串聯式參考

串聯式參考元件有三個端點，分別為電壓輸入Vin、電壓輸出Vout以及接地GND，雖然在概念上和線性穩壓器類似，但設計上卻以較低耗電以及較高精確度為目標。串聯式參考元件以串聯方式搭配負載運作，可以被視為是輸入與輸出端子間的壓控電阻，請參考(圖一)。

它透過調整內部電阻讓輸入電壓減去內部電阻所造成的壓降以形成輸出端參考電壓的方式來進行穩壓，由於要產生壓降必須要有電流通過，因此，在負載移除時這些元件還會流通小數量的靜態電流以確保穩壓效果。串聯式參考元件擁有以下的特性：

《圖一　三端子串聯式參考電壓元件方塊圖》

串聯參考元件的設計方程式

串聯式參考的設計相當簡單，只需確保輸入電壓以及功率消耗落在晶片最大可容許規格內：

P_SER = (Vsup – Vref)IL + (Vsup x Iq)

對串聯式參考來說，最高耗電情況發生在電源電壓最高與負載最大時：

WC_P_SER = (Vmax – Vref)ILmax + (Vmax x Iq)，其中

P_SER = 串聯參考功率

Vsup = 電源電壓

Vref = 參考輸出電壓

IL = 負載電流

Iq = 參考元件靜態電流

WC_P_SER = 串聯參考的最高耗電

Vmax = 最高電源電壓

ILmax = 最大負載

並聯式參考

並聯式參考擁有兩個端子，分別為輸出OUT與接地GND，概念上類似於齊納（Zener）二極體，但在規格卻好上許多，和齊納二極體一樣，它需要一個外接電阻，並且以並聯連接的方式和負載搭配運作，請見(圖二)。並聯參考可以被視為輸出與接地端子間的電流源，穩壓效果則透過調整電流大小，讓電源電壓減掉電阻R1上的壓降來得到輸出端的參考電壓，從另一方面解釋，並聯參考透過維持固定的負載電流與流過參考元件本身電流總合來提供穩定的輸出電壓。並聯式參考元件擁有以下的特性：

並聯式參考的設計方程式

並聯式參考的設計在困難度上稍高，原因是必須計算外部的電阻值，這個電阻值R1必須確保因參考與負載電流所造成的壓降會等於電源電壓與參考電壓間的差，R1必須以最低電源電壓與最大負載電流的情況計算，以確保能夠在這個最糟的情況下還能正常運作。以下的方程式可以用來計算R1的大小與功率消耗以及並聯參考元件上的功率消耗，請參考(圖三)：

R1 = (Vmin – Vref)/(Imo + ILmax)

R1上的電流與功率消耗由電源電壓決定，負載電流則不會造成影響，原因是流經負載與參考元件的電流總合固定：

I_R1 = (Vsup – Vref)/R1

P_R1 = (Vsup – Vref)2/R1

P_SHNT = Vref(Imo + I_R1 – I L)

最糟的情況是電源電壓最高同時沒有負載：

WC_I_ R1 = (Vmax – Vref)/R1

WC_P_R1 = (Vmax – Vref)2/R1

WC_P_SHNT = Vref(Imo + WC_I_R1)

或

WC_P_SHNT = Vref(Imo + (Vmax – Vref)/R1)，其中

R1 = 外接電阻

I_R1 = 流經電阻R1的電流

P_R1 = R1上的功率消耗

P_SHNT = 並聯式參考元件上的功率消耗

Vmin = 最低電源電壓

Vmax = 最高電源電壓

Vref = 輸出參考電壓

Imo = 參考元件最小工作電流

ILmax = 最大負載電流

WC_I_ R1 = 最糟情況下流經R1的電流

WC_P_R1 = 最糟情況下R1上的功率消耗

WC_P_SHNT =最糟情況下參考元件上的功率消耗

如何選擇參考電路

現在了解串聯與並聯式參考間的差異，下一步就是決定哪一種較適合特定的應用，最好的方法是確保能擁有可以同時考慮串聯與並聯型式的合適元件，在進行各自的設計計算後，應該能夠明顯看出較適合的型式。以下是常用的選用準則：

《圖二　兩端子並聯式參考電壓元件方塊圖》

範例一：低電壓，負載穩定

在這個便攜式應用中，最關鍵的參數為低耗電，以下為相關規格：

Vmax = 3.6V

Vmin = 3.0V

Vref = 2.5V

ILmax = 1μA

本文將選用目標簡化到兩個元件：

MAX6029串聯式參考

Iq = 5.75μA

WC_P_SER = (Vmax – Vref)ILmax + (Vmax x Iq)

WC_P_SER = (3.6V – 2.5V)1μA + (3.6V x 5.75μA) = 21.8μW

MAX6008並聯式參考

Imo = 1μA

R1 = (Vmin – Vref)/(Imo + ILmax)

R1 = (3.0V – 2.5V)/(1μA + 1μA) = 250kΩ

WC_I_ R1 = (Vmax – Vref)/R1

WC_I_R1 = (3.6V – 2.5V)/250k = 4.4μA

WC_P_R1 = (Vmax – Vref)2/R1

WC_P_R1 = (3.6V – 2.5V)2/250k = 4.84μW

WC_P_SHNT = Vref(Imo + (Vmax – Vref)/R1)

WC_P_SHNT = 2.5V(1μA + (3.6V – 2.5V)/250k) = 13.5μW

因此整體的功率消耗為18.3μW。

對這個應用來說，較好的選擇是MAX6008並聯式參考，原因是它的功率消耗只有18.3μW，相對於MAX6029串聯式參考的21.8μW要低，這個例子顯示了電源電壓變動對設計的影響較大，乍看之下並聯參考在1μA最小工作電流上擁有相當好的優勢，但為了確保在最糟情況下還能夠正常運作，工作電流必須提升到 4.4μA，而在這個例子中，任何高於3.0V到3.6V規格的較大電源電壓變動將造成必須使用串聯式參考。

範例二：低電壓，負載多變

這個例子與範例一類似，但在規格上則有些微小的變化，不再是穩定的1μA負載，這個範例中的負載會耗用1μA的電流99ms，接著為1mA電流1ms：

Vmax = 3.6V

Vmin = 3.0V

Vref = 2.5V

ILmax = 1mA (1％ of time)

ILmin = 1μA (99％ of time)

使用和上一個例子中相同的兩個元件進行考慮：

《圖三　這個組態中的並聯式參考元件透過改變電流值（Imo）來提供穩定的參考電壓（VREF）。》

MAX6029串聯式參考

Iq = 5.75μA

C_P_SER = (Vmax – Vref)ILmax + (Vmax X Iq)

WC_P_SER (1mA IL) = (3.6V – 2.5V)1mA + (3.6V x 5.75μA)

= 1.12mW (1％ of time).

WC_P_SER (1μA IL) = (3.6V – 2.5V)1μA + (3.6V X 5.75μA)

= 21.8μW (99％ of time)

平均功率消耗 = 1.12mW x 1％ + 21.8μW x 99％ = 32.78μW

MAX6008並聯式參考

Imo = 1μA

R1 = (Vmin – Vref)/(Imo + ILmax)

R1 = (3.0 – 2.5)/(1μA + 1mA) = 499

For Iload = 1mA:

WC_P_R1 = (Vmax – Vref)2/R1

WC_P_R1 = (3.6 - 2.5V)2/499 = 2.42mW (1％ of time)

P_SHNT = Vref(Imo + I_R1 – I L)

P_SHNT = 2.5V(1μa + 1mA – 1mA) = 2.5μW (1％ of time)

For Iload = 1μA:

WC_P_R1 = (Vmax – Vref)2/R1

WC_P_R1 = (3.6 - 2.5V)2/499 = 2.42mW (99％ of time)

P_SHNT = Vref(Imo + I_R1 – IL)

P_SHNT = 2.5V(1μA + 1mA – 1μA) = 2.5mW (99％ of time).

平均功率消耗為2.42mW x 1％ + 2.5μW x 1％ + 2.42mW x 99％ + 2.5mW x 99％ = 4.895mW

在這裡可以看出，並聯式參考的平均功率消耗比串聯式參考高上100倍，因此對負載電流會有大幅變動的應用，通常串聯式參考是較好的選擇。

---作者為Maxim美商美信公司應用工程師---