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目录

第一章 电源基准电路概述与特性分析

1.1 并联型基准电压源

1.2 串联稳压型基准电压源

第二章 电源基准电路测试说明与设计要求

2.1 精度要求与软件校准

2.2 稳定性要求

第三章 电源基准电路测试方法详解

3.1 测试一：基准电压精度测试

3.2 测试二：低频振荡稳定性测试

3.3 测试三：全电压范围抗扰性测试

第四章 判定标准

第五章 参考案例深度剖析

案例一：比较基准电压不准问题

案例二：基准震荡问题

第六章 总结与建议

电源基准电路测试、设计与故障分析深度指南

摘要

本指南旨在详细阐述电源基准电路的测试原理、测试方法、判定标准以及实际工程应用中的故障案例分析。电源基准作为模拟电路和混合信号系统中的核心模块，其精度和稳定性直接决定了整个系统的性能。本文将从基准源的基本分类与特性出发，深入探讨并联型与串联型基准的工作机理及选型策略，重点分析在不同成本压力和精度要求下的测试规范与校准机制。此外，通过对典型故障案例的深度剖析，揭示电路设计中的潜在风险与解决方案，为硬件工程师提供一套完整的理论与实践参考。

第一章 电源基准电路概述与特性分析

电源基准电路是电子系统中的“标尺”，用于提供一个高度稳定、精确的电压值，作为电压比较、数据转换（ADC/DAC）、传感器信号调理等电路的参考依据。基准电压源的性能指标主要包括初始精度、温度漂移、长期稳定性、噪声以及负载调整率等。根据电路拓扑结构和工作原理的不同，电压基准源主要分为两大类：并联稳压型和串联稳压型。

1.1 并联型基准电压源

并联型基准电压源的工作原理类似于稳压二极管。在电路中，它们通常与负载并联连接，通过调节自身的分流电流来维持输出电压的恒定。为了正常工作，并联型基准必须串联一个限流电阻。

工作原理：并联型基准主要利用半导体PN结的正向压降（具有负温度系数）与反向击穿电压（具有正温度系数）的特性进行相互补偿。通过精密的电路设计，使得这两种温度特性在特定的电压点（即带隙电压）达到最佳平衡，从而获得极低的温度系数。

常见电压值与特性：

• 2.5V基准：这是最经典的带隙基准电压。由于硅的带隙电压约为1.25V，内部电路通常通过电阻倍增或叠加技术产生2.5V的输出。推荐型号包括AZ431和HA17431H（2.5V等级），精度通常为1%，封装多采用SOT-23。此类基准兼容性好，应用广泛。
• 1.24V与1.225V基准：这些数值接近硅的物理带隙电压（约1.205V~1.25V）。由于不需要额外的内部倍增电路，其噪声和温度系数往往优于更高电压的基准。1.24V主要推荐AZ431L和LMV431（0.5%精度）；1.225V则主要采用LM4041和TS4041（0.5%精度）。这些低压基准特别适合电池供电或低电压逻辑电路。

优缺点分析：并联型基准的优势在于结构简单、成本低、既可做正基准也可做负基准，且在宽负载范围内具有较好的稳定性。然而，其劣势在于需要外部限流电阻，导致在宽输入电压范围下功耗较高，且负载调整率不如串联型。

1.2 串联稳压型基准电压源

串联型基准电压源的结构类似于线性稳压器（LDO）。它内部包含一个高精度的基准源、一个误差放大器和一个串联调整管。通过检测输出电压并与内部基准比较，反馈控制调整管的压降，从而维持输出稳定。

工作原理与特性：串联型基准通常采用特殊的半导体工艺制程，如薄膜电阻技术，以确保高精度和低温度系数。由于其内部集成了反馈控制环路，外部通常需要高精度的反馈电阻网络（尽管部分芯片内置了电阻）。这类基准能够提供极低的初始误差（如0.1%甚至更低）和极低的温度漂移（如5ppm/°C至25ppm/°C）。

常见电压值与应用：串联型基准常见的输出电压有2.5V和2.048V（二进制分级的标准电压）。推荐型号如ADR380和MAX6021，它们能提供2.5V或2.048V输出，精度高达0.24%，温漂最大仅为25ppm/°C。

封装趋势：随着电子设备小型化的发展，SOT-23封装已成为主流。考虑到行业供应链的稳定性，SOT-23封装在未来3-5年内基本不会淘汰，是设计选型的首选封装形式。

优缺点分析：串联型基准的主要优势在于高精度、低温漂、低噪声以及极佳的负载调整率，无需外部限流电阻，静态电流较小且相对恒定。其缺点是制程复杂，价格较贵，且通常只能提供单一极性的输出。

第二章 电源基准电路测试说明与设计要求

在实际工程应用中，基准电压源的性能直接决定了模拟量测量的准确性。因此，制定严格的测试说明和设计要求至关重要。

2.1 精度要求与软件校准

基准电压误差定义：基准电压的输出误差必须根据系统模拟量测量精度的要求进行严格调节。设计时不仅要参考基准源芯片本身的初始精度，还要综合考虑PCB走线压降、温漂效应以及长期老化带来的偏差。

标准处理：在没有特别说明的情况下，直流电压基准的输出误差应控制在小于1%的范围内。这意味着对于2.5V的基准，其输出电压应在2.475V至2.525V之间。这一标准适用于大多数工业控制类单板。

软件校准策略：对于成本敏感的单板（如SCU单元），为了降低BOM成本，允许使用精度较低的基准芯片。此时，系统必须具备电压基准软件校准功能。通过在生产过程中测量实际基准偏差，并在软件中存储校准系数，可以在数字域内修正误差。

• 放宽标准：具备软件校准功能的电路，其硬件电压基准的输出误差范围可适当放宽，通常控制在±5%以内。
• 实施细节：校准通常包括零点校准和增益校准。软件通过读取已知的高精度输入信号，计算当前基准电压与理想值的比例关系，从而在后续测量中进行动态补偿。

2.2 稳定性要求

基准电压不仅是准，更必须稳。稳定性主要包含两个维度：短期稳定性（振荡）和长期稳定性（漂移）。

低频振荡抑制：用示波器观测基准电压输出端时，不应观测到低频振荡现象。低频振荡通常由反馈环路相位裕度不足或电源滤波不当引起。振荡会导致基准电压呈现周期性的波动，使得采样数据跳动，严重影响控制精度。

抗扰性与电源抑制：基准电压应具备较强的抗干扰能力。在实际单板工作中，输入电压会波动，且周围存在高频噪声。

• 测试要求：在单板要求的全工作电压范围内变化输入，基准源的输出误差必须始终小于1%。
• 设计考量：基准芯片的电源抑制比（PSRR）是关键指标。高PSRR意味着输入端的纹波和噪声会被大幅度衰减，不会传递到输出端。

第三章 电源基准电路测试方法详解

为了确保上述设计要求得到满足，必须执行标准化的测试流程。以下是详细的测试步骤和操作规范。

3.1 测试一：基准电压精度测试

目的：验证在额定工作条件下，基准电压输出值是否在规定的误差范围内。

设备：高精度数字万用表（6位半以上精度最佳），直流稳压电源。

步骤：

1. 将待测单板上电，调整输入电压至额定值（例如24V或12V，视具体单板规格而定）。
2. 等待电路稳定，消除上电瞬间的过冲影响。
3. 将万用表的正负表笔直接接触基准电压的输出引脚和地（建议使用 Kelvin 测试法或直接接触焊盘，避免接触探头延长线导致的误差）。
4. 读取万用表显示的电压值。
5. 数据处理：计算实测值与标称值的偏差百分比。若偏差超过1%（或软件校准允许的5%），则判定为不合格。

3.2 测试二：低频振荡稳定性测试

目的：检测基准电路是否存在自激振荡现象，这是影响系统稳定性的致命隐患。

设备：示波器（带宽建议至少100MHz，使用无源探头或低电容探头），直流电源。

步骤：

1. 连接电路，将示波器探头钩在基准电压输出端。为了捕捉高频谐波和低频纹波，示波器耦合方式建议设为“交流耦合”或“直流耦合”且适当调高灵敏度。
2. 地线处理：务必使用探头的接地弹簧或最短的接地线，避免由于过长的地线引入空间电磁干扰，造成误判。
3. 在单板要求的最低工作电压、额定电压、最高工作电压三个关键点进行测试。
4. 缓慢调节输入电源电压，在规定的工作范围内连续扫描。
5. 波形观测：仔细观察示波器屏幕。正常的基准电压应该是一条干净、平直的直流线，可能带有极其微小的高频噪声（几毫伏以内）。
   • 异常波形：如果出现正弦波、三角波或无规则的杂波叠加在直流电平上，尤其是频率在几kHz到几百kHz范围内的波动，即判定为低频振荡。

3.3 测试三：全电压范围抗扰性测试

目的：验证基准电压源对输入电源波动的抑制能力，确保在电源不稳时系统仍能正常工作。

设备：可编程直流电源，万用表或示波器。

步骤：

1. 设定电源电压为单板工作范围的下限。
2. 测量并记录基准输出电压。
3. 以步进的方式（例如每次增加1V或5%）逐步升高输入电压，直到工作范围的上限。
4. 在每一个电压点稳定后，测量基准输出电压。
5. 判定：计算所有测量点中输出电压的最大偏差量。如果该偏差量相对于标称值超过了1%，则说明该基准电路的抗扰性不达标，或者电源抑制比（PSRR）过低，需要整改电路。

第四章 判定标准

综合上述测试方法，电源基准电路的合格判定标准如下：

1. 精度合格：在额定输入电压下，实测基准电压与标称值的偏差必须在允许范围内（通用为≤±1%，软件校准方案为≤±5%）。
2. 稳定性合格：在全工作电压范围内，示波器观测输出波形，必须无低频振荡现象。波形应清晰平滑，无寄生振荡。
3. 抗扰性合格：在输入电压从最低到最高的变化过程中，输出电压的波动范围必须始终控制在±1%以内。

任何一项不符合上述标准，均判定为该单板电源基准电路测试不合格，必须进行故障排查与设计优化。

第五章 参考案例深度剖析

通过分析实际发生的工程案例，可以更直观地理解基准电路设计中的陷阱与解决思路。

案例一：比较基准电压不准问题

1. 问题描述在EV2000-220KW变频器初样功能板的调试过程中，发现过流保护电路中的3.15V比较基准电压出现严重问题。实测值不仅严重偏离设计值3.15V，而且正负电源供电时的基准电压呈现出明显的不对称性。这直接导致过流保护阈值漂移，变频器可能在未过载时误动作，或在过载时拒动，存在极大的安全隐患。

2. 电路原理分析该应用中的3.15V基准并非由专用基准芯片产生，而是由TL431（2.5V基准）配合运算放大器搭建的升压电路生成。

• 电路结构：利用运放的高阻抗特性，对TL431的2.5V进行同相放大或反向叠加，生成3.15V。
• 关键器件：初样设计中，运放U2选用的是LM358。

3. 故障定位与分析LM358是一款通用的双运放，成本低廉，但在高精度应用中存在短板。

• 电源环境分析：变频器板卡上的±15V电源由一个开关频率约为40kHz的单端反激型开关电源提供。
  • +15V：作为主反馈绕组，经过闭环控制，纹波较小，电压较稳定。
  • -15V：仅采用最简单的二极管加电容整流滤波，属于非稳压绕组。因此，-15V电源上叠加了大量的40kHz开关纹波，且幅度较大。
• 失效机理：LM358的电源纹波抑制比（PSRR）较差，尤其是对高频纹波的抑制能力有限。当-15V电源纹波较大时，纹波会通过运放的内部电源馈通路径直接耦合到输出端。由于运放输出作为比较基准，对噪声极为敏感，导致输出电压中含有大量纹波分量，且正负电源不对称导致运放内部偏置电路工作点偏移，进一步恶化了输出精度。

4. 验证实验为了验证猜想，工程师进行了断开测试：

• 断开反激电源的-15V整流二极管。
• 外接一台高精度的直流稳压电源给单板施加-15V。
• 结果：LM358的输出电压立刻变得稳定且精确，纹波消失。这确凿地证明了LM358的纹波和不对称性是由-15V电源纹波引起的。

5. 解决措施与启示在不改变电路板结构的前提下，更换运放型号。

• 选型：选用TL082替代LM358。
• 理由：TL082是JFET输入型的高阻运放，虽然也是老款器件，但其内部电路结构对电源纹波具有更强的抑制能力，且频带较宽，响应速度快。
• 效果：更换后，电路满足设计要求，3.15V基准精准稳定。
• 设计启示：在电源纹波较大（如开关电源直接供电）且对运放输出精度要求较高的场合，必须选用高电源纹波抑制比（PSRR）且频率响应快的运放。切勿在精密基准电路中盲目使用低成本的通用运放。

案例二：基准震荡问题

1. 问题描述在某单板测试中，发现基准电源部分的输出电压（包括BREF, VREF, IREF）纹波异常过大，远超单板测试规范中规定的<1%指标。特别是BREF信号，其波形严重变形，不再是标准的直流电平，而是呈现出明显的高频杂波。

2. 原因分析基准源芯片（以TL431系列为例）在应用中存在稳定性边界条件。TL431内部是一个高增益的放大器，当其驱动容性负载时，输出极点的位置会发生改变，导致反馈环路的相位裕度降低。

• 稳定性边界：芯片数据手册中通常会给出一个“稳定性边界图”，横轴为等效串联电阻（ESR），纵轴为负载电容。图中会划分出稳定区和不稳定区。
• 故障根源：在原设计中，工程师为了滤除噪声，在431基准电路的输出端对地并联了一个0.1uF的电容（C239）。然而，查阅该芯片的稳定性图表发现，0.1uF的电容值恰好落在了“易震荡区域”（图示A、B线以下的区域）。在这个区域，环路相位裕度接近0，极易引发自激振荡。

3. 解决措施解决容性负载引起的震荡问题，通常有以下几种思路：改变电容值、调整电容的ESR、或在反馈环节进行补偿。

• 实施：考虑到工程改动的便捷性，工程师采取了直接调整电容值的方案。将原本引起震荡的0.1uF滤波电容拆除，更换为0.01uF的电容。
• 原理：0.01uF的电容值较小，远离了震荡的边界区域，使得环路恢复足够的相位裕度。
• 结果：更改电容后，BREF、VREF和IREF的波形恢复正常，纹波降至指标范围内，震荡现象消失。

4. 设计启示基准源输出端的滤波电容并非越大越好。在使用并联型基准（如TL431、LM431）时，必须严格参考数据手册中的电容负载能力曲线。如果必须使用较大的输出电容进行滤波，建议采用等效串联电阻（ESR）较大的电解电容，或者在基准输出端串联一个小电阻（几欧姆至几十欧姆）来隔离容性负载，从而破坏震荡条件，确保系统稳定。

第六章 总结与建议

电源基准电路看似简单，实则对细节要求极高。从选型阶段开始，工程师就必须在成本、精度、功耗和封装之间做出权衡。

1. 选型原则：优先考虑串联型基准以获得高性能，但在成本敏感且要求一般的场合，并联型基准配合合理的电路设计同样可行。
2. 布局布线：基准源的输出应远离大电流开关走线，防止磁场耦合干扰。接地回路应尽可能短粗。
3. 电容使用：谨慎对待基准源输出端的电容，特别是并联型基准，务必核对稳定性图表，避免引发自激震荡。
4. 系统匹配：基准电路并非孤立存在，其供电电源的质量至关重要。如案例一所示，低PSRR的运放配合劣质的辅助电源会导致精密基准失效。

通过严格执行上述测试方法和判定标准，并借鉴历史案例的经验教训，可以有效地规避电源基准电路的设计风险，确保电子产品的可靠性与精确度。在未来的设计中，随着芯片工艺的进步，更高集成度、更低功耗的基准源将不断涌现，但基本的电路理论和测试原则依然是工程师手中的利器。