如何创建可编程输出反相降压-升压稳压器

作者：德州仪器Akshay Mehta, Frank De Stasi

在很多应用中，尤其是测试和测量领域，您都需要借助外部装置或数字模拟转换器设置反相降压/升压稳压器的输出电压。在常规的降压拓扑中，这种操作很简单：只需要借助一个带有串联电阻器的电压电源、一个电流源或者一个DAC将电流导入反馈节点，如图1所示。

1.采用降压拓扑的可编程电压

但是，如果您需要改变降压-升压拓扑中的电阻器的电压，就有一点麻烦了。

您可以通过反相接地和VOUT电位并使集成电路的参考位于-VOUT电位而配置降压-升压拓扑中的降压稳压器。也就是说稳压器集成电路的接地脚位于-VOUT。由于稳压器的FB引脚位于-VOUT电位而非接地电位上，将电流导入FB引脚便有一点棘手。为将电流导入反相降压-升压拓扑中的FB引脚，您需要电平移动电压源/DAC的信号。在本文中，我将向大家介绍一些不同的方法。

以德州仪器的LMZM33606为例。LMZM33606是一个额定输入电压为36V的降压电源模块，最大负载为6A。 图2说明了如何将LMZM33606设置为反相降压-升压稳压器。

2.利用LMZM33606反相降压-升压。

方法1：使用一个PNP的电平位移器

在这些降压-升压应用中使用LMZM33606时，可以实现-15V至-5V的可编程输出电压范围。通过电流源方法，您能够以绝对量级调低稳压器的输出。这样，在设置反馈分频器电阻器时，便可以将设计的默认输出设为-15V。添加外部电流源时，您可以将稳压器输出设置为-5V。默认输出为-15V时，计算的高反馈值和低反馈值分别为：

·RFBT = 100kΩ.

·RFBB = 7.42kΩ.

电平位移接地参考信号以将电流导入FB引脚的最简单的方法是，使用单PNP型双极性晶体管(BJT)。图三说明了如何将一个单PNP作为电平位移器使用。

3.使用单PNP的部署。

PNP Q1的基极接地，反射极通过电阻器连接DAC/电压源。电压源高于PNP基地发射下拉(VBE)时，会产生等式1所述的电流：

Rext设定为50kΩ。FB节点可以应用基尔霍夫电流定律，您可以使用等式2计算电流IX：

在等式2中代入等式1，得出等式3，由此可以计算出调整输出电压VOUT所需的编程电压VX：

将等式3变成等式4，可以得出根据VX值进行变成的VOUT:

等式4说明了VOUT对晶体管VBE的从属关系。晶体管VBE本身取决于集电极电流，随温度变化时，会影响编程VOUT的精确度。

下一个方法说明了如何从等式中移除VBE。图4所示是一个有两个PNP晶体管的电路，所采用的连接方式可以抵消VBE的影响。

方法2：使用两个PNP的电平位移器

4.使用两个PNP抵消VBE的部署。

本方法需要使用两个PNP，最好是使用两个组合包装的PNP BJT，以确保两个晶体管之间匹配良好。本方法还可以减少输出电压编程中的错误。

Q1晶体管的基极连接至程控电压源。发射极经由一个串联电阻器RS连接至另一个正电轨，并且集电极接地。这样便可以在晶体管的发射极形成一个VX + VBE电压。Q2晶体管的发射极通过电阻器RX连接至Q1的发射极。RX设置导入FB节点的电流。基极接地后，Q2发射极节点产生一个+VBE。等式5计算了流至发射极的电流(理想情况)：

之前曾解释过，晶体管的VBE取决于集电极电流，如等式6所述：

其中IC为集电极电流，IS为饱和电流，VT为热电压。

如果两个晶体管的集电极电流差异较大，则VBE不会完全彼此抵消。等式7阐述了晶体管两个VBE之间的差异：

简化为等式8：

其中X为两个集电极电流的比率。

如您所见，如果两个集电极电流相同，则VBE将完全抵消。在图4所示的配置中，设定RS的值时，需要确保集电极电流之间的差异不是太大。在本例中，我选择的RS为10kΩ，RX为50kΩ。VBE的增量也会随着VT而变化，它会随着温度变化而发生。

方法3：改良版威尔逊电流镜

使用电流镜匹配集电极电流是一个非常有效的方法。对此，相比常规的电流镜，威尔逊电流镜是一个更好的选择。图5是威尔逊电流镜中使用的原理图。

5.使用威尔逊电流镜部署

本方法中，有另外一个BJT，基极连接至Q1的集电极。Q3的发射极连接至电流镜的VBE结点。程控电流经Q3晶体管的集电极流至FB引脚。

现在可暂时忽略电阻器RB，等式9按照以下方式计算导入本设置中的参考电流：

等式10得出了导入电流与参考电流的比率。

在晶体管的增量() 为较大的值时，可以看到威尔逊电流镜的精度远高于标准电流镜。

威尔逊电流镜不会完全消除对VBE的依赖性。但可以通过一个简单的方法避开。将电阻器RB从源VX连接至电流镜基极，如图5所示，形成一个添加至参考电流IX的电流。将等式9改写为等式11：

等式12选择RB：

等式13：

等式13中的VBE组件完全抵消，得出等式14：

等式14说明，导入FB节点的电流仅基于程控电压，不受VBE影响。

无论使用哪一种方法，都可以借助少数几个组件为反相电轨创建一个程控输出电压。电路的复杂性依具体的系统要求而异。对于要求极高保真度的应用，威尔逊电流镜是最佳的解决方案，因为它可以得出与程控电压最接近的响应。