐｐｍ／℃的能隙基准电源，如ＭＣ　１４０３。为弄清ＬＭ３３１其工作原理，先介绍能隙电路的基本概念。图ｉｑ、Ｑｚ是同一硅片上特性相同的匹配晶体管对，都接成二极管结构，Ａ假设为理想运算放大器，电路接成负反馈系统，从而可得到Ｖ，　＝Ｖ２，故而能保持ＩＣ的Ｖ６恒定不变。很显然，来自ＩＣ输入脚的电压Ｖ，，，经电阻Ｒ２０８馈送到ＩＣ中第Ｉ个运放的同相输入端３脚，使ＩＣ的Ｖ，能够１：１地出现在第Ｉ个运放输出端，并且完成电阻・９０２・第十六届全国电源技术年会论文集Ｖｏ二ＶＨＥ２＋ｉ，　Ｒ２又有形式，它是一个负反馈环，从电路显然可得到：＿（Ｒ󰀀　－１－　Ｒ，６）・Ｖ；Ｒ，６ＡＶ󰀀ｅ一Ｖ󰀀２Ｅ一Ｖ‘一Ｌ，．Ｒ，一些Ｉｎ　ＺＺ４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔ，式中整理可得ＶＧ＝Ｖｍ。十ＶＲ２０＝Ｖ，ｅｓ。十（ｉ４，十ｉ，ｏ）・ＲＶｏ＝Ｖ　Ｍ，　－ｔ－瓦。Ｒ２ＫＴ！　　　　　　　　　　　　ｎＲ２．ｉｓ从图６中可知，Ｒ，９上的压降恰好等于△Ｖｓｓ，即ｌａｙ　󰀀ｅ今Ｖ　ｔ，ｅｓｏ一Ｖ　ＨＦＡ９＝—‘“凡Ｉｏ，Ｋ，　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中，Ｋ为波尔兹曼常数，Ｑ为电子电荷量，Ｔ为绝对温度（Ｋｒ　／４Ｉｎ孕之４９　　　　为晶体三极管的热电压值约６０ｍＶ）　ｌｏ，和ｌａ分别是ｑ．　Ｑ２的反向饱和电流，它们的电流比正好等于发射极周长比，并与温度无关。燮Ｖ２日＋Ｖｏ万尸｜一丁」』上ＱＺｆ一－土　　　　　　　　　　　　图５精密能隙基准电源的基本电路若上面Ｖｏ方程式中比值Ｒ２／　　　　Ｒ３和Ｒ２　／Ｒ，也可认为与温度无关，则式（（５．１２）中的第一项Ｖｅｔ是负温度系数，而第二项则是正温度系数。如果电路设计恰当，就可以使两者抵消，即Ｖｏ的温度系数为零，即军二言ａ认）　　一ａ　一二弄尸Ｖ１１Ｋ丁．ｒ８ＴＬＲ３旦Ｆ鱼ｄｌ　　　　　　　ｄｌ由于晶体管的基一射电压Ｖｘｅ随温度增加近乎线性下降，１ｎＲ，・　ａｌｏ，　］一０且可记作；ＶＢＥｌ＝Ｖ；ｐ一〔了式中，Ｖａｃ）为硅在００Ｋ时的禁带能隙电压，约为１．　２０５Ｖ，即为硅的线性外推带隙电压，将（（５．１３）式代人（（５．１２）式可得到：Ｖｏ一ＶＯ一ＣＴ＋ＲｚＴＫ丁．Ｉｏｚ八３　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｌｏ　　，只要满足Ｖａ　＝Ｖ（，ｏ，则（５．１４）式中第二与第三项彼此抵消，即。ｕ　ｌ一８＿ａ厂ＲｚＫＴＴＬＲ３Ｉ一Ｒ，　ｎ　Ｒ２．ＩＩａ门ｍ」此时图５．１０电路输出电压认与温度无关，这就是带隙基准电源的来由。ＬＭ３３１　　　　　Ｎ中采用的精密能隙基准电源及其简化电路见图５．１１。虽然图５．１０所示电路可用来说明能隙电压原理，但其实现零温度系数是由于作了假设；另外电路输出电压为Ｖｃｏ　＝１．　２０５Ｖ，也不适用于某些场合，故实际电路往往采用图（ｂ）简化２正二二ｑ—二＿ＡＶＲ－下二一一Ｅ＿入１　　　　　　　　　　９—找１二犷－１９．丛Ｉｑ　　　　　ｎ　？１４９ｅｏ如果通过电路参数的选择使电流镜Ｑ４７驱动下满足条件ｉｌ）ｌ＿　ｉ４９，也就是利用ｑ。和ｑ。流过相同电流时具有不同的Ｖｌ１：，即利用Ｑｓ。和Ｑ４。的发射极周长比Ａ．５。和Ａｇ４９不同来实现，则可得到：ＵＶＩＷ＝－　１ｎＫＴＩ　　　　　　　　　　ｑ　　　　　　　　　　　　　　丛于是图“中的ＶＧ为际Ｖ　ｃ，＝Ｖ　Ｂａｏ‘十下；。２Ｒ，　　　　　　　　　　　　　　ｏ、１９，，巡输出电压Ｖｏ为：Ｖ󰀀＝Ｒ１７　＋Ｒ１６Ｒｉ　　　　ｉｆ！Ｖｃｏ一Ｃ．Ｌ十一　　．２Ｒ，二芍斗．ｏ找１９　　　　　　　　　　　　　　．巡Ｉｎ调节Ｒ２ｏ　ＩＲ１。的比值，可使上面公式中方括号内的第二项与第三项之和为零。上面公式与前面公式具有类似性质，可通过调节二生下（Ｒ，，　＋Ｒ），。，，￣一二‘，，Ｒ１　　　　一坐二得到所需的Ｖｏ。５，，，”。。！Ｒ７　Ｈ　４！。。　　　　或者只要设计彻。／标。，则可使Ｖ；＝１．　２Ｖ，就能实现零温度系数的输出电压，即ａＶｏ　ｌ　ａＴ　０。设Ｖ０５＂１　－０．　６　Ｖ，则Ｖ＝Ｖｗｏ＋，不尸一２Ｒ，ｏ、找，９入６０ｍＶ　Ｘ　１ｇ镖一‘・２Ｖ采用图上数据；１９一：ｋｎ，　Ｒ２。一ｌＯｋＯ，为要兰毛寻乙ｘ盆ｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　孕黔Ｘ　６０ｍＶ　Ｘｌｇｎ＝０．　６，必需取ｌｇｎ＝１，这样就有：擎．丛Ｉｎｉｓ　　　　ｑｎ恤一。八ａｓｏ．６Ｖ显然只要在设计上使ｑ。发射极周长为ｑ。的１０倍，即可得　　　　到Ｎ＝１０，　Ｉｇｎ＝１。又因姚＝１．２Ｖ，故输出电压为：Ｖｏ＝Ｖ；Ｒ󰀀　＋Ｒ，６Ｒ，５１．２Ｘ玉生士６、１匕　　　　　　　　　　　　　　　　　　．　９Ｖ然而，　　　　图６（ｂ）简化电路是一个无法起动的闭锁电路，另外ＰＮＰ横向晶体管ｑ：的ｈ二较小会使ｑ。、ｑ，两管电流失配，故实际电路要增设一个Ｎ沟道场效应管Ｑ７３作为起动元件。Ｑ７３硅片占版图面积小，在电路中等效于一个较大的电阻向稳压管ＣＲ２提供偏流，流过场效应管Ｑ７３的电流是恒定的，它不随工作电压变化。当电源通时，Ｑ７３导通，使Ｑ７．有偏压，从而引起Ｑｓ一Ｑ，导通，建立了Ｑ３７一　Ｑ。和Ｑ４７￣　　　　　　Ｑ＞。的偏流，其电流大小取决９０３　　高当开关电源控制系统选用的精密运算放大器ＩＣ、能实现零温度系数的ＩＣ内精密基准电路分析Ｖｃｃ（，１２　Ｖ）接Ｑ１１，０１２＃极接０６９．７０Ｖｕ　　Ｑ１３　　　　Ｑ１＞卜　　　　　ＱＱ１５１　　　　　７Ｑ　１６Ｖ，ｆ』黔徽１　Ｊｉｌｌｋ接Ｑ２４闷．．珑极、接Ｑ２２、０２３葵极）Ｒ８ｔ９‘　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图６　　　　　　　　ＬＭ３３１Ｎ芯片内真实的精密能隙基准电源及简化电路于Ｒｉｇ　．Ｒ２。的阻值。倒如Ｑａ，和Ｑ５。的电流之和为：极电流为：（１４９＋１５ｏ）＝１．２一０．６＿。。，‘　　姚一Ｖｄｅｓｏ牛￣￣一－二＿￣响－，　　　　　　ｉ　Ｖ．　ｔＶＯＩＩｌｎＲ２　　　　ｏｌｕ　　　　　　　　　　使ｂ１３８的工作电流也为。．　０６ｍＡ，即６０ｐＡ．而基准电流Ｑ１３的射（上接第９０７页）（　　　　３）使用芯片需加合适的散热器。ＴＯ－２２０封装的器件可直季毛专甲专幸哈甲咯半含书会甲会乎会甲啥幸会水会价卜俐如剐曰黯月畴岸啥甲啥甲会令分桂甲专甲奄ｆｔｆ含甲去甲啥甲奋召毛甲毛诏号甲略ｒ幸含甲嘴甲希甲略甲套幸希甲专诏略唱咤毕专幸奄召会幸呛咯会诏咤召吃接装在小散热板，ＤＩＰ－８和ＳＭＤ－８封装的器件可将４个源极焊在的印制板敷铜箔上以代替散热片。（４）为了抑制从电网引人的干扰，　　　　也防止开关电Ｍ＇产生的干扰向外部传输，可在电源进线端增加一级电磁干扰滤波器（ＥＭＩＦＩＬＴＥＲ），亦称电源噪声滤波器。（　　　　５）源极脚的引脚长度应尽量短，采用有额定温度的电容器接在源极脚与控制脚之间，作旁路电容器。咐１伽巾书枷升吸护Ｊ，．１』引．，甘，曰０１４Ｒ；　ｋｉｉＲ２１｛Ｒ　（ｉ２ｒＸｋ：Ｌ民（ｂ）简化电路Ｖｌ，一ＶＲｑＸ２（１．９一０．　６）　ＶＸ２二３２５ｊ．Ａ８　ｋＱ进而可推出所有管子的工作电流。参考文献［１〕刘胜利．现代高频开关电源实用技术．２００１年９月第１版．电子工业出版社．　　　　〔幻周志每，周纪海．开关电源实用技术－一设计与应用．２００３年８月第１版，　　　　人民邮电出版社．［３〕沙占友．新型单片开关电源的设计与应用．２００１年１月第１版，电子工业出版社．　　　　作者简介　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　李强，　　　　硕士研究生，专业：电力电子与传动，研究方向：电力电子功率变换与开关电路电磁兼容。王涛，　　　　硕士研究生，专业：电力电子与传动。４结语综上所述，　　　　采用ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ－　Ｉ器件设计开关电源成本低、体积小、重量轻、效率高，我们只要在设计中考虑到上述问题并加以解决就可以根据不同要求、不同应用场合，成功的设计制作出不同要求和档次的产品。景有泉，　　　　教授，硕士生导师，主要从事电力电子功率变换、功率因数校正和电磁兼容的教学及研究。・９０４