采用ICL8211和ICL8212的电源

采用ICL8211和ICL8212的电源
  摘要：ICL8211和ICL8212是微功率的双极性单片集成电路，主要用于精密电压检测和精密电压产生。这两种集成电路分别由精密基准电压、比较器和一对输出缓冲/驱动器组成。
  1引言
  　　当加至ICL8211预置门限输入端（THRESHOLD）的电压低于1.15V时，它具有7mA的输出限流功能。图1是ICL8211的功能框图。
  　　当输入ICL8212预置端电压大于1.15V时，它为一饱和晶体管输出（无限流）。图2是ICL8212工作框图。
  这两个电路，当预置输入端电压大于1.15V时，输出级饱和，并具有可控低电流回差。
  　　ICL8211和ICL8212可用于不同输出电压档次的应用场合，并可用作温度监测元件。
  　　ICL8211/ICL8212也可用于各种电压检测、电源故障检测、稳压器、可编程基准电压和恒流源等应用场合。下面主要讨论ICL8211/ICL8212在各种电源电路中的应用。其主要优点是可使电源在很低的电压和电流下工作，而普通的标准电源又不能适应这些工作场合。同时，由于ICL8211/ICL8212的独特特性，使得它们在许多辅助电路，如电流源、过压保护、可编程基准电压源和电源故障保护应用中非常有用。
  
  图1ICL8211功能框图
  
  图2ICL8212工作框图
  2正极性输出稳压电源
  　　采用ICL8211/ICL8212可以设计一系列低电压输入、低压差输出的稳定电源。这在低功耗的电路板上低输入输出电压应用场合特别有用。
  　　图3所示的ICL8211具有提供基准参考电压和
  采用V1作为输出扩展功能。电阻R1决定ICL8211的输出电流，C1、C2用以使电路稳定工作，并可起抑制输入到输出的瞬态变化。R2、R3用以决定输出电压Vout。
  
  图3采用PNP管扩展输入的正极性输出稳压电源
  
  图4采用结型场效应管加大输入电压范围电路
  
  图5采用NPN和PNP管扩展输入电压
  
  图6采用晶闸管扩展的正极性稳压器
  Vout=1.15(R2＋R3)/R3
  　　同时，R2、R3为V1提供一个小维持电流，以确保电路稳定工作。当输出电压可调时，可将R2或R3改为可变电阻。当R2可变时，输出电压随R2转动角度呈线性变化。但是当R2开路时，输出电压将上升。所以，一般使R3为可调，这样可使电路输出不致于由于R3断开而使输出电压上升，从而达到保护作用。
  　　V1的选择取决于输出的需要。ICL8211在最差的情况下，它的最大输出电流为4mA，所以选适当的V1，它可输出50mA电流，并使输入/输出间压降为0.5V。如果要使输出电流更大，V1可采用复合管，但电源的输入/输出电压差将增加。
  　　需注意的是，电路中的V1具有反相作用，所以使用时，应使用ICL8211的同相输出端，以确保电路具有负反馈作用。
  　　应注意图3在实际使用时，ICL8211的最大工作电压为30V。采用图4所示电路，可使供电电压更高。
  　　这个电路中，输入电压的最大值取决于V1的额定值，输入/输出电压降取决于V1管的内阻RDS（on）。例如V1选用IN4391时，电路的最大输出电流IDSS（max）=50mA，则输入/输出压差为：
  RDS（on）×ILOAD=30Ω×50mA=1.5V　　当负载电流变小时，相应的输入/输出压差将更小。
  　　如采用场效应管扩展输入电压范围，应使场效应管的关断电压值必须低于输出电压，以便于ICL8212能在空载时使它的V1栅极电压足够低，确保电路关断。
  　　电路的时间常数主要取决于R2×C1。这个时间常数值应足够小，以保证电路的瞬态响应特性和电路工作稳定性。电容C2的取值和输出电压保持时间有关。然而由于ICL8212的宽频带和场效应管的快速特性，所以以上限制并非十分严格。
  　　当电路的输出电流要求更大时，可采用双极型晶体管进一步扩展输出电流。当使用中既需要扩展输入电压范围又需降低输入/输出压差时，可采用图5所示电路。
  　　这个电路除V1工作在共基极状态用以缓冲由于输入电压变化对ICL8211输出的影响，R1、D1用以保护ICL8211。在这个电路中，ICL8211不能由稳压后的电压供电。否则，电路无法自起动。R2、R3、R4、C1和C2的选择同图3。D1的工作电压值需等于或稍大于输出电压值。R1为ICL8211提供工作电流。起动电路的另一种变通是用R5和D2取代D1。在这种情况下，R1、R5的选择原则是一旦电源稳定工作后，ICL8211通过D2供电。
  　　图5所示电路中，V1和V2用典型的SCR或晶闸管的方式连接。图6的电路使用元器件数量少，并且输入电压较高。晶闸管工作在线性状态，阴极控制门极输出。
  　　注意，图4所示电路的输出电流主要取决于IDSS。一般而言，不要在回路中串联电流取样元件。当电源直接安装在电路主板上时，输出短路的可能性不大，所以输出过流保护不是十分必要。即使需保护电路，添加也十分方便。图7是在图3上加了最简单的恒流保护功能的电路图。
  
  图7具有限流功能的PNP扩展电压、电流的正极性输出电路
  
  图8结型场效应管扩流的负极性输出稳压电源
  
  图9采用NPN、PNP管扩展输出的负极性输出稳压电路
  
  图10采用NPN、PNP管扩展输出的负极性输出限流电路
  　
  　　图中的电流限定值由电阻R2决定。
  3负极性输出稳压器
  　　按图4所示电路可以很方便地构造一个负输出电压的稳压电源。当然这时的结型场效应管应选用P沟道型，其余的选择原则同图4。当需要进一步扩展输出电流时，可再加一只NPN型的扩流三极管V2。然而由于NPN晶体管的电荷存储效应将降低环路带宽。所以应加大R2或C1来保护电路工作稳定性。注意在图8中，使用的是ICL8211而不是ICL8212，这样可确保反馈信号极性正确，保证电路工作在负反馈状态。
  　　图9是图5、图6的等效电路。电路中，R1、R2和D1用以确保电路自起动。R1、R2的取值应确保V1的基极电压足够（－1V），以保证在最低输出电压情况下电路起动，但是一旦电路工作后，即使在最大输出电压情况下，D1必须保持导通，否则，ICL8212的输出电位不足以低，以致在空载时关断V2。这样当最低输入电压－4V输出电压－3V的情况下，R1/(R1＋R2)应为1/4,当最大输入为－12V时，可使V1的基极不低于－3V。不受这种条件限制的另一种变通情况是将R1用一只稳压二极管代替，并同时减小R2的取值和不用二极管D1。
  　　在这种情况下的唯一限制就是稳压二极管的电压值应低于或等于稳压电路的输出电压值。
  　　在图9所示电路中，在最大负载条件下，R3的取值应使通过V1给V2提供足够的基极驱动电流。通过R3的最大电流值为12mA，为最差工作条件下ICL8212的输出电流。
  　　利用图7所示的类似方法可在图9所示电路中实现输出限流。在这种情况下，通过R3为V2基极提供基极电流，从而确保电路完成限流功能。
  4可编程电源电路和辅助电源电路
  　　图11为采用ICL8212做可编程基准电源电路。适当选用R2值，基准电压变化范围为2V～30V，基准电压值由下式决定：
  VZ=1.15×（R1＋R2）/R1　　由于在ICL8212中没有内部补偿，图11中的电容C1用来确保电路稳定工作是必不可少的。值得注意的两点是：在300μA～12mA的工作电流范围，极低的转折电流（低于300μA）和低的动态阻抗（典型值4Ω～7Ω）。
  
  图11可编程基准电源
  
  图12恒流源
  
  图13可编程电流源
  
  图14标准限流电路
  
  图15限流措施的改进
  　　图12所示电路表示如何利用ICL8211/ICL8212构成恒流源。主要应用于在电源设计中为差分放大器提供射极电流。更有用的应用是图13所示的可编程电流源。
  　　在这种情况下输出电流可由下式决定：
  IO=25μA＋VBE/R1＋1.15/R2(1＋β)
  　　式中β表示V1的放大倍数，VBE表示发射极—基极电压。这个电流值和实际值有偏差是由于β值随V1集电极电压变化的原因。在2V～30V的工作电压范围内可编程电流范围为300μA～50mA。这个电流可用作常用的串联稳压源的工作电流。在这一些高稳定应用场合，可用这个恒流源作稳压管的供电电流。同时由于ICL8212中没有补偿，C1用作确保电路稳定工作，并可在供电电压发生变化或瞬态期间保证输出电流恒定。
  　　在简单串联稳压电源中的标准过流保护电路如图14所示。
  　　限流值由下式决定：
  ICL=VBE(V3)/R2
  　　这个电路的缺点是V3发射极—基极的温度系数不理想，由于稳流环的增益不高而致使稳流、稳压瞬态特性不佳。
  　　这种情况下的限流值由下式决定：
  ICL=1.15V/R2
  　　这个电路的优点是较好地改善了限流电路的温度系数。图14的典型温度系数为0.39％/℃，而图15所示电路的温度系数典型值为0.02％/℃。同时，由于ICL8212的较大的增益使得在限压、限流的转换特性很好。这个电路中的门限电压范围也较低，如需要精密调节门限值时，可以添加电阻R3、R4，具体做法如图15所示。
  　　这个电路的主要缺点是R2引起的额外500mV的压降而影响电路的限流特性。同时由于低工作电压和电源电流可使ICL8212直接由电源的基极驱动电压驱动。
  
  图16高压关断电路
  
  图17撬杆式过压保护电路
  
  图18撬杆过压保护电路
  
  图19欠压保护
  　　对于电源中对高电压瞬态特性敏感的负载，这个电路有保护作用。如果输入电压高于电阻R1、R2设定的门限电压值，ICL8211在负载的瞬态期间可关断V1，从而保护负载，如需要可通过设定R3来选择适当的回差电压。
  　　过压保护电路的典型应用形式是晶闸管撬杆电路，在过压情况下，它可以短路电源输出。图17所示电路，当达到由R1、R2设定的门限电压时，电路触发晶闸管。极低的ICL8212静态电流意味着可忽略在检测期间R4上的压降，所以精度很高，并且可靠触发晶闸管。由于只要达到门限电压值时，电路将提供负反馈，电阻R4上的电压将上升，这样通过第2引脚可提供回差电压，这点可通过第2引脚的足够正反馈来克服。电阻R3用以限制ICL8212的输出电流到一个安全值，即20mA。为使电路正常工作，晶闸管的触发电流不大于10mA，可采用图18所示电路得到更大的晶闸管触发电流。
  　　在这种情况下，ICL8211使V1的基极电位保持低值，直至这个晶闸管被触发。电路中通过R3的电流最大值为4mA，过大会超过ICL8211的输出能力。这个电路中晶闸管的触发电流范围为50mA～100mA。
  　　注意在以上两个电路中要使撬杆保护电路工作电压低至3V，只需单一电源供电即可。所以这种电路很适用于为逻辑电路供电，实际上为了使电路安全可靠工作，不希望使用辅助电源。
  　　如果供电电压低于由R1、R2决定的设定值时，V1关断，完全切断负载，致使电路不工作。需注意的是，当断开负载瞬间会使输出电压上升并可能伴有振荡现象。所以，利用电阻R3提供一个回差电压，这个回差电压应大于满载时稳压电源压降。
  　　图16和图19所示电路可接成如图20所示的电路：电源电压在一个指定范围内只接有一个负载。这种电路中，IC1用作过压检测而IC2用于欠压检测。同样由电阻R3、R5可设定电路回差范围。
  　　在许多电路系统中，特别是采用微处理器的电路系统中，为保护系统正常工作，常需在整个系统供电发生故障前能使系统发出控制信号，从而使整个系统能先于电源故障关断。在这种情况上仅用欠压保护显得不足。　　利用图21所示电路可以在稳压电源的输入端检测电源的早期故障，电路中电容C1的容量应足够大，以确保系统在供电发生故障的情况下有足够的时间对系统电路提供保护。电源的典型故障波形如图22所示。
  
  图20具有窗口检测功能的电源
  
  图21简单电源故障检测系统
  
  图22简单电源故障保护电路波形
  
  图23改进电源故障保护电路
  
  图24改进电源故障保护电路波形
  　　电路中如要使逻辑输出“1”信号来完成关断功能，则应使用ICL8212做门限检测器，如果使用逻辑输出“0”信号来完成关断功能，则应选用ICL8211。ICL8212可驱动7个TTL负载，而ICL8211只能驱动2个TTL负载。
  　　注意，在稳压电源的输入端总是有纹波成分，当电源输入发生故障时需要一定的时间才能被检测到，为了克服这种现象，可加大稳压电源的输入电压，但这又降低了电源的效率。
  　　图23所示电路中，在稳压二极管工作期间，通过R1为C2补充电荷，可使全波整流输出电压过零时使ICL8211或ICL8212的输入高于门限电压值。然而在电源发生故障的情况下，C2将通过R2放电至1.15V的门限电压值，这时将使电源故障的逻辑信号输出有效，从而实现保护。
  　　这种工作方式的最差工作情况是在AC输入的上升期间发生电源故障，但由于电路工作速度快，图23所示电路在实施关断保护功能的时间特性上是优于图21所示电路的。