串联式参考

串联式参考组件有三个端点，分别为电压输入Vin、电压输出Vout以及接地GND，虽然在概念上和线性稳压器类似，但设计上却以较低耗电以及较高精确度为目标。串联式参考组件以串联方式搭配负载运作，可以被视为是输入与输出端子间的压控电阻，请参考(图一)。

它透过调整内部电阻让输入电压减去内部电阻所造成的压降以形成输出端参考电压的方式来进行稳压，由于要产生压降必须要有电流通过，因此，在负载移除时这些组件还会流通小数量的静态电流以确保稳压效果。串联式参考组件拥有以下的特性：

《图一 三端子串联式参考电压组件方块图》

串联参考组件的设计方程序

串联式参考的设计相当简单，只需确保输入电压以及功率消耗落在芯片最大可容许规格内：

P_SER = (Vsup – Vref)IL + (Vsup x Iq)

对串联式参考来说，最高耗电情况发生在电源电压最高与负载最大时：

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

P_SER = 串联参考功率

Vsup = 电源电压

Vref = 参考输出电压

IL = 负载电流

Iq = 参考组件静态电流

WC_P_SER = 串联参考的最高耗电

Vmax = 最高电源电压

ILmax = 最大负载

并联式参考

并联式参考拥有两个端子，分别为输出OUT与接地GND，概念上类似于齐纳（Zener）二极管，但在规格却好上许多，和齐纳二极管一样，它需要一个外接电阻，并且以并联连接的方式和负载搭配运作，请见(图二)。并联参考可以被视为输出与接地端子间的电流源，稳压效果则透过调整电流大小，让电源电压减掉电阻R1上的压降来得到输出端的参考电压，从另一方面解释，并联参考透过维持固定的负载电流与流过参考组件本身电流总合来提供稳定的输出电压。并联式参考组件拥有以下的特性：

并联式参考的设计方程序

并联式参考的设计在困难度上稍高，原因是必须计算外部的电阻值，这个电阻值R1必须确保因参考与负载电流所造成的压降会等于电源电压与参考电压间的差，R1必须以最低电源电压与最大负载电流的情况计算，以确保能够在这个最糟的情况下还能正常运作。以下的方程序可以用来计算R1的大小与功率消耗以及并联参考组件上的功率消耗，请参考(图三)：

R1 = (Vmin – Vref)/(Imo + ILmax)

R1上的电流与功率消耗由电源电压决定，负载电流则不会造成影响，原因是流经负载与参考组件的电流总合固定：

I_R1 = (Vsup – Vref)/R1

P_R1 = (Vsup – Vref)2/R1

P_SHNT = Vref(Imo + I_R1 – I L)

最糟的情况是电源电压最高同时没有负载：

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 = 外接电阻

I_R1 = 流经电阻R1的电流

P_R1 = R1上的功率消耗

P_SHNT = 并联式参考组件上的功率消耗

Vmin = 最低电源电压

Vmax = 最高电源电压

Vmin = 最低电源电压

Imo = 参考组件最小工作电流

ILmax = 最大负载电流

WC_I_ R1 = 最糟情况下流经R1的电流

WC_P_R1 = 最糟情况下R1上的功率消耗

WC_P_SHNT =最糟情况下参考组件上的功率消耗

如何选择参考电路

现在了解串联与并联式参考间的差异，下一步就是决定哪一种较适合特定的应用，最好的方法是确保能拥有可以同时考虑串联与并联型式的合适组件，在进行各自的设计计算后，应该能够明显看出较适合的型式。以下是常用的选用准则：

《图二 两端子并联式参考电压组件方块图》

范例一：低电压，负载稳定

在这个便携式应用中，最关键的参数为低耗电，以下为相关规格：

Vmax = 3.6V

Vmin = 3.0V

Vref = 2.5V

ILmax = 1μA

本文将选用目标简化到两个组件：

MAX6029串联式参考

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并联式参考

Imo = 1μA

R1 = (Vmin – Vref)/(Imo + ILmax)

Imo = 1μA

WC_I_ R1 = (Vmax – Vref)/R1

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

WC_P_R1 = (Vmax – Vref)2/R1

WC_I_R1 = (3.6V – 2.5V)/250k = 4.4μA

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

因此整体的功率消耗为18.3μW。

对这个应用来说，较好的选择是MAX6008并联式参考，原因是它的功率消耗只有18.3μW，相对于MAX6029串联式参考的21.8μW要低，这个例子显示了电源电压变动对设计的影响较大，乍看之下并联参考在1μA最小工作电流上拥有相当好的优势，但为了确保在最糟情况下还能够正常运作，工作电流必须提升到 4.4μA，而在这个例子中，任何高于3.0V到3.6V规格的较大电源电压变动将造成必须使用串联式参考。

范例二：低电压，负载多变

Vmax = 3.6V

Vmin = 3.0V

Vref = 2.5V

ILmax = 1mA (1％ of time)

ILmin = 1μA (99％ of time)

使用和上一个例子中相同的两个组件进行考虑：

《图三 这个组态中的并联式参考组件透过改变电流值（Imo）来提供稳定的参考电压（VREF）。》

MAX6029串联式参考

Iq = 5.75μA

这个组态中的并联式参考组件透过改变电流值（Imo）来提供稳定的参考电压（VREF）。

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

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

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并联式参考

Imo = 1μA

R1 = (Vmin – Vref)/(Imo + ILmax)

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

For Iload = 1mA:

WC_P_R1 = (Vmax – Vref)2/R1

R1 = (3.0 – 2.5)/(1μA + 1mA) = 499

P_SHNT = Vref(Imo + I_R1 – I L)

R1 = (3.0 – 2.5)/(1μA + 1mA) = 499

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

WC_P_R1 = (Vmax – Vref)2/R1

For Iload = 1μA:

P_SHNT = Vref(Imo + I_R1 – I L)

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

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

在这里可以看出，并联式参考的平均功率消耗比串联式参考高上100倍，因此对负载电流会有大幅变动的应用，通常串联式参考是较好的选择。

---作者为Maxim美商美信公司应用工程师---