原创 物联网系统中硬件电路的电源电压的基准如何设计？

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物联网系统中为什么要使用电压基准芯片

在物联网系统中使用电压基准芯片的原因主要可以归纳为以下几点：

提供稳定、可靠的电压参考值

• 高精度：电压基准芯片能够提供非常精确的电压输出，其精度通常远高于普通的稳压器件。这种高精度对于物联网系统中需要精确测量的场景至关重要，如传感器读数、信号处理等。
• 稳定性：电压基准芯片的输出电压具有极高的稳定性，能够在各种环境条件下保持输出电压的恒定。这对于物联网系统在各种复杂环境中的稳定运行至关重要。

抑制噪声干扰

物联网系统中存在大量的电磁干扰和噪声源，这些噪声可能严重影响系统的性能。电压基准芯片通过在其输出电压上添加滤波电路，能够有效抑制噪声的干扰，提高系统的信噪比，从而确保系统能够准确、可靠地工作。

适应温度变化

物联网系统往往需要在不同的温度环境下工作，而温度变化会对电子元件的性能产生影响。电压基准芯片通过采用温度补偿技术，能够在温度变化时自动调整输出电压，保持输出电压的稳定性和精度。这对于物联网系统在宽温环境下的稳定运行具有重要意义。

提升系统整体性能

• 提高测量精度：使用电压基准芯片可以提高物联网系统中各种测量设备的精度，从而确保系统能够获取更准确的数据。
• 增强系统稳定性：电压基准芯片的稳定性和高精度特性有助于提升物联网系统的整体稳定性，减少因电压波动或噪声干扰导致的系统故障。
• 降低系统成本：虽然电压基准芯片本身可能具有一定的成本，但其带来的高精度、稳定性和可靠性可以显著降低物联网系统的整体维护成本和故障率，从而从长期角度降低系统成本。

具体应用场景

• 仪器与测量：如多功能测试仪、示波器、频谱分析仪等。
• 工业自动化：用于反馈控制系统、PLC等设备中。
• 通信与网络设备：如路由器、交换机、无线基站等。
• 汽车电子：用于车载娱乐系统、车载电源管理等。
• 医疗设备：如血压计、心电图仪、体温计等医疗仪器中。

综上所述，物联网系统中使用电压基准芯片是为了提供稳定、可靠的电压参考值，抑制噪声干扰，适应温度变化，并提升系统整体性能。这些优势使得电压基准芯片在物联网系统中具有广泛的应用前景。

本文会再为大家详解电源芯片家族中的一员——电压基准芯片。

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基准电压简介

　　基准电压是指传感器置于0℃的温场（冰水混合物），在通以工作电流（100μA）的条件下，传感器上的电压值。实际上就是0点电压。其表示符号为V（0），该值出厂时标定，由于传感器的温度系数S相同，则只要知道基准电压值V（0），即可求知任何温度点上的传感器电压值，而不必对传感器进行分度。其计算公式为：

　　V（T）=V（0）+S&TImes;T（其特性曲线如下图）

　示例：如基准电压V（0）=700mV；温度系数S=-2mV/℃，则在50℃时，传感器的输出电压V（50）=700—2&TImes;50=600（mV）。这一点正是线性温度传感器优于其它温度传感器的可贵之处。

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电压基准芯片的定义

电压基准芯片（Voltage Reference Chip）是一种能够产生稳定、精确电压信号的集成电路（IC）。它通常用于电子设备中，作为其他电路参数的参考电压源，如比较、测量、校准等。电压基准芯片的输出电压具有高度的稳定性和精度，能够在各种环境条件下保持恒定。

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电压基准芯片的原理

电压基准芯片的工作原理涉及到稳压原理、参考电压和反馈控制等方面。稳压原理是其工作的基础，通过特定的电路结构将输入电压转换为稳定的输出电压。参考电压是由电压基准芯片内部的高精度电路元件产生的，具有极高的稳定性和精度。在电压基准芯片中，通常还包含一个反馈回路，用于监测输出电压并与参考电压进行比较，当输出电压偏离参考电压时，反馈回路会调整电路参数，使输出电压恢复到稳定值。

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电压基准芯片的分类

电压基准芯片可以根据不同的分类标准进行分类，以下是一些常见的分类方式：

• 按产生原理：
• Zener二极管型：基于Zener二极管的反向击穿特性产生稳定电压。
• 温度补偿型：利用温度传感器和反馈电路实现自动温度补偿，提高输出电压的稳定性。
• 集成参考源型：利用专门设计的电路产生稳定的参考电压，具有高精度和稳定性。
• 按封装形式：
• 单片式：如SOP封装。
• 双极型：如DIP、TSSOP封装。
• 按应用领域：
• 通用型：适用于多种电子设备。
• 特殊用途型：如示波器基准芯片、精密电流源型基准芯片等，针对特定应用需求设计。
• 从电路拓扑结构来分

基准电压芯片可分为串联稳压型和并联稳压型两种。应用时，串联型电压基准与三端稳压电源类似，基准电压与负载串联;并联型电压基准与稳压管类似，基准电压与负载并联。　

• 从内部结构和稳压原理
• 可分为齐纳二极管型(包括基于齐纳二极管的集成基准电压源)
• 带隙式(band-gap)

齐纳稳压二极管定义

齐纳稳压二极管也是典型的并联稳压结构——负载与基准电压芯片为并联连接。普通的齐纳二极管型的基准电源源具有初始精度不太好，噪声较大等缺点，在当前的电路设计中已经很少作为基准电压源使用。但经过特殊补偿、采用深埋工艺的齐纳管型基准源，具有很好噪声指标、非常优异长期稳定性和温漂特性，在高端测量领域依然不可替代。例如LM399，其长期稳定性达20ppm/1000h，温漂低至0.3ppm/ ,而性能更好的LTZ1000长期稳定性达到惊人0.3ppm/1000h，温漂达到0.05ppm/ 。

齐纳稳压二极管应用场景

这两款基准电压源虽已生产了几十年时间，但由于其无与伦比的性能指标，在对基准电压源要求严苛的高精度测量领域，如6位以上万用表、高精度称重等，这两款芯片直到今天依然不可替代。

带隙电压基准定义：

带隙电压基准结构是将一个正向偏置PN结和一个与VT(热电势)相关的电压串联，利用PN结的负温度系数与VT的正温度系数相抵消实现温度补偿。稳压管电压基准结构是将一个次表面击穿的稳压管和一个PN结串联，利用稳压管的正温度系数和PN结的负温度系数相抵消实现温度补偿。次表面击穿有利于降低噪声。稳压管电压基准的基准电压较高(约7V);而带隙电压基准的基准电压比较低。

带隙电压基准应用场景

在通用电路设计中，带隙式基准电压源以其相对低廉的价格、较高的性能指标因此后者在要求低供电电压的情况下应用更为广泛。

从TL431、LM385、LM336等价格非常便宜的基准源到MAX6535、ADR431、REF5025等性能非常优秀的高精度基准电压源，带隙式基准电压源几乎无处不在。下图为带隙结构示意图，简单来说它采用一个带有负温度系数的BE结对带有正温度系数的电压产生器进行温度补偿，得到近似零温度系数的基准电压源。

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电压基准芯片的选型参数

在选择电压基准芯片时，需要考虑以下关键参数：

• 输出电压：根据需要选择的输出电压范围。
• 电压基准

电压基准顾名思义，就是作为基准电压来给其他信号提供参考。在模拟和混合信号链系统中，电压基准是测量的基础，电压基准的不准确及其随温度等的变化会直接影响整个系统的稳定性和准确度。因此，在选择电压基准芯片的时候，我们尤其需要关注两个指标：1）初始精度；2）温度漂移。

初始精度

初始精度指的是在指定温度下 (通常是室温25°C) 时测得的输出电压的与理想电压相比的变化幅度。以我们常用的2.5V电压为例，如果电压基准芯片的初始精度为±0.1%，则意味着实际测量的输出电压在2.5025V和2.4975V之间。初始精度的百分比数值越低，则意味着输出的电压越准确。通常为了取得更高的初始精度，在电压基准芯片出厂前会对其进行校准。

温度漂移

温度漂移指的是基准芯片的输出电压随着温度漂移而变化的量，通常以ppm/℃为单位。当一颗基准芯片的温漂越小，则意味着在工作温度内其输出的电压变化越小，则意味着基准芯片越精确越稳定。温度漂移由电路组件的瑕疵和非线性引起的。与初始精度类似，为了保证基准芯片在所有工作温度范围内都能满足一定的准确度，在基准芯片出厂前也会对其温漂进行校准。

除此之外，在高精度系统中我们通常还会关注

—— 电压噪声

—— 电源抑制比（PSRR）

—— 最小压差

—— 功耗

—— 输出电流

—— 长期稳定性

—— 热迟滞

此外，其他参数还包括：

• 精度：输出电压的初始精度，通常以百分比表示。
• 温度漂移：输出电压随温度变化的程度，以ppm/°C表示。
• 噪声：

噪声输出电压的噪声水平，通常以μVp-p或μVrms表示，是衡量电压基准芯片的性能的另一个重要参数。通常在0.1Hz到10Hz和10Hz到10kHz两个频率范围内给出噪声参数，以便设计者估算电压基准在所关注的频率范围内的噪声。输出噪声通常与输出电压成比例，以ppm为单位。0.1Hz到10Hz的噪声主要是闪烁噪声，或称为公式2噪声，其噪声幅度与频率成反比，一般会给出这一频率范围内噪声的峰峰值(P-P)。不同半导体器件的闪烁噪声特性差别很大，例如MOSFET的闪烁噪声比较大，而双极型晶体管的闪烁噪声则要小得多，次表面击穿的稳压管闪烁噪声也很小，因此采用不同工艺设计的电压基准芯片，低频噪声特性差别会比较大。

10Hz到10kHz频率范围以及高于这个频率范围的噪声主要是热噪声，在有效带宽内频率特性基本上是平坦的，通过给出的噪声有效值(rms)可以很轻易估算出某一频率范围内的热噪声。增大电流可以有效降低噪声，因此优良的噪声特性往往是以牺牲功耗为代价的。用户可以在电压基准输出端添加滤波电容或其他滤波电路限制噪声带宽，以改善噪声特性，从而达到设计要求。

• 功耗：芯片的功耗大小，对于低功耗应用尤为重要。
• 封装形式：根据电路板布局和尺寸要求选择合适的封装形式。
• 长期稳定性

电压基准芯片的输出电压会随着使用时间增加而变化，通常是朝一个方向按指数特性变化，使用时间越长，变化小，因此以公式1为单位表示电压基准芯片的长期稳定性，以反映输出电压变化量随使用时间指数衰减。长期稳定性是在几个月甚至几年的使用过程中体现出来的，很难通过出厂时的测试来保证。有些芯片会在出厂前经过一段时间的老化测试以保证较好的长期稳定性。定期对系统进行校准，可以避免长期稳定性带来的误差。对于无法定期校准的系统，就要选用具有良好的长期稳定性的电压基准芯片。采用金属壳封装的芯片，由于排除了封装应力的影响，因而一般具有更好的长期稳定性。

• 线性调整率与负载调整率

某些应用对电压基准芯片的瞬态特性会有要求。瞬态特性包括三个方面：上电建立时间、小信号输出阻抗(高频)、大信号恢复时间(动态负载)。不同厂商推出的电压基准芯片的瞬态特性可能区别很大，良好的瞬态特性往往也是以牺牲功耗为代价的。

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电压基准芯片的使用注意事项

• 正确连接：确保电压基准芯片的输入和输出端口正确连接，避免短路或接反。
• 温度环境：注意工作环境温度对芯片性能的影响，选择具有适当温度补偿功能的芯片。
• 噪声抑制：在必要时添加滤波电路以抑制噪声干扰。
• 供电稳定性：保证供电电源的稳定性，避免供电电压波动对芯片性能的影响。

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电压基准芯片的厂商

电压基准芯片的厂商众多，包括但不限于德州仪器（TI）、亚德诺半导体（Analog Devices, ADI）、微芯科技（Microchip）、恩智浦半导体（NXP）等。这些厂商提供的电压基准芯片具有不同的性能特点和价格定位，用户可以根据具体需求选择合适的产品。

供应商A：TI(德州仪器)

1、产品能力

（1）主推型号1:TL 431

对应的产品详情介绍

特性

25°C 下的基准电压容差

• 0.5%(B级)
• 1%(A级)
• 2%( 标准级 )

可调输出电压 : Vref 至 36V

工作温度范围 : -40°C 至 125°C

典型温度漂移(TL43xB)

• 6mV( C 级温度 )
• 14mV(I级温度，Q 级温度 )低输出噪声

0.2 Ω 输出阻抗典型值

灌电流能力 :1mA 至 100mA

应用

• 机架服务器电源工业交流/直流电源
• 交流逆变器和变频驱动器伺服驱动器控制模块
• 笔记本电脑电源适配器设计

说明

TL431 和 TL432 器件是三端可调节并联稳压器，在适用的汽车级、商用级和军用级温度范围内均可满足规定的热稳定性。可以通过两个外部电阻器将输出电压设置为介于 Vref( 约为2.5V )和 36V 之间的任意值。其输出阻抗典型值均为0.2 2。此类器件的有源输出电路具有非常明显的导通特性，因此非常适合用于替代许多应用中的齐纳二极管，例如板载稳压器、可调节电源和开关电源。TL432器件具有与 TL431 器件完全相同的功能和电气特性但是具有不同的 DBV、DBZ 和 PK 封装引脚排列。

TL431 和 TL432 器件都具有 B、A 和标准三个等级25°C 下的初始容差分别为 0.5%、1% 和 2%。此外低输出温漂可确保在整个温度范围内保持出色的稳定性。

TL43xxC 器件运行温度范围为 0°C 至 70°C，TL43xxl器件运行温度范围为 - 40°C 至 85°C，TL43xxQ 器件运行温度范围为 -40°C 至 125°C。

• 硬件参考设计

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