TSM101/A電壓與電流控制器：特性、應(yīng)用及設(shè)計(jì)攻略

一、引言

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，精確的電壓和電流控制是實(shí)現(xiàn)各種電路功能的關(guān)鍵。TSM101/A 作為一款功能強(qiáng)大的集成電路，為電源管理和電池充電等應(yīng)用提供了理想的解決方案。今天就帶大家深入了解這款器件的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：tsm101.pdf

二、TSM101/A 概述

2.1 主要特性

• 高精度電壓基準(zhǔn)：TSM101A 具備 1.24V 系列電壓基準(zhǔn)，輸出電流可達(dá) 10mA，精度高達(dá) 1%，能為電路提供穩(wěn)定可靠的參考電壓。
• 雙運(yùn)算放大器：擁有兩個(gè)帶或輸出的運(yùn)算放大器，增益帶寬積為 1MHz，可靈活應(yīng)用于各種信號(hào)處理和比較電路中。
• 內(nèi)置電流發(fā)生器：具備使能/禁用功能，能夠根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整電流限制，為電源保護(hù)和控制提供了便利。
• 寬電源電壓范圍：支持 4.5 至 32V 的電源電壓，適用于多種不同的電源環(huán)境。
• 多種封裝形式：提供 SO8 和 DIP8 封裝，方便不同電路板的布局和安裝。

2.2 工作原理

TSM101/TSM101A 集成電路將高穩(wěn)定性的串聯(lián)帶隙電壓基準(zhǔn)、兩個(gè)或連接的運(yùn)算放大器和一個(gè)電流源集成在一起。它會(huì)將開(kāi)關(guān)電源輸出的直流電壓和電流水平與內(nèi)部參考值進(jìn)行比較，然后通過(guò)光耦合器向初級(jí)側(cè)的 PWM 控制器集成電路提供反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的精確控制。同時(shí)，受控電流發(fā)生器可通過(guò)補(bǔ)償來(lái)自電流檢測(cè)電阻的信息來(lái)修改電流限制水平。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 電池充電器

這款電路專為具有恒壓和有限輸出電流的電池充電器而設(shè)計(jì)。它能夠精確控制充電電壓和電流，確保電池安全、高效地充電。比如在常見(jiàn)的鎳鎘電池充電器中，就可以發(fā)揮其高精度的電壓和電流控制優(yōu)勢(shì)。

3.2 精密電壓調(diào)節(jié)和電流限制應(yīng)用

在各種需要高精度電壓調(diào)節(jié)和電流限制的應(yīng)用中，TSM101/A 都能大顯身手，如電壓監(jiān)控器、過(guò)壓保護(hù)電路等。

四、電氣特性分析

4.1 絕對(duì)最大額定值

在使用 TSM101/A 時(shí)，一定要注意其絕對(duì)最大額定值，如直流電源電壓 (V{CC}) 最大為 36V，輸出電流 (I{out}) 最大為 20mA 等。超出這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件損壞，影響電路的正常工作。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有沒(méi)有因?yàn)楹雎灶~定值而遇到過(guò)問(wèn)題呢？

4.2 工作條件

其工作電源電壓范圍為 4.5 至 32V，不同的環(huán)境溫度范圍對(duì)應(yīng)不同的型號(hào)，如 TSM101C/AC 適用于 -20°C 至 +80°C 的環(huán)境，TSM101I/AI 適用于 -40°C 至 +105°C 的環(huán)境。選擇合適的型號(hào)對(duì)于保證電路在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

4.3 電氣特性參數(shù)

• 運(yùn)算放大器：在 (T{amb}=25^{circ} C) ， (V{CC}=15 ~V) 的條件下，輸入電壓范圍為 0 至 (V_{CC}- 1.5V)，輸入失調(diào)電壓在不同溫度下有一定的波動(dòng)范圍等。這些參數(shù)直接影響著運(yùn)算放大器的性能和應(yīng)用效果。
• 電壓基準(zhǔn)：不同型號(hào)的 TSM101 和 TSM101A 在參考電壓、溫度穩(wěn)定性、負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)等方面有具體的參數(shù)要求。例如 TSM101A 的參考電壓在 (I{out}=1mA) ， (T{amb}=25^{circ} C) 時(shí)，典型值為 1.24V，最小值為 1.227V，最大值為 1.252V。
• 電流發(fā)生器：能產(chǎn)生典型值為 1.4mA 的電流，具有一定的溫度穩(wěn)定性和線路調(diào)節(jié)特性。通過(guò)控制使能引腳的電壓，可以實(shí)現(xiàn)電流源的開(kāi)啟和關(guān)閉。

五、引腳功能詳解

TSM101/A 共有 8 個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能：

• Vref（引腳 1）：電壓基準(zhǔn)輸出引腳，提供 1.24V 的參考電壓，最大輸出電流為 10mA，使用時(shí)切勿短路。
• Vrin（引腳 7）：電壓調(diào)節(jié)環(huán)路輸入引腳，用于輸入需要調(diào)節(jié)的電壓信號(hào)。
• Crin（引腳 5）：電流限制環(huán)路輸入引腳，連接到檢測(cè)電阻，用于檢測(cè)電流大小。
• Crref（引腳 3）：電流限制參考輸入引腳，設(shè)置電流限制的參考值。
• Csen（引腳 2）：電流源使能輸入引腳，當(dāng)該引腳的輸入電壓低于 0.8V 時(shí)，電流源開(kāi)啟，可用于補(bǔ)償檢測(cè)電阻上的電壓測(cè)量值，從而修改充電電流。
• OUTPUT（引腳 6）：電壓調(diào)節(jié)和電流限制環(huán)路的公共輸出引腳，可驅(qū)動(dòng)光耦合器的初級(jí)側(cè)（LED）。
• Vcc（引腳 8）：電源輸入引腳，輸入 4.5 至 32V 的直流電源。
• GND（引腳 4）：接地引腳，為電路提供參考電位。

六、應(yīng)用實(shí)例 - 電池充電器設(shè)計(jì)

6.1 整體方案

以一個(gè) 12V 鎳鎘電池充電器為例，說(shuō)明如何使用 TSM101 與開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）結(jié)合實(shí)現(xiàn)電池充電功能。TSM101 的主要作用是對(duì) SMPS 的輸出電流進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)精確的電壓限制。

6.2 工作原理

• 電流調(diào)節(jié)環(huán)路：通過(guò)檢測(cè)低阻值電阻 R5 兩端的電壓，并將其與由 R2 和 R3 組成的電橋設(shè)定的固定值進(jìn)行比較。當(dāng) R5 上的電壓高于 R3 上的電壓時(shí)，電流環(huán)路運(yùn)算放大器的輸出降低，光耦合器電流增加，通過(guò) PWM 控制器降低輸出電壓。
• 電壓調(diào)節(jié)環(huán)路：將輸出電壓的一部分（通過(guò)電阻橋 R6、R7 和 P1 分壓）與 1.24V 的電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較。如果該部分電壓高于 1.24V，電壓環(huán)路運(yùn)算放大器的輸出降低，同樣通過(guò)光耦合器和 PWM 控制器降低輸出電壓。
• 電流源補(bǔ)償：通過(guò)使能 TSM101 的電流源（引腳 2），可以用一個(gè)等于 (R4 * I{0})（ (I{0}=1.4 ~mA) ）的電壓來(lái)補(bǔ)償電流檢測(cè)值，從而降低輸出充電電流，可用于對(duì)不同容量的電池進(jìn)行充電。

  6.3 元件計(jì)算

• 電壓限制：根據(jù)公式 (V{out }=frac{R 6 + R 7}{R 6} × V{r}) 和 (R 6=left(frac{ Vref }{ Vout - Vref }right) × R 7) 計(jì)算電阻 R6 和 R7 的值。例如在應(yīng)用板上， (R 7 = 12 kOmega) ， (R 6 = 1 kOmega) ， (P1 = 220 Omega) 。
• 電流調(diào)節(jié)：電流調(diào)節(jié)有效時(shí)，R5 上的電壓降等于 TSM101 引腳 5 上的電壓。對(duì)于中等電流（<1A），R5 上 200mV 的電壓降是一個(gè)合適的值。例如選擇 (R5 = 0.285 Omega) （四個(gè) 1.2Ω 電阻并聯(lián)）。同時(shí)，根據(jù)公式 (R 2 = R 3 timesleft(frac{V r e f - V r 5}{V r 5}right)) 選擇 R2 和 R3 的值。
• 充電控制：當(dāng)引腳 2 懸空時(shí)，充電電流為標(biāo)稱值 700mA；當(dāng)引腳 2 接地時(shí)，內(nèi)部電流源開(kāi)啟，可降低充電電流。在示例中，電流偏移為 500mA，對(duì)應(yīng) R4 上的電壓偏移為 140mV，選擇 (R4 = 100 Omega) 。

6.4 電路改進(jìn)

• 高頻補(bǔ)償：使用兩個(gè) R - C 器件（R9 + C2 和 R10 + C3）來(lái)穩(wěn)定高頻調(diào)節(jié)，電容 C2 和 C3 的估算值為 100nF。
• 電源供應(yīng)：在低電壓電池充電或充電器處于電流調(diào)節(jié)模式時(shí)，輸出電壓可能不足以正確為 TSM101 供電?？梢栽谧儔浩鞯拇渭?jí)側(cè)添加一個(gè)輔助繞組，為 TSM101 提供近似恒定的電源電壓。
• 高精度電壓控制：在需要最高精度電壓控制的應(yīng)用中，可采用特定的連接原理圖，定義 0V 參考點(diǎn)，同時(shí)需要使用 TSM101A（內(nèi)部電壓參考精度為 1%）。
• 不同充電階段的電流控制：通過(guò)添加一個(gè)雙比較器（如 LM393），可以根據(jù)電池的充電階段調(diào)整充電電流。例如在正常充電條件下，充電電流固定為 800mA；當(dāng)電池電壓低于 2.5V 時(shí)，充電電流降低到 200mA，以優(yōu)化電池壽命。

七、評(píng)估板使用

TSM101 評(píng)估板可作為電壓和電流控制器，適用于任何電源或電池充電器（SMPS 或線性）。使用時(shí)，將評(píng)估板的“IN +”和“IN -”電源輸入直接連接到電源次級(jí)的電源線，“Vcc”輸入連接到輔助電源線。在 SMPS 電源中，“Reg”輸出連接到光耦合器輸入以調(diào)節(jié)初級(jí)側(cè)的 PWM 塊；在線性電源中，“Reg”輸出連接到達(dá)林頓管的基極以調(diào)節(jié)功率輸出。同時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的元件參數(shù)，如通過(guò)選擇電阻橋 R6/R7 來(lái)控制電壓，選擇檢測(cè)電阻 R5 來(lái)控制電流等。文中還給出了一些具體的元件列表示例，可根據(jù)不同的電壓和電流控制要求進(jìn)行選擇。

八、結(jié)語(yǔ)

TSM101/A 集成電路憑借其高精度的電壓和電流控制能力、豐富的功能以及靈活的應(yīng)用特性，為電子工程師在電源管理和電池充電等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)提供了有力的支持。通過(guò)深入了解其特性、工作原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法，我們可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出更加穩(wěn)定、高效的電路。你在使用 TSM101/A 進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到一些獨(dú)特的問(wèn)題或者有什么好的經(jīng)驗(yàn)分享呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言交流。