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/驅動器組成。

1引言

　　當加至ICL8211預置門限輸入端（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。

　　當輸入ICL8212預置端電壓大于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，當預置輸入端電壓大于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用場合，并可用作溫度監測元件。

　　ICL8211/ICL8212也可用于各種電壓檢測、電源故障檢測、穩壓器、可編程基準電壓和恒流源等應用場合。下面主要討論ICL8211/ICL8212在各種電源電路中的應用。其主要優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正極性輸出穩壓電源

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

　　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用以使電路穩定工作，并可起抑制輸入到輸出的瞬態變化。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壓電源

圖4采用結型場效應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，以確保電路穩定工作。當輸出電壓可調時，可將R2或R3改為可變電阻。當R2可變時，輸出電壓隨R2轉動角度呈線性變化。但是當R2開路時，輸出電壓將上升。所以，一般使R3為可調，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，所以選適當的V1，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，應使用ICL8211的同相輸出端，以確保電路具有負反饋作用。

　　應注意圖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　　當負載電流變小時，相應的輸入/輸出壓差將更小。

　　如采用場效應管擴展輸入電壓范圍，應使場效應管的關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，確保電路關斷。

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

　　當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量少，并且輸入電壓較高。晶閘管工作在線性狀態，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，不要在回路中串聯電流取樣元件。當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結型場效應管擴流的負極性輸出穩壓電源

圖9采用NPN、PNP管擴展輸出的負極性輸出穩壓電路

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負極性輸出穩壓器

　　按圖4所示電路可以很方便地構造一個負輸出電壓的穩壓電源。當然這時的結型場效應管應選用P溝道型，其余的選擇原則同圖4。當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將降低環路帶寬。所以應加大R2或C1來保護電路工作穩定性。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。

　　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必須保持導通，否則，ICL8212的輸出電位不足以低，以致在空載時關斷V2。這樣當最低輸入電壓－4V輸出電壓－3V的情況下，R1/(R1＋R2)應為1/4,當最大輸入為－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壓二極管的電壓值應低于或等于穩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的取值應使通過V1給V2提供足夠的基極驅動電流。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。適當選用R2值，基準電壓變化范圍為2V～30V，基準電壓值由下式決定：

VZ=1.15×（R1＋R2）/R1　　由于在ICL8212中沒有內部補償，圖11中的電容C1用來確保電路穩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，極低的轉折電流（低于300μA）和低的動態阻抗（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構成恒流源。主要應用于在電源設計中為差分放大器提供射極電流。更有用的應用是圖13所示的可編程電流源。

　　在這種情況下輸出電流可由下式決定：

IO=25μA＋VBE/R1＋1.15/R2(1＋β)

　　式中β表示V1的放大倍數，VBE表示發射極—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的工作電壓范圍內可編程電流范圍為300μA～50mA。這個電流可用作常用的串聯穩壓源的工作電流。在這一些高穩定應用場合，可用這個恒流源作穩壓管的供電電流。同時由于ICL8212中沒有補償，C1用作確保電路穩定工作，并可在供電電壓發生變化或瞬態期間保證輸出電流恒定。

　　在簡單串聯穩壓電源中的標準過流保護電路如圖14所示。

　　限流值由下式決定：

ICL=VBE(V3)/R2

　　這個電路的缺點是V3發射極—基極的溫度系數不理想，由于穩流環的增益不高而致使穩流、穩壓瞬態特性不佳。

　　這種情況下的限流值由下式決定：

ICL=1.15V/R2

　　這個電路的優點是較好地改善了限流電路的溫度系數。圖14的典型溫度系數為0.39％/℃，而圖15所示電路的溫度系數典型值為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，如需要精密調節門限值時，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動電壓驅動。

圖16高壓關斷電路

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設定的門限電壓值，ICL8211在負載的瞬態期間可關斷V1，從而保護負載，如需要可通過設定R3來選擇適當的回差電壓。

　　過壓保護電路的典型應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，當達到由R1、R2設定的門限電壓時，電路觸發晶閘管。極低的ICL8212靜態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。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決定的設定值時，V1關斷，完全切斷負載，致使電路不工作。需注意的是，當斷開負載瞬間會使輸出電壓上升并可能伴有振蕩現象。所以，利用電阻R3提供一個回差電壓，這個回差電壓應大于滿載時穩壓電源壓降。

　　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可設定電路回差范圍。

　　在許多電路系統中，特別是采用微處理器的電路系統中，為保護系統正常工作，常需在整個系統供電發生故障前能使系統發出控制信號，從而使整個系統能先于電源故障關斷。在這種情況上僅用欠壓保護顯得不足。　　利用圖21所示電路可以在穩壓電源的輸入端檢測電源的早期故障，電路中電容C1的容量應足夠大，以確保系統在供電發生故障的情況下有足夠的時間對系統電路提供保護。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

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”信號來完成關斷功能，則應使用ICL8212做門限檢測器，如果使用邏輯輸出“0”信號來完成關斷功能，則應選用ICL8211。ICL8212可驅動7個TTL負載，而ICL8211只能驅動2個TTL負載。

　　注意，在穩壓電源的輸入端總是有紋波成分，當電源輸入發生故障時需要一定的時間才能被檢測到，為了克服這種現象，可加大穩壓電源的輸入電壓，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所示電路在實施關斷保護功能的時間特性上是優于圖21所示電路的。