摘要:本应用笔记帮助系统设计者在使用max16948双通道远端天线ldo/开关时选择正确的外部元件,确保车载稳压幻象天线电源和输出电流监测电路满足性能指标。本文提供电子计算器,帮助限定max16948的关键外部元件,缩短设计时间。计算器也确定器件的模拟输出电压、输出限流门限,以及输出电流检测精度。计算器包括新的自动逐步向导功能,帮助设计者选择元件。为使用新自动功能,点击相应部分的step by step按钮。
引言
max16948是一款双通道、高电压、低压差线性稳压器(ldo)/开关,带有输出电流检测功能。器件通过同轴电缆为汽车系统中的远端射频(rf)低噪声放大器(lna)提供幻象电源,每通道的最大电流达300ma。max16948设计工作在4.5v至28v的输入电压范围(45v抛负载容限)。
器件提供8.5v固定稳压输出电压或1v至12v可调稳压输出电压(ldo模式)。器件也可以配置为开关(sw模式)。
max16948监测每通道的负载电流,提供两路与检测输出电流成比例的模拟输出电流(从sense_¹引脚源出)。高精度内部可调电流限值保护输入电源不受过流和短路条件的损害。
器件具有电池短路保护、反向电流检测、输入过压和热过载关断功能,这些故障条件期间,闭锁内部ldo/开关。max16948包括两路独立的低电平有效、高压兼容关断输入(shdn_),可以将每通道置于低功耗关断模式,以及将两路低电平有效开漏错误报警输出(err_)。
max16948的外部元件
图1所示为max16948的典型应用电路。主要外部元件及其功能如下:
r1_和r2_设置器件处于输出电压可调的ldo模式时的稳压输出电压。
rlim_设置限流门限。
rsense确定adc满幅输入电压和输出电流检测精度。
图1. max16948典型应用电路。
利用这些外部元件,用户很容易针对具体应用配置max16948。还需要其它外部元件,将在下文中讨论。
输入电容
在in和gnd之间并联电解电容和低esr陶瓷电容,以限制瞬时输出短路条件期间的输入电压降,以及防止器件受到in线上电感引起的瞬态损害。例如,如果估算输入电感(包括任何杂散电感)为20µh,使用至少0.1µf陶瓷电容与至少10µf电解电容并联。
max16948的工作输入电压接近于输出电压时,例如处于压差下的sw工作模式或ldo模式,必须小心谨慎,避免在对地短路故障时发生错误的反向电流检测。如果两路通道均已使能,其中一路在启动后对地短路,从cin吸收的电流可能会造成输入电压短时跌落,这可能会触发反向电流检测故障。这种错误故障检测在低输出电流(小于80ma)时更为严重。为避免这种错误触发事件,采用至少100µf的输入电解电容。
ldo模式输出电压
ldo模式下使用时,器件的每个通道可配置为提供8.5v固定输出或1v至12v可调输出电压。通过将fb_引脚连接至reg,将输出电压设置为8.5v。该模式下,由于无需考虑外部电阻的容限,所以输出电压精度较高。
需要不同输出电压时,在out_、fb_和gnd之间连接电阻分压器。确定电阻分压器值的公式如下所示。
图2. max16948稳压幻象电源。
电阻r1_和r2_ (图2)设置max16948的输出电压。选择小于或等于1kω的r2_标准电阻(r2_(std))。利用下式计算最优的r1_值:
式中,vfb_为调节范围内的反馈引脚电压(标称值为1v)。
选定尽量接近r1_的标准电阻²r1_(std))后,典型输出电压为:
考虑到电阻容差(rtol),输出电压的最小和最大值为:
及
式中,vfb_(min)为0.97v,vfb_(max)为1.03v (输出电流范围为5ma至150ma)。r1_(min)、r1_(max)、r2_(min)和r2_(max)分别为r1_和r2_的最小值和最大值:
如果标称输出电压相对于预期输出电压的偏离太大,可采用标准电阻的串联或并联组合,实现最优电阻分压器。
将预期输出电压(vout_)、r2_的标准值及这些电阻的容差填入max16948计算器的对应部分,用户很容易确定r1_的值。计算器确定最优r1_值后,在相应单元中插入标准值,以估算vout_范围限值。或者,点击step by step按钮,由计算器逐步引导完成ldo模式输出电压部分。
在out_和gnd之间连接大于> 1µf的电容与0.1µf低esr (< 900mω)电容并联,实现稳压器稳定性。这些电容应尽量靠近器件。使用电介质为x7r的电容,以确保器件的整个工作温度范围内的稳定性。
与输入电容的方式相似,输出电容保护器件不受输出中任何串联电感引起的瞬态损害。在任何条件下,out_上的电压都不应低于-0.3v,如数据资料中absolute maximum ratings部分规定。如果预计瞬态会低于地,需要肖特基二极管作箝位,尤其pcb上在负载之前有输出电感时。所选肖特基二极管的正向偏压必须小于0.3v,正向电流等于限流门限。³
限流门限
lim_引脚电压达到vlim门限(典型值为2.5v)时,max16948限制out_的输出电流。从lim_源出的电流与从out_源出的负载电流成比例,比例因子称为电流检测放大器(csa)增益。这种方式下,限流门限ilim_由电阻rlim_设置。
利用下式确定最优rlim_值:
式中,ilim_为预期限流门限,vlim(typ)为限制输出电流时lim_引脚上的典型电压门限(2.5v),a(typ)为csa增益典型值(0.005ma/ma)。
选择标准电阻值(rlim_(std)),尽量接近rlim_。那么典型限流门限为:
考虑到容差不相关性,最坏情况限流门限范围介于以下两个公式之间:
及
式中,vlim_(min)为2.375v,vlim_(max)为2.625v;a(min)为0.00485ma/ma,a(max)为0.00515ma/ma (典型输出电流100ma);rlim_(min)和rlim_(max)为rlim_的最小和最大值,基于rtol的值。
如果限流门限范围不合适,可采用标准电阻的串联或并联组合,获得最优范围。
max16948计算器4通过选择限流门限范围限值(ilim_(typ)、ilim_(min)或ilim_(max)),计算rlim_的最优值,帮助用户选择rlim_电阻。通过选择ilim_(typ)、ilim_(min)或ilim_(max),以及相对限流门限值和rlim_容限,实现以上目的。计算器确定最优rlim_值后,在相应单元中插入标准电阻值,以估算ilim_范围限值。或者,点击step by step按钮,由计算器逐步引导完成限流门限部分。
必须将0.1µf补偿电容(clim__)与rlim_并联,以在限流环路中建立主导极点。这样可维持稳定性,并防止快速电流瞬态过早触发限流(图3)。
图3. max16948输出限流。
adc输入范围和输出电流检测精度
max16948源出的电流与out_引脚上的负载电流成比例,比例因子为csa增益。该电流通过rsense_,产生与输出电流成比例的电压。利用这一特性,就可能利用adc采样sense_引脚上的电压,从而监测输出电流。
adc满幅输入电压(vadcfs_)由rsense_设置。
利用下式确定最优rsense_值:
式中,ilim_(typ)为之前部分计算的典型限流门限,a(typ)为csa增益典型值(0.005ma/ma)。
选择标准电阻值(rsense_(std)),尽量接近rsense_。那么典型adc满幅输入电压为:
考虑到电阻容差(rtol),adc满幅输入范围的最小和最大值为:
及
式中,vlim_(min)为2.375v,vlim_(max)为2.625v;rlim_(min)和rlim_(max)已在之前部分计算得到;rsense_(min)和rsense_(max)的最小和最大值,基于rtol值。
利用电子计算器5的输出电流检测部分,用户在插入相应的adc满幅输入电压(vadcfs_)和rsense_的容差后,很容易确定rsense_值。计算器确定最优rsense_值后,在相应单元中插入标准值,以估算vadcfs_范围限值。或者,点击step by step按钮,由计算器逐步引导完成输出电流检测部分。
然而,使用该部分之前,需要在计算器的限流门限部分确定ilim_范围限值。
应将0.1µf电容(csense)与rsense_并联,以在adc采样循环期间保持电压(图4)。
图4. adc输入范围。
利用adc (vadc_)测得sense_引脚上的电压后,可用下式估算输出电流:
由于rsense_容限和csa增益参数值离散,估算的输出电流值会在以下两个公式之间变化:
及
用100ma典型输出电流代替csa增益值:
最终,adc测量电流的精度为:
也可在计算器的输出电流检测部分的o.c.s精度行中确定该参数。
负载开路和过流条件检测
除adc采样外,通过使用外部比较器以及将rsense_分成电阻分压器(r3_、r4_和r5_) (图5),可检测负载开路或过流条件。
图5. 负载开路和过流检测电路。
比较器的输出(oc_和ol_)表示电路的工作状态,如表1所示。
表1.电路工作状态
oc
ol
state
0
0
normal operation
0
1
open-load condition
1
0
overcurrent condition
1
1
invalid state
利用下式确定r5_值:
式中,iopen-load_为通过ldo/开关的预期负载开路电流门限,vol_,th为比较器u2_的负载开路电压门限,a(typ)为csa增益典型值(0.005ma/ma)。计算得到r5_电阻值后,利用下式确定r4_值:
式中,iovercurrent_为通过ldo/开关的预期过流门限,必须小于ilim_(min);voc_,th为比较器u1_的过流电压门限;a(typ)为csa增益典型值(0.005ma/ma)。
最后,计算r3_:
r3_ = rsense_ - r4_ - r5_
考虑到r3_、r4_和r5_标准电阻的容差(rtol),负载开路和过流门限的最小、典型和最大值为:
式中,a(min)为0.00485ma/ma,a(max)为0.00515ma/ma (典型输出电流100ma);r4_(min)、r4_(max)、r5_(min)和r5_(max)分别为r4_和r5_的最小和最大值,基于rtol容限。
用户可利用计算器6的负载开路和过流检测部分确定r4_、r5_和r6_的值。插入iopen-load_ (iol_)、iovercurrent_ (ioc_)、vol_,th、voc_,th和电阻容限。利用计算器确定r4_、r5_和r6_的最优值后,在相应单元中插入标准电阻值,以估算iopen-load_和iovercurrent_范围限值。点击step by step按钮,由计算器逐步引导完成负载开路和过流检测部分。
使用计算器的负载开路和过流检测部分之前,需要在输出电流检测部分确定rsense_。
计算示例
这些计算例子中,我们假设天线幻象电源应用,电源输入电压为5v,典型负载电流为100ma,最大限流门限值为120ma,采用3.3v输入范围adc来监测输出电流。
假设max16948的in引脚直接连接至电池,器件必须配置为ldo模式,以获得5v out_电压。为此,必须确定r1_和r2_组成的外部电阻分压器。为r2_ (r2_(std))选择小于或等于1kω的标准值,然后计算r1_:
r2_(std) = 750ω, rtol = 1% (e96 series)
从e96系列中选择标准电阻(r1_(std) = 3010ω),输出电压范围为:
为使最大限流门限(ilim_(max))等于120ma,可重新整理ilim_(max)公式后计算rlim_:
从e96系列中选择标准电阻(rlim_(std) = 4530ω),限流门限范围为:
adc输入范围为3.3v时,计算最优rsense_如下:
从e96系列选择标准电阻(rsense_(std) = 6040o, rtol = 1%),adc满幅输入电压范围为:
vadcfs_(typ) = rsense_(std) × ilim_(typ) × a(typ) = 6040ω × 110.375ma × 0.005 = 3.333v
vadcfs_(min) = rsense_(min) × ilim_(min) × a(min) = 5979.6ω × 100.794ma × 0.00485 = 3.104v
vadcfs_(max) = rsense_(max) × ilim_(max) × a(max) = 6100.4ω × 120.685ma × 0.00515 = 3.571v
那么输出电流监测的精度为:
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