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CN107589775A - 一种正温度系数电流补偿的基准电压源 - Google Patents

一种正温度系数电流补偿的基准电压源 Download PDF

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CN107589775A CN201711000493.9A CN201711000493A CN107589775A CN 107589775 A CN107589775 A CN 107589775A CN 201711000493 A CN201711000493 A CN 201711000493A CN 107589775 A CN107589775 A CN 107589775A
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Abstract

本发明公开了一种正温度系数电流补偿的基准电压源，在基准电压源的输出端增设了正温度系数电流补偿电路，利用两个NPN管Q8和Q9以及相应的电阻R7和R8产生温度系数不同的两组正温度系数电流，将两组电流叠加，优化了电流的温度变化率。本发明解决了传统带隙基准的应用局限性，改变了传统一阶带隙基准高温区间只能产生负温度系数的局限性，依靠基准在全温度范围的正温度系数为大电流功率开关电源提供了一种结构简单、成本低廉、稳定可靠的输出电压补偿方案。

Description

一种正温度系数电流补偿的基准电压源
技术领域
本发明涉及基准电压源，尤其涉及用于电源管理芯片的一种正温度系数电流补偿的基准电压源，属于集成电路电源设计领域。
背景技术
电压基准是模拟电路中的重要部分，尤其是需要输出电压保持稳定的电源管理芯片，需要高精度，温度系数良好的电压基准来稳定输出电压。传统的双极工艺(双极工艺是主要有源器件为双极型晶体管的集成电路工艺，双极型晶体管即通常所说的三极管)带隙基准利用的是工作在不同电流密度情况下的双极型晶体管，其电压差值具有正温度系数，而双极型晶体管的发射极导通电压具有负温度系数，将二者叠加产生温度系数较低的基准。这种基准通常呈现在低温和高温阶段电压稍低，在中间温度区间温度稍高的特性。在普通应用中这种基准可以满足要求，但在一些有特殊需求的应用中，普通的电压基准性能不足以满足需求。为了补偿电源管理芯片在重载时由于线损和负载调整导致的输出电压下降，需要额外增加复杂电路进行补偿。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种正温度系数电流补偿的基准电压源，可以在全温度范围内实现正温度系数，可以满足在轻载状态下基准电压稳定精确，在重载情况下随着温度升高基准电压随之升高，以抵偿负载调整和线损带来的输出电压下降，实现全负载条件下输出电压稳定，节省了复杂的补偿电路。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种正温度系数电流补偿的基准电压源，其特征在于：在基准电压源的输出端增设正温度系数电流补偿电路，该正温度系数电流补偿电路包括NPN管Q8、NPN管Q9、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；NPN管Q8的集电极与NPN管Q9的集电极互连，NPN管Q8的发射极连接电阻R7的一端，NPN管Q9的发射极连接电阻R8的一端，电阻R7的另一端与电阻R8的另一端互连并连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端与电阻R6的一端互连并接地，电阻R6的另一端连接NPN管Q9的基极和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接NPN管Q8的基极和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接基准电压源的一个输出端Vref，NPN管Q8的集电极与NPN管Q9的集电极互连端连接基准电压源的另一个输出端。
所述基准电压源包括PNP管Q1、PNP管Q2、NPN管Q3、NPN管Q4、NPN管Q5、NPN管Q6、NPN管Q7以及电阻R1、电阻R2和电阻R3，其中NPN管Q4至少为两个相同的NPN管并联构成；PNP管Q1的发射极和PNP管Q2的发射极互连并连接NPN管Q6的基极，PNP管Q1的基级与PNP管Q2的基级互连并连接PNP管Q2管的集电极和NPN管Q4集电极，PNP管Q1的集电极连接NPN管Q3的集电极，NPN管Q3的发射极与NPN管Q4的发射极互连并连接NPN管Q5的集电极，NPN管Q5的基极连接偏置电压，NPN管Q5的发射极连接电阻R3的一端并接地，电阻R3的另一端连接NPN管Q7的发射极，NPN管Q7的基极和集电极互连并连接NPN管Q4的基极和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接NPN管Q3的基极和电阻R1的一端作为基准电压源的另一个输出端与正温度系数电流补偿电路中NPN管Q8的集电极与NPN管Q9的集电极互连端连接，电阻R1的另一端连接NPN管Q6的发射极作为基准电压源的输出Vref与正温度系数电流补偿电路中电阻R4的另一端连接，NPN管Q6的集电极连接电源VDD。
所述基准电压源中，PNP管Q1和PNP管Q2构成有源负载电流镜，NPN管Q3和NPN管Q4为差分对管，NPN管Q5为尾电流管，NPN管Q6为驱动调整管。
所述NPN管Q4为2-8个相同的NPN管并联构成。
本发明的优点及显著效果：本发明提出了一种新颖的双极工艺二阶补偿方式，在传统双极工艺一阶带隙基准的基础上，利用电阻R4，R5，R6进行分压，得到两个不同的基级电压，将其分别作用到两个NPN管Q8和Q9的基级，Q8和Q9在不同的基级电压和不同的发射极串联电阻R7和R8的作用下，产生两组温度系数不同的正温度系数电流，将两组电流叠加后作用在R1上，形成了二阶温度补偿电路。传统双极工艺一阶带隙基准高温区间只能产生负温度系数，普通二阶带隙基准通常产生零温度系数基准。本发明解决了传统双极工艺带隙基准的应用局限性，改变了传统双极工艺一阶带隙基准高温区间只能产生负温度系数的局限性。依靠基准在全温度范围的正温度系数为大电流功率开关电源提供了一种结构简单，成本低廉，稳定可靠的输出电压补偿方案。
附图说明
图1是本发明双极工艺正温度系数基准电压源电路图；
图2是PART1部分一阶带隙基准单独产生的基准电压温度曲线；
图3是在PART1一阶带隙基准上，叠加PART2部分正温度系数电流后，产生的二阶补偿带隙基准电压温度曲线。
具体实施方式
如图1，本发明在现有技术的一种基准电压源PART1部分的输出端增设了正温度系数电流补偿电路。基准电压源PART1部分包括电流镜PNP管Q1和Q2，差分NPN对管Q3和Q4，同时也作为产生正温度系数电压△VBE(△VBE＝VBEQ3-VBEQ4,即NPN管Q3的发射极导通电压和NPN管Q4的发射极导通电压之差)的对管，尾电流NPN管Q5，输出调整管Q6(Q6基极电压为VDD2，由VDD通过内部电路转换得到，VDD2＜VDD)，串联电阻R1，同时也作为PART2正温度系数电流叠加电阻，△VBE作用电阻R2，提供基准负温度系数NPN管Q7，基准串联电阻R3。其中Q1和Q2用来平衡Q3和Q4的电流，使二者电流强制相等。Q3为1个NPN管，Q4为n个NPN管并联(n不少于2，通常为8个左右)，因此Q4管数量为Q3管的n倍，则Q4管的电流密度为Q3管的1/n，由公式可得Q3和Q4基级电压的差，即△VBE＝VTlnn，其中VT为热电压，n为Q4管对Q3管的倍数。电阻R2的电压即为△VBE，在不考虑PART2部分正温度系数电流影响的情况下，基准电压
VBEQ7是Q7管的发射极导通电压，温度曲线波形如图2所示。
PART2部分为产生正温度系数电流的电路，在高温区间通过从电阻R1拉电流，提高电阻R1两端的电压差，进而使得基准电压Vref在全温度范围呈现正温度系数。其中电阻R4、R5和R6对基准电压Vref进行电阻分压。其工作原理为，Vref为温度系数较低的基准，于是相同生产工艺类型的电阻(工艺类型相同确保了这几个电阻的温度系数、电压系数相同，电阻匹配性好)R4，R5和R6对Vref进行分压后得到的Q8和Q9的基级电压VBQ8和VBQ9，同样也为温度系数较小的电压。由于NPN管发射极导通电压具有-2mV/℃左右的温度系数，在低温阶段导通电压高，高温阶段其导通电压会降低。在芯片工作温度范围内，随着温度的升高PART1部分产生的基准电压Vref处于由正温度系数向零温度系数渐变状态。如果没有电流补偿部分，Vref将在高温区间进入负温度系数状态。随着温度升高进入高温区间,电流补偿发挥作用，NPN管Q8和Q9的导通电压不断下降，在先后到达设置的温度点后NPN管Q8和Q9的导通电压降到低于VBQ8和VBQ9，使得Q8和Q9先后导通，并随着温度的升高NPN管发射极导通电压继续下降，NPN管导通程度继续提高，Q8和Q9开始产生集电极电流并逐渐增大，Q8和Q9的集电极电流叠加作用到电阻R1，提高了R1的压降，最终将基准电压Vref的高温区间曲线由负温度系数修正为正温度系数。实际基准温度曲线如图3所示。
NPN管Q8和Q9的基级电压VBQ8和VBQ9与基准电压Vref和R4，R5，R6的关系如下：
按照上面电阻分压公式，对电阻R4，R5和R6选取合适的电阻值，需要满足经公式计算得到的R4，R5和R6的电阻分压VBQ8和VBQ9在常温时低于发射结导通电压VBE，使得NPN管Q8和Q9在低温和常温阶段处于截止状态，同时又要满足在高温阶段高于发射极导通电压，使得NPN管Q8和Q9在高温处于导通状态，对基准电压进行温度系数修正。根据实际应用温度曲线需求，如果需要温度曲线上升拐点温度较低，则需要减小R5和R6电阻值，降低VQ8和VQ9，反之则增大R5和R6。NPN管Q8和Q9发射极串联的电阻R7，R8和R9可以细致优化温度曲线，使得基准电压Vref的温度曲线可调性更好，对应电阻R7重点调整中高温阶段波形，电阻R8调整高温阶段波形。当需要曲线在高温阶段上翘幅度更大时，则需要减小对应电阻值，反之则需要增大电阻。电阻R9接收电阻R7和电阻R8的合并电流，R9取值与R7和R8是相互对应此消彼长的关系，增大R9可以对应减小R7和R8阻值，节省版图面积降低成本。经过优化后的基准电压温度特性曲线形状更加接近设计预期，基准的正温度系数可以更好的对重载时的系统输出电压进行补偿。

Claims (4)

1.一种正温度系数电流补偿的基准电压源，其特征在于：在基准电压源的输出端增设正温度系数电流补偿电路，该正温度系数电流补偿电路包括NPN管Q8、NPN管Q9、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；NPN管Q8的集电极与NPN管Q9的集电极互连，NPN管Q8的发射极连接电阻R7的一端，NPN管Q9的发射极连接电阻R8的一端，电阻R7的另一端与电阻R8的另一端互连并连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端与电阻R6的一端互连并接地，电阻R6的另一端连接NPN管Q9的基极和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接NPN管Q8的基极和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接基准电压源的一个输出端Vref，NPN管Q8的集电极与NPN管Q9的集电极互连端连接基准电压源的另一个输出端。
2.根据权利要求1所述的正温度系数电流补偿的基准电压源，其特征在于：所述基准电压源包括PNP管Q1、PNP管Q2、NPN管Q3、NPN管Q4、NPN管Q5、NPN管Q6、NPN管Q7以及电阻R1、电阻R2和电阻R3，其中NPN管Q4至少为两个相同的NPN管并联构成；PNP管Q1的发射极和PNP管Q2的发射极互连并连接NPN管Q6的基极，PNP管Q1的基级与PNP管Q2的基级互连并连接PNP管Q2管的集电极和NPN管Q4集电极，PNP管Q1的集电极连接NPN管Q3的集电极，NPN管Q3的发射极与NPN管Q4的发射极互连并连接NPN管Q5的集电极，NPN管Q5的基极连接偏置电压，NPN管Q5的发射极连接电阻R3的一端并接地，电阻R3的另一端连接NPN管Q7的发射极，NPN管Q7的基极和集电极互连并连接NPN管Q4的基极和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接NPN管Q3的基极和电阻R1的一端作为基准电压源的另一个输出端与正温度系数电流补偿电路中NPN管Q8的集电极与NPN管Q9的集电极互连端连接，电阻R1的另一端连接NPN管Q6的发射极作为基准电压源的输出Vref与正温度系数电流补偿电路中电阻R4的另一端连接，NPN管Q6的集电极连接电源VDD。
3.根据权利要求2所述的正温度系数电流补偿的基准电压源，其特征在于：所述基准电压源中，PNP管Q1和PNP管Q2构成有源负载电流镜，NPN管Q3和NPN管Q4为差分对管，NPN管Q5为尾电流管，NPN管Q6为驱动调整管。
4.根据权利要求2或3所述的正温度系数电流补偿的基准电压源，其特征在于：所述NPN管Q4为2-8个相同的NPN管并联构成。
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