采用ICL8211和ICL8212的電源

摘要：ICL8211和ICL8212是微功率的雙極性單片集成電路，主要用于精密電壓檢測和精密電壓產(chǎn)生。這兩種集成電路分別由精密基準電壓、比較器和一對輸出緩沖/驅(qū)動器組成。

1引言

　　當(dāng)加至ICL8211預(yù)置門限輸入端（THRESHOLD）的電壓低于1.15V時，它具有7mA的輸出限流功能。圖1是ICL8211的功能框圖。

　　當(dāng)輸入ICL8212預(yù)置端電壓大于1.15V時，它為一飽和晶體管輸出（無限流）。圖2是ICL8212工作框圖。

這兩個電路，當(dāng)預(yù)置輸入端電壓大于1.15V時，輸出級飽和，并具有可控低電流回差。

　　ICL8211和ICL8212可用于不同輸出電壓檔次的應(yīng)用場合，并可用作溫度監(jiān)測元件。

　　ICL8211/ICL8212也可用于各種電壓檢測、電源故障檢測、穩(wěn)壓器、可編程基準電壓和恒流源等應(yīng)用場合。下面主要討論ICL8211/ICL8212在各種電源電路中的應(yīng)用。其主要優(yōu)點是可使電源在很低的電壓和電流下工作，而普通的標準電源又不能適應(yīng)這些工作場合。同時，由于ICL8211/ICL8212的獨特特性，使得它們在許多輔助電路，如電流源、過壓保護、可編程基準電壓源和電源故障保護應(yīng)用中非常有用。

圖1ICL8211功能框圖

圖2ICL8212工作框圖

2正極性輸出穩(wěn)壓電源

　　采用ICL8211/ICL8212可以設(shè)計一系列低電壓輸入、低壓差輸出的穩(wěn)定電源。這在低功耗的電路板上低輸入輸出電壓應(yīng)用場合特別有用。

　　圖3所示的ICL8211具有提供基準參考電壓和

采用V1作為輸出擴展功能。電阻R1決定ICL8211的輸出電流，C1、C2用以使電路穩(wěn)定工作，并可起抑制輸入到輸出的瞬態(tài)變化。R2、R3用以決定輸出電壓Vout。

圖3采用PNP管擴展輸入的正極性輸出穩(wěn)壓電源

圖4采用結(jié)型場效應(yīng)管加大輸入電壓范圍電路

圖5采用NPN和PNP管擴展輸入電壓

圖6采用晶閘管擴展的正極性穩(wěn)壓器

Vout=1.15(R2＋R3)/R3

　　同時，R2、R3為V1提供一個小維持電流，以確保電路穩(wěn)定工作。當(dāng)輸出電壓可調(diào)時，可將R2或R3改為可變電阻。當(dāng)R2可變時，輸出電壓隨R2轉(zhuǎn)動角度呈線性變化。但是當(dāng)R2開路時，輸出電壓將上升。所以，一般使R3為可調(diào)，這樣可使電路輸出不致于由于R3斷開而使輸出電壓上升，從而達到保護作用。

　　V1的選擇取決于輸出的需要。ICL8211在最差的情況下，它的最大輸出電流為4mA，所以選適當(dāng)?shù)腣1，它可輸出50mA電流，并使輸入/輸出間壓降為0.5V。如果要使輸出電流更大，V1可采用復(fù)合管，但電源的輸入/輸出電壓差將增加。

　　需注意的是，電路中的V1具有反相作用，所以使用時，應(yīng)使用ICL8211的同相輸出端，以確保電路具有負反饋作用。

　　應(yīng)注意圖3在實際使用時，ICL8211的最大工作電壓為30V。采用圖4所示電路，可使供電電壓更高。

　　這個電路中，輸入電壓的最大值取決于V1的額定值，輸入/輸出電壓降取決于V1管的內(nèi)阻RDS（on）。例如V1選用IN4391時，電路的最大輸出電流IDSS（max）=50mA，則輸入/輸出壓差為：

RDS（on）×ILOAD=30Ω×50mA=1.5V　　當(dāng)負載電流變小時，相應(yīng)的輸入/輸出壓差將更小。

　　如采用場效應(yīng)管擴展輸入電壓范圍，應(yīng)使場效應(yīng)管的關(guān)斷電壓值必須低于輸出電壓，以便于ICL8212能在空載時使它的V1柵極電壓足夠低，確保電路關(guān)斷。

　　電路的時間常數(shù)主要取決于R2×C1。這個時間常數(shù)值應(yīng)足夠小，以保證電路的瞬態(tài)響應(yīng)特性和電路工作穩(wěn)定性。電容C2的取值和輸出電壓保持時間有關(guān)。然而由于ICL8212的寬頻帶和場效應(yīng)管的快速特性，所以以上限制并非十分嚴格。

　　當(dāng)電路的輸出電流要求更大時，可采用雙極型晶體管進一步擴展輸出電流。當(dāng)使用中既需要擴展輸入電壓范圍又需降低輸入/輸出壓差時，可采用圖5所示電路。

　　這個電路除V1工作在共基極狀態(tài)用以緩沖由于輸入電壓變化對ICL8211輸出的影響，R1、D1用以保護ICL8211。在這個電路中，ICL8211不能由穩(wěn)壓后的電壓供電。否則，電路無法自起動。R2、R3、R4、C1和C2的選擇同圖3。D1的工作電壓值需等于或稍大于輸出電壓值。R1為ICL8211提供工作電流。起動電路的另一種變通是用R5和D2取代D1。在這種情況下，R1、R5的選擇原則是一旦電源穩(wěn)定工作后，ICL8211通過D2供電。

　　圖5所示電路中，V1和V2用典型的SCR或晶閘管的方式連接。圖6的電路使用元器件數(shù)量少，并且輸入電壓較高。晶閘管工作在線性狀態(tài)，陰極控制門極輸出。

　　注意，圖4所示電路的輸出電流主要取決于IDSS。一般而言，不要在回路中串聯(lián)電流取樣元件。當(dāng)電源直接安裝在電路主板上時，輸出短路的可能性不大，所以輸出過流保護不是十分必要。即使需保護電路，添加也十分方便。圖7是在圖3上加了最簡單的恒流保護功能的電路圖。

圖7具有限流功能的PNP擴展電壓、電流的正極性輸出電路

圖8結(jié)型場效應(yīng)管擴流的負極性輸出穩(wěn)壓電源

圖9采用NPN、PNP管擴展輸出的負極性輸出穩(wěn)壓電路

圖10采用NPN、PNP管擴展輸出的負極性輸出限流電路

　　圖中的電流限定值由電阻R2決定。

3負極性輸出穩(wěn)壓器

　　按圖4所示電路可以很方便地構(gòu)造一個負輸出電壓的穩(wěn)壓電源。當(dāng)然這時的結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)選用P溝道型，其余的選擇原則同圖4。當(dāng)需要進一步擴展輸出電流時，可再加一只NPN型的擴流三極管V2。然而由于NPN晶體管的電荷存儲效應(yīng)將降低環(huán)路帶寬。所以應(yīng)加大R2或C1來保護電路工作穩(wěn)定性。注意在圖8中，使用的是ICL8211而不是ICL8212，這樣可確保反饋信號極性正確，保證電路工作在負反饋狀態(tài)。

　　圖9是圖5、圖6的等效電路。電路中，R1、R2和D1用以確保電路自起動。R1、R2的取值應(yīng)確保V1的基極電壓足夠（－1V），以保證在最低輸出電壓情況下電路起動，但是一旦電路工作后，即使在最大輸出電壓情況下，D1必須保持導(dǎo)通，否則，ICL8212的輸出電位不足以低，以致在空載時關(guān)斷V2。這樣當(dāng)最低輸入電壓－4V輸出電壓－3V的情況下，R1/(R1＋R2)應(yīng)為1/4,當(dāng)最大輸入為－12V時，可使V1的基極不低于－3V。不受這種條件限制的另一種變通情況是將R1用一只穩(wěn)壓二極管代替，并同時減小R2的取值和不用二極管D1。

　　在這種情況下的唯一限制就是穩(wěn)壓二極管的電壓值應(yīng)低于或等于穩(wěn)壓電路的輸出電壓值。

　　在圖9所示電路中，在最大負載條件下，R3的取值應(yīng)使通過V1給V2提供足夠的基極驅(qū)動電流。通過R3的最大電流值為12mA，為最差工作條件下ICL8212的輸出電流。

　　利用圖7所示的類似方法可在圖9所示電路中實現(xiàn)輸出限流。在這種情況下，通過R3為V2基極提供基極電流，從而確保電路完成限流功能。

4可編程電源電路和輔助電源電路

　　圖11為采用ICL8212做可編程基準電源電路。適當(dāng)選用R2值，基準電壓變化范圍為2V～30V，基準電壓值由下式?jīng)Q定：

VZ=1.15×（R1＋R2）/R1　　由于在ICL8212中沒有內(nèi)部補償，圖11中的電容C1用來確保電路穩(wěn)定工作是必不可少的。值得注意的兩點是：在300μA～12mA的工作電流范圍，極低的轉(zhuǎn)折電流（低于300μA）和低的動態(tài)阻抗（典型值4Ω～7Ω）。

圖11可編程基準電源

圖12恒流源

圖13可編程電流源

圖14標準限流電路

圖15限流措施的改進

　　圖12所示電路表示如何利用ICL8211/ICL8212構(gòu)成恒流源。主要應(yīng)用于在電源設(shè)計中為差分放大器提供射極電流。更有用的應(yīng)用是圖13所示的可編程電流源。

　　在這種情況下輸出電流可由下式?jīng)Q定：

IO=25μA＋VBE/R1＋1.15/R2(1＋β)

　　式中β表示V1的放大倍數(shù)，VBE表示發(fā)射極—基極電壓。這個電流值和實際值有偏差是由于β值隨V1集電極電壓變化的原因。在2V～30V的工作電壓范圍內(nèi)可編程電流范圍為300μA～50mA。這個電流可用作常用的串聯(lián)穩(wěn)壓源的工作電流。在這一些高穩(wěn)定應(yīng)用場合，可用這個恒流源作穩(wěn)壓管的供電電流。同時由于ICL8212中沒有補償，C1用作確保電路穩(wěn)定工作，并可在供電電壓發(fā)生變化或瞬態(tài)期間保證輸出電流恒定。

　　在簡單串聯(lián)穩(wěn)壓電源中的標準過流保護電路如圖14所示。

　　限流值由下式?jīng)Q定：

ICL=VBE(V3)/R2

　　這個電路的缺點是V3發(fā)射極—基極的溫度系數(shù)不理想，由于穩(wěn)流環(huán)的增益不高而致使穩(wěn)流、穩(wěn)壓瞬態(tài)特性不佳。

　　這種情況下的限流值由下式?jīng)Q定：

ICL=1.15V/R2

　　這個電路的優(yōu)點是較好地改善了限流電路的溫度系數(shù)。圖14的典型溫度系數(shù)為0.39％/℃，而圖15所示電路的溫度系數(shù)典型值為0.02％/℃。同時，由于ICL8212的較大的增益使得在限壓、限流的轉(zhuǎn)換特性很好。這個電路中的門限電壓范圍也較低，如需要精密調(diào)節(jié)門限值時，可以添加電阻R3、R4，具體做法如圖15所示。

　　這個電路的主要缺點是R2引起的額外500mV的壓降而影響電路的限流特性。同時由于低工作電壓和電源電流可使ICL8212直接由電源的基極驅(qū)動電壓驅(qū)動。

圖16高壓關(guān)斷電路

圖17撬桿式過壓保護電路

圖18撬桿過壓保護電路

圖19欠壓保護

　　對于電源中對高電壓瞬態(tài)特性敏感的負載，這個電路有保護作用。如果輸入電壓高于電阻R1、R2設(shè)定的門限電壓值，ICL8211在負載的瞬態(tài)期間可關(guān)斷V1，從而保護負載，如需要可通過設(shè)定R3來選擇適當(dāng)?shù)幕夭铍妷骸?/P>

　　過壓保護電路的典型應(yīng)用形式是晶閘管撬桿電路，在過壓情況下，它可以短路電源輸出。圖17所示電路，當(dāng)達到由R1、R2設(shè)定的門限電壓時，電路觸發(fā)晶閘管。極低的ICL8212靜態(tài)電流意味著可忽略在檢測期間R4上的壓降，所以精度很高，并且可靠觸發(fā)晶閘管。由于只要達到門限電壓值時，電路將提供負反饋，電阻R4上的電壓將上升，這樣通過第2引腳可提供回差電壓，這點可通過第2引腳的足夠正反饋來克服。電阻R3用以限制ICL8212的輸出電流到一個安全值，即20mA。為使電路正常工作，晶閘管的觸發(fā)電流不大于10mA，可采用圖18所示電路得到更大的晶閘管觸發(fā)電流。

　　在這種情況下，ICL8211使V1的基極電位保持低值，直至這個晶閘管被觸發(fā)。電路中通過R3的電流最大值為4mA，過大會超過ICL8211的輸出能力。這個電路中晶閘管的觸發(fā)電流范圍為50mA～100mA。

　　注意在以上兩個電路中要使撬桿保護電路工作電壓低至3V，只需單一電源供電即可。所以這種電路很適用于為邏輯電路供電，實際上為了使電路安全可靠工作，不希望使用輔助電源。

　　如果供電電壓低于由R1、R2決定的設(shè)定值時，V1關(guān)斷，完全切斷負載，致使電路不工作。需注意的是，當(dāng)斷開負載瞬間會使輸出電壓上升并可能伴有振蕩現(xiàn)象。所以，利用電阻R3提供一個回差電壓，這個回差電壓應(yīng)大于滿載時穩(wěn)壓電源壓降。

　　圖16和圖19所示電路可接成如圖20所示的電路：電源電壓在一個指定范圍內(nèi)只接有一個負載。這種電路中，IC1用作過壓檢測而IC2用于欠壓檢測。同樣由電阻R3、R5可設(shè)定電路回差范圍。

　　在許多電路系統(tǒng)中，特別是采用微處理器的電路系統(tǒng)中，為保護系統(tǒng)正常工作，常需在整個系統(tǒng)供電發(fā)生故障前能使系統(tǒng)發(fā)出控制信號，從而使整個系統(tǒng)能先于電源故障關(guān)斷。在這種情況上僅用欠壓保護顯得不足?！　±脠D21所示電路可以在穩(wěn)壓電源的輸入端檢測電源的早期故障，電路中電容C1的容量應(yīng)足夠大，以確保系統(tǒng)在供電發(fā)生故障的情況下有足夠的時間對系統(tǒng)電路提供保護。電源的典型故障波形如圖22所示。

圖20具有窗口檢測功能的電源

圖21簡單電源故障檢測系統(tǒng)

圖22簡單電源故障保護電路波形

圖23改進電源故障保護電路

圖24改進電源故障保護電路波形

　　電路中如要使邏輯輸出“1”信號來完成關(guān)斷功能，則應(yīng)使用ICL8212做門限檢測器，如果使用邏輯輸出“0”信號來完成關(guān)斷功能，則應(yīng)選用ICL8211。ICL8212可驅(qū)動7個TTL負載，而ICL8211只能驅(qū)動2個TTL負載。

　　注意，在穩(wěn)壓電源的輸入端總是有紋波成分，當(dāng)電源輸入發(fā)生故障時需要一定的時間才能被檢測到，為了克服這種現(xiàn)象，可加大穩(wěn)壓電源的輸入電壓，但這又降低了電源的效率。

　　圖23所示電路中，在穩(wěn)壓二極管工作期間，通過R1為C2補充電荷，可使全波整流輸出電壓過零時使ICL8211或ICL8212的輸入高于門限電壓值。然而在電源發(fā)生故障的情況下，C2將通過R2放電至1.15V的門限電壓值，這時將使電源故障的邏輯信號輸出有效，從而實現(xiàn)保護。

　　這種工作方式的最差工作情況是在AC輸入的上升期間發(fā)生電源故障，但由于電路工作速度快，圖23所示電路在實施關(guān)斷保護功能的時間特性上是優(yōu)于圖21所示電路的。