物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中硬件電路的電源電壓的基準(zhǔn)如何設(shè)計(jì)？

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物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用電壓基準(zhǔn)芯片

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用電壓基準(zhǔn)芯片的原因主要可以歸納為以下幾點(diǎn)：

提供穩(wěn)定、可靠的電壓參考值

高精度：電壓基準(zhǔn)芯片能夠提供非常精確的電壓輸出，其精度通常遠(yuǎn)高于普通的穩(wěn)壓器件。這種高精度對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中需要精確測(cè)量的場(chǎng)景至關(guān)重要，如傳感器讀數(shù)、信號(hào)處理等。

穩(wěn)定性：電壓基準(zhǔn)芯片的輸出電壓具有極高的穩(wěn)定性，能夠在各種環(huán)境條件下保持輸出電壓的恒定。這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

抑制噪聲干擾

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中存在大量的電磁干擾和噪聲源，這些噪聲可能嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。電壓基準(zhǔn)芯片通過(guò)在其輸出電壓上添加濾波電路，能夠有效抑制噪聲的干擾，提高系統(tǒng)的信噪比，從而確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠地工作。

適應(yīng)溫度變化

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)往往需要在不同的溫度環(huán)境下工作，而溫度變化會(huì)對(duì)電子元件的性能產(chǎn)生影響。電壓基準(zhǔn)芯片通過(guò)采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，能夠在溫度變化時(shí)自動(dòng)調(diào)整輸出電壓，保持輸出電壓的穩(wěn)定性和精度。這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在寬溫環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

提升系統(tǒng)整體性能

提高測(cè)量精度：使用電壓基準(zhǔn)芯片可以提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中各種測(cè)量設(shè)備的精度，從而確保系統(tǒng)能夠獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性：電壓基準(zhǔn)芯片的穩(wěn)定性和高精度特性有助于提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，減少因電壓波動(dòng)或噪聲干擾導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。

降低系統(tǒng)成本：雖然電壓基準(zhǔn)芯片本身可能具有一定的成本，但其帶來(lái)的高精度、穩(wěn)定性和可靠性可以顯著降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體維護(hù)成本和故障率，從而從長(zhǎng)期角度降低系統(tǒng)成本。

具體應(yīng)用場(chǎng)景

儀器與測(cè)量：如多功能測(cè)試儀、示波器、頻譜分析儀等。

工業(yè)自動(dòng)化：用于反饋控制系統(tǒng)、PLC等設(shè)備中。

通信與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：如路由器、交換機(jī)、無(wú)線基站等。

汽車電子：用于車載娛樂(lè)系統(tǒng)、車載電源管理等。

醫(yī)療設(shè)備：如血壓計(jì)、心電圖儀、體溫計(jì)等醫(yī)療儀器中。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用電壓基準(zhǔn)芯片是為了提供穩(wěn)定、可靠的電壓參考值，抑制噪聲干擾，適應(yīng)溫度變化，并提升系統(tǒng)整體性能。這些優(yōu)勢(shì)使得電壓基準(zhǔn)芯片在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文會(huì)再為大家詳解電源芯片家族中的一員——電壓基準(zhǔn)芯片。

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1.基準(zhǔn)電壓簡(jiǎn)介

基準(zhǔn)電壓是指?jìng)鞲衅髦糜?℃的溫場(chǎng)（冰水混合物），在通以工作電流（100μA）的條件下，傳感器上的電壓值。實(shí)際上就是0點(diǎn)電壓。其表示符號(hào)為V（0），該值出廠時(shí)標(biāo)定，由于傳感器的溫度系數(shù)S相同，則只要知道基準(zhǔn)電壓值V（0），即可求知任何溫度點(diǎn)上的傳感器電壓值，而不必對(duì)傳感器進(jìn)行分度。其計(jì)算公式為：

V（T）=V（0）+S&TImes;T（其特性曲線如下圖）

示例：如基準(zhǔn)電壓V（0）=700mV；溫度系數(shù)S=-2mV/℃，則在50℃時(shí)，傳感器的輸出電壓V（50）=700—2&TImes;50=600（mV）。這一點(diǎn)正是線性溫度傳感器優(yōu)于其它溫度傳感器的可貴之處。

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2.電壓基準(zhǔn)芯片的定義

電壓基準(zhǔn)芯片（Voltage Reference Chip）是一種能夠產(chǎn)生穩(wěn)定、精確電壓信號(hào)的集成電路（IC）。它通常用于電子設(shè)備中，作為其他電路參數(shù)的參考電壓源，如比較、測(cè)量、校準(zhǔn)等。電壓基準(zhǔn)芯片的輸出電壓具有高度的穩(wěn)定性和精度，能夠在各種環(huán)境條件下保持恒定。

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3.電壓基準(zhǔn)芯片的原理

電壓基準(zhǔn)芯片的工作原理涉及到穩(wěn)壓原理、參考電壓和反饋控制等方面。穩(wěn)壓原理是其工作的基礎(chǔ)，通過(guò)特定的電路結(jié)構(gòu)將輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓。參考電壓是由電壓基準(zhǔn)芯片內(nèi)部的高精度電路元件產(chǎn)生的，具有極高的穩(wěn)定性和精度。在電壓基準(zhǔn)芯片中，通常還包含一個(gè)反饋回路，用于監(jiān)測(cè)輸出電壓并與參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸出電壓偏離參考電壓時(shí)，反饋回路會(huì)調(diào)整電路參數(shù)，使輸出電壓恢復(fù)到穩(wěn)定值。

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4.電壓基準(zhǔn)芯片的分類

電壓基準(zhǔn)芯片可以根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，以下是一些常見(jiàn)的分類方式：

按產(chǎn)生原理：

Zener二極管型：基于Zener二極管的反向擊穿特性產(chǎn)生穩(wěn)定電壓。

溫度補(bǔ)償型：利用溫度傳感器和反饋電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度補(bǔ)償，提高輸出電壓的穩(wěn)定性。

集成參考源型：利用專門設(shè)計(jì)的電路產(chǎn)生穩(wěn)定的參考電壓，具有高精度和穩(wěn)定性。

按封裝形式：

單片式：如SOP封裝。

雙極型：如DIP、TSSOP封裝。

按應(yīng)用領(lǐng)域：

通用型：適用于多種電子設(shè)備。

特殊用途型：如示波器基準(zhǔn)芯片、精密電流源型基準(zhǔn)芯片等，針對(duì)特定應(yīng)用需求設(shè)計(jì)。

從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)分

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)和穩(wěn)壓原理

可分為齊納二極管型(包括基于齊納二極管的集成基準(zhǔn)電壓源)

帶隙式(band-gap)

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5.電壓基準(zhǔn)芯片的選型參數(shù)

在選擇電壓基準(zhǔn)芯片時(shí)，需要考慮以下關(guān)鍵參數(shù)：

輸出電壓：根據(jù)需要選擇的輸出電壓范圍。

電壓基準(zhǔn)

電壓基準(zhǔn)顧名思義，就是作為基準(zhǔn)電壓來(lái)給其他信號(hào)提供參考。在模擬和混合信號(hào)鏈系統(tǒng)中，電壓基準(zhǔn)是測(cè)量的基礎(chǔ)，電壓基準(zhǔn)的不準(zhǔn)確及其隨溫度等的變化會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。因此，在選擇電壓基準(zhǔn)芯片的時(shí)候，我們尤其需要關(guān)注兩個(gè)指標(biāo)：1）初始精度；2）溫度漂移。

初始精度

初始精度指的是在指定溫度下 (通常是室溫25°C) 時(shí)測(cè)得的輸出電壓的與理想電壓相比的變化幅度。以我們常用的2.5V電壓為例，如果電壓基準(zhǔn)芯片的初始精度為±0.1%，則意味著實(shí)際測(cè)量的輸出電壓在2.5025V和2.4975V之間。初始精度的百分比數(shù)值越低，則意味著輸出的電壓越準(zhǔn)確。通常為了取得更高的初始精度，在電壓基準(zhǔn)芯片出廠前會(huì)對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

溫度漂移

溫度漂移指的是基準(zhǔn)芯片的輸出電壓隨著溫度漂移而變化的量，通常以ppm/℃為單位。當(dāng)一顆基準(zhǔn)芯片的溫漂越小，則意味著在工作溫度內(nèi)其輸出的電壓變化越小，則意味著基準(zhǔn)芯片越精確越穩(wěn)定。溫度漂移由電路組件的瑕疵和非線性引起的。與初始精度類似，為了保證基準(zhǔn)芯片在所有工作溫度范圍內(nèi)都能滿足一定的準(zhǔn)確度，在基準(zhǔn)芯片出廠前也會(huì)對(duì)其溫漂進(jìn)行校準(zhǔn)。

除此之外，在高精度系統(tǒng)中我們通常還會(huì)關(guān)注

—— 電壓噪聲

—— 電源抑制比（PSRR）

—— 最小壓差

—— 功耗

—— 輸出電流

—— 長(zhǎng)期穩(wěn)定性

—— 熱遲滯

此外，其他參數(shù)還包括：

精度：輸出電壓的初始精度，通常以百分比表示。

溫度漂移：輸出電壓隨溫度變化的程度，以ppm/°C表示。

噪聲：

功耗：芯片的功耗大小，對(duì)于低功耗應(yīng)用尤為重要。

封裝形式：根據(jù)電路板布局和尺寸要求選擇合適的封裝形式。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性

線性調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率

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6.電壓基準(zhǔn)芯片的使用注意事項(xiàng)

正確連接：確保電壓基準(zhǔn)芯片的輸入和輸出端口正確連接，避免短路或接反。

溫度環(huán)境：注意工作環(huán)境溫度對(duì)芯片性能的影響，選擇具有適當(dāng)溫度補(bǔ)償功能的芯片。

噪聲抑制：在必要時(shí)添加濾波電路以抑制噪聲干擾。

供電穩(wěn)定性：保證供電電源的穩(wěn)定性，避免供電電壓波動(dòng)對(duì)芯片性能的影響。

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7.電壓基準(zhǔn)芯片的廠商

電壓基準(zhǔn)芯片的廠商眾多，包括但不限于德州儀器（TI）、亞德諾半導(dǎo)體（Analog Devices, ADI）、微芯科技（Microchip）、恩智浦半導(dǎo)體（NXP）等。這些廠商提供的電壓基準(zhǔn)芯片具有不同的性能特點(diǎn)和價(jià)格定位，用戶可以根據(jù)具體需求選擇合適的產(chǎn)品。

供應(yīng)商A：TI(德州儀器)

1、產(chǎn)品能力

（1）主推型號(hào)1:TL 431

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

特性

25°C 下的基準(zhǔn)電壓容差

0.5%(B級(jí))

1%(A級(jí))

2%( 標(biāo)準(zhǔn)級(jí) )

可調(diào)輸出電壓 : Vref 至 36V

工作溫度范圍 : -40°C 至 125°C

典型溫度漂移(TL43xB)

6mV( C 級(jí)溫度 )

14mV(I級(jí)溫度，Q 級(jí)溫度 )低輸出噪聲

0.2 Ω 輸出阻抗典型值

灌電流能力 :1mA 至 100mA

應(yīng)用

機(jī)架服務(wù)器電源工業(yè)交流/直流電源

交流逆變器和變頻驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器控制模塊

筆記本電腦電源適配器設(shè)計(jì)

說(shuō)明

TL431 和 TL432 器件是三端可調(diào)節(jié)并聯(lián)穩(wěn)壓器，在適用的汽車級(jí)、商用級(jí)和軍用級(jí)溫度范圍內(nèi)均可滿足規(guī)定的熱穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^(guò)兩個(gè)外部電阻器將輸出電壓設(shè)置為介于 Vref( 約為2.5V )和 36V 之間的任意值。其輸出阻抗典型值均為0.2 2。此類器件的有源輸出電路具有非常明顯的導(dǎo)通特性，因此非常適合用于替代許多應(yīng)用中的齊納二極管，例如板載穩(wěn)壓器、可調(diào)節(jié)電源和開關(guān)電源。TL432器件具有與 TL431 器件完全相同的功能和電氣特性但是具有不同的 DBV、DBZ 和 PK 封裝引腳排列。

TL431 和 TL432 器件都具有 B、A 和標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)等級(jí)25°C 下的初始容差分別為 0.5%、1% 和 2%。此外低輸出溫漂可確保在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持出色的穩(wěn)定性。

TL43xxC 器件運(yùn)行溫度范圍為 0°C 至 70°C，TL43xxl器件運(yùn)行溫度范圍為 - 40°C 至 85°C，TL43xxQ 器件運(yùn)行溫度范圍為 -40°C 至 125°C。

硬件參考設(shè)計(jì)

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

tl431.pdf

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審核編輯 黃宇