TSM101/A电压与电流控制器：特性、应用及设计攻略

TSM101/A电压与电流控制器：特性、应用及设计攻略

一、引言

在电子工程师的日常设计工作中，精确的电压和电流控制是实现各种电路功能的关键。TSM101/A 作为一款功能强大的集成电路，为电源管理和电池充电等应用提供了理想的解决方案。今天就带大家深入了解这款器件的特性、应用以及设计要点。

文件下载：tsm101.pdf

二、TSM101/A 概述

2.1 主要特性

• 高精度电压基准：TSM101A 具备 1.24V 系列电压基准，输出电流可达 10mA，精度高达 1%，能为电路提供稳定可靠的参考电压。
• 双运算放大器：拥有两个带或输出的运算放大器，增益带宽积为 1MHz，可灵活应用于各种信号处理和比较电路中。
• 内置电流发生器：具备使能/禁用功能，能够根据实际需求调整电流限制，为电源保护和控制提供了便利。
• 宽电源电压范围：支持 4.5 至 32V 的电源电压，适用于多种不同的电源环境。
• 多种封装形式：提供 SO8 和 DIP8 封装，方便不同电路板的布局和安装。

2.2 工作原理

TSM101/TSM101A 集成电路将高稳定性的串联带隙电压基准、两个或连接的运算放大器和一个电流源集成在一起。它会将开关电源输出的直流电压和电流水平与内部参考值进行比较，然后通过光耦合器向初级侧的 PWM 控制器集成电路提供反馈，实现对输出电压和电流的精确控制。同时，受控电流发生器可通过补偿来自电流检测电阻的信息来修改电流限制水平。

三、应用领域

3.1 电池充电器

这款电路专为具有恒压和有限输出电流的电池充电器而设计。它能够精确控制充电电压和电流，确保电池安全、高效地充电。比如在常见的镍镉电池充电器中，就可以发挥其高精度的电压和电流控制优势。

3.2 精密电压调节和电流限制应用

在各种需要高精度电压调节和电流限制的应用中，TSM101/A 都能大显身手，如电压监控器、过压保护电路等。

四、电气特性分析

4.1 绝对最大额定值

在使用 TSM101/A 时，一定要注意其绝对最大额定值，如直流电源电压 (V{CC}) 最大为 36V，输出电流 (I{out}) 最大为 20mA 等。超出这些额定值可能会导致器件损坏，影响电路的正常工作。你在实际设计中，有没有因为忽略额定值而遇到过问题呢？

4.2 工作条件

其工作电源电压范围为 4.5 至 32V，不同的环境温度范围对应不同的型号，如 TSM101C/AC 适用于 -20°C 至 +80°C 的环境，TSM101I/AI 适用于 -40°C 至 +105°C 的环境。选择合适的型号对于保证电路在不同环境下的稳定性至关重要。

4.3 电气特性参数

• 运算放大器：在 (T{amb}=25^{circ} C) ， (V{CC}=15 ~V) 的条件下，输入电压范围为 0 至 (V_{CC}- 1.5V)，输入失调电压在不同温度下有一定的波动范围等。这些参数直接影响着运算放大器的性能和应用效果。
• 电压基准：不同型号的 TSM101 和 TSM101A 在参考电压、温度稳定性、负载调节和线路调节等方面有具体的参数要求。例如 TSM101A 的参考电压在 (I{out}=1mA) ， (T{amb}=25^{circ} C) 时，典型值为 1.24V，最小值为 1.227V，最大值为 1.252V。
• 电流发生器：能产生典型值为 1.4mA 的电流，具有一定的温度稳定性和线路调节特性。通过控制使能引脚的电压，可以实现电流源的开启和关闭。

五、引脚功能详解

TSM101/A 共有 8 个引脚，每个引脚都有其特定的功能：

• Vref（引脚 1）：电压基准输出引脚，提供 1.24V 的参考电压，最大输出电流为 10mA，使用时切勿短路。
• Vrin（引脚 7）：电压调节环路输入引脚，用于输入需要调节的电压信号。
• Crin（引脚 5）：电流限制环路输入引脚，连接到检测电阻，用于检测电流大小。
• Crref（引脚 3）：电流限制参考输入引脚，设置电流限制的参考值。
• Csen（引脚 2）：电流源使能输入引脚，当该引脚的输入电压低于 0.8V 时，电流源开启，可用于补偿检测电阻上的电压测量值，从而修改充电电流。
• OUTPUT（引脚 6）：电压调节和电流限制环路的公共输出引脚，可驱动光耦合器的初级侧（LED）。
• Vcc（引脚 8）：电源输入引脚，输入 4.5 至 32V 的直流电源。
• GND（引脚 4）：接地引脚，为电路提供参考电位。

六、应用实例 - 电池充电器设计

6.1 整体方案

以一个 12V 镍镉电池充电器为例，说明如何使用 TSM101 与开关模式电源（SMPS）结合实现电池充电功能。TSM101 的主要作用是对 SMPS 的输出电流进行精细调节，并实现精确的电压限制。

6.2 工作原理

• 电流调节环路：通过检测低阻值电阻 R5 两端的电压，并将其与由 R2 和 R3 组成的电桥设定的固定值进行比较。当 R5 上的电压高于 R3 上的电压时，电流环路运算放大器的输出降低，光耦合器电流增加，通过 PWM 控制器降低输出电压。
• 电压调节环路：将输出电压的一部分（通过电阻桥 R6、R7 和 P1 分压）与 1.24V 的电压基准进行比较。如果该部分电压高于 1.24V，电压环路运算放大器的输出降低，同样通过光耦合器和 PWM 控制器降低输出电压。
• 电流源补偿：通过使能 TSM101 的电流源（引脚 2），可以用一个等于 (R4 * I{0})（ (I{0}=1.4 ~mA) ）的电压来补偿电流检测值，从而降低输出充电电流，可用于对不同容量的电池进行充电。

  6.3 元件计算

• 电压限制：根据公式 (V{out }=frac{R 6 + R 7}{R 6} × V{r}) 和 (R 6=left(frac{ Vref }{ Vout - Vref }right) × R 7) 计算电阻 R6 和 R7 的值。例如在应用板上， (R 7 = 12 kOmega) ， (R 6 = 1 kOmega) ， (P1 = 220 Omega) 。
• 电流调节：电流调节有效时，R5 上的电压降等于 TSM101 引脚 5 上的电压。对于中等电流（<1A），R5 上 200mV 的电压降是一个合适的值。例如选择 (R5 = 0.285 Omega) （四个 1.2Ω 电阻并联）。同时，根据公式 (R 2 = R 3 timesleft(frac{V r e f - V r 5}{V r 5}right)) 选择 R2 和 R3 的值。
• 充电控制：当引脚 2 悬空时，充电电流为标称值 700mA；当引脚 2 接地时，内部电流源开启，可降低充电电流。在示例中，电流偏移为 500mA，对应 R4 上的电压偏移为 140mV，选择 (R4 = 100 Omega) 。

6.4 电路改进

• 高频补偿：使用两个 R - C 器件（R9 + C2 和 R10 + C3）来稳定高频调节，电容 C2 和 C3 的估算值为 100nF。
• 电源供应：在低电压电池充电或充电器处于电流调节模式时，输出电压可能不足以正确为 TSM101 供电。可以在变压器的次级侧添加一个辅助绕组，为 TSM101 提供近似恒定的电源电压。
• 高精度电压控制：在需要最高精度电压控制的应用中，可采用特定的连接原理图，定义 0V 参考点，同时需要使用 TSM101A（内部电压参考精度为 1%）。
• 不同充电阶段的电流控制：通过添加一个双比较器（如 LM393），可以根据电池的充电阶段调整充电电流。例如在正常充电条件下，充电电流固定为 800mA；当电池电压低于 2.5V 时，充电电流降低到 200mA，以优化电池寿命。

七、评估板使用

TSM101 评估板可作为电压和电流控制器，适用于任何电源或电池充电器（SMPS 或线性）。使用时，将评估板的“IN +”和“IN -”电源输入直接连接到电源次级的电源线，“Vcc”输入连接到辅助电源线。在 SMPS 电源中，“Reg”输出连接到光耦合器输入以调节初级侧的 PWM 块；在线性电源中，“Reg”输出连接到达林顿管的基极以调节功率输出。同时，需要根据实际需求选择合适的元件参数，如通过选择电阻桥 R6/R7 来控制电压，选择检测电阻 R5 来控制电流等。文中还给出了一些具体的元件列表示例，可根据不同的电压和电流控制要求进行选择。

八、结语

TSM101/A 集成电路凭借其高精度的电压和电流控制能力、丰富的功能以及灵活的应用特性，为电子工程师在电源管理和电池充电等领域的设计提供了有力的支持。通过深入了解其特性、工作原理和应用设计方法，我们可以充分发挥其优势，设计出更加稳定、高效的电路。你在使用 TSM101/A 进行设计的过程中，有没有遇到一些独特的问题或者有什么好的经验分享呢？欢迎在评论区留言交流。