汽車遠(yuǎn)端天線穩(wěn)壓器和檢流放大器的外部元件選擇 - 全文

摘要：本應(yīng)用筆記幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正確選擇配合MAX16946遠(yuǎn)端天線穩(wěn)壓器和檢流放大器（CSA）使用的外部元件，確保汽車天線檢測(cè)子系統(tǒng)滿足目標(biāo)要求。文中提供了一個(gè)電子計(jì)算器，幫助計(jì)算MAX16946外部關(guān)鍵元件的參數(shù)。計(jì)算器還用于確定器件的工作范圍和模擬輸出電壓精度。

引言

MAX16946是一款帶有高精度檢流放大器（CSA）的高壓穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)提供汽車遠(yuǎn)端無(wú)線電天線的隱含電源。器件提供短路保護(hù)、限流保護(hù)和負(fù)載開路檢測(cè)。限流保護(hù)和負(fù)載開路保護(hù)的電流門限可由外部電阻設(shè)置。為確保天線檢測(cè)電路滿足目標(biāo)要求，工程師必須正確選擇外部元件。

圖1所示為MAX16946的典型應(yīng)用，主要外部元件及其功能如下：

RSENSE為電阻，通過(guò)該電阻檢測(cè)負(fù)載電流，CSA測(cè)量并放大該電阻上的電壓。因此，檢流電阻對(duì)于確定總體系統(tǒng)精度非常重要。

R5和R6設(shè)置穩(wěn)壓器輸出電壓。

COMP的外部電容確保穩(wěn)壓器在任何工作條件下的穩(wěn)定性。

R1和R2設(shè)置故障條件期間的電流門限，如果電流維持在電流門限的時(shí)間達(dá)到屏蔽時(shí)間100ms （最?。瑒t關(guān)斷輸出，觸發(fā)/SC輸出低電平，1100ms后重試。

R3和R4設(shè)置負(fù)載開路檢測(cè)門限，負(fù)載電流低于該門限時(shí)，觸發(fā)/OL輸出低電平。

當(dāng)輸出關(guān)閉，LOUT試圖保持電流時(shí)，肖特基二極管DOUT為MAX16946 OUT引腳提供瞬態(tài)負(fù)壓保護(hù)。如果沒(méi)有該二極管，OUT可能在其絕對(duì)最大電壓以下-0.3V處，而這是不允許的。

圖1. MAX16946遠(yuǎn)端天線CSA和開關(guān)的典型工作電路

將CSA和開關(guān)用于天線時(shí)，設(shè)計(jì)者通常必須確定工作負(fù)載、正常工作條件、短路及限流的范圍（圖2）。此外，必須驗(yàn)證CSA模擬輸出電壓的精度。

圖2. 檢流放大器的工作范圍

利用MAX16946計(jì)算器確定正確的檢流電阻及電阻分壓器，這些電阻值用于設(shè)置限流和負(fù)載開路門限。計(jì)算器考慮了外部元件和MAX16946的容限。通過(guò)計(jì)算每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的容限范圍，設(shè)計(jì)人員可確保設(shè)計(jì)參數(shù)在系統(tǒng)指標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。

計(jì)算檢流電阻

理想情況下，最大負(fù)載電流在檢流電阻RSENSE上產(chǎn)生滿幅檢測(cè)電壓（圖1）。上限由短路電流門限1.7V表示，相當(dāng)于AOUT。應(yīng)用中的最大負(fù)載電流不應(yīng)超過(guò)短路電流門限，否則會(huì)錯(cuò)誤地指示短路條件。使用下式計(jì)算RSENSE初值：

（式1）

式中，1.7V為短路電流門限，0.4V為AOUT的零電流偏壓，26V/V為檢流放大器增益，ISC為短路電流門限。

由于檢流電阻具有一定容限，標(biāo)稱值將低于式1計(jì)算的數(shù)值。按下式計(jì)算容限：

（式2）

式中，RSENSE為式1計(jì)算的檢流電阻值，RSENSE-TOLERANCE為檢流電阻的容限。

通常為RSENSE（NOM）選擇最接近下限的標(biāo)準(zhǔn)電阻?；蛘?，使用串聯(lián)或并聯(lián)電阻構(gòu)成檢流電阻的最優(yōu)值。

計(jì)算短路電流檢測(cè)范圍

選擇檢流電阻的標(biāo)稱值后，接下來(lái)需要確定通過(guò)檢流電阻的典型電流。該電流允許檢測(cè)短路條件，計(jì)算如下：

（式3）

式中，RSENSE（NOM）為上面選擇的檢流電阻。

然而，由于短路電流門限（1.7V）、CSA增益（26V/V）和AOUT零電流偏壓（0.4V）的容限互不相關(guān)（即彼此的最小和最大值獨(dú)立變化），所以ISC將在特定范圍內(nèi)變化。該范圍限制在：

（式4）

及

（式5）

式中，RSENSE（MAX）為檢流電阻的最大值（包括其容限），RSENSE（MIN）為標(biāo)稱值。所以，電流介于ISC（MIN）和ISC（MAX）之間時(shí)，將觸發(fā)短路標(biāo)識(shí)（/SC）報(bào)警。

設(shè)置輸出電壓

圖1中的電阻R5和R6設(shè)置MAX16946的輸出電壓。決定這些電阻值的公式為：

（式6）

式中，VFB為穩(wěn)壓范圍內(nèi)的反饋引腳電壓（標(biāo)稱值為1V）。所以，輸出電壓的最小值和最大值為：

（式7）

及

（式8）

式中，VFB（MIN）為0.97V，VFB（MAX）為1.03V （電流范圍為5mA至150mA）。R5（MAX）、R5（MIN）、R6（MAX）和R6（MIN）分別為R5和R6的最大和最小值。

注意，將FB引腳連接至REG時(shí)，輸出電壓設(shè)置為8.5V。這種模式下，由于無(wú)需考慮外部電阻的容限，輸出電壓精度最高。

設(shè)置限流范圍

AOUT電壓達(dá)到LIM引腳電壓（由REF、LIM和GND之間的電阻分壓器設(shè)置）時(shí)，MAX16946將限制其輸出電流。標(biāo)稱REF電壓為3V，按照下式計(jì)算：

（式9）

式中，ILIM為預(yù)期限流門限，為R1選擇標(biāo)準(zhǔn)值100kΩ。R2計(jì)算如下：

（式10）

考慮到不相關(guān)容限，最差情況下的限流范圍為：

（式11）

及

（式12）

式中，R1（MAX）、R1（MIN）、R2（MAX）和2（MIN）分別為R1和R2的最大值和最小值。

設(shè)置負(fù)載開路檢測(cè)門限

MAX16946的負(fù)載開路門限可利用REF、OLT和GND之間的電阻分壓器設(shè)置，計(jì)算公式如下：

（式13）

式中，IOL為預(yù)期的負(fù)載開路門限，R3選擇標(biāo)準(zhǔn)值100kΩ，R4計(jì)算如下：

（式14）

確定R3和R4后，可利用下式計(jì)算負(fù)載開路檢流門限的范圍：

（式15）

及

（式16）

式中，R3（MAX）、R3（MIN）、R4（MAX）和R4（MIN）分別為R3和R4的最大值和最小值。

利用AOUT電壓測(cè)量輸出電流

已知檢流電阻RSENSE和負(fù)載電流ILOAD，即可計(jì)算CSA輸出AOUT測(cè)得的電壓范圍（最差條件下）。AOUT電壓的一般表達(dá)式為：

（式17）

如果考慮全部元件的不相關(guān)容限，AOUT電壓將介于以下公式之間：

（式18）

及

（式19）

也就是說(shuō)，檢測(cè)電流對(duì)應(yīng)的AOUT電壓波動(dòng)介于VAOUT（MIN）和VAOUT（MAX）之間。

正常情況下，利用微控制器的ADC測(cè)量AOUT電壓，然后根據(jù)所有參數(shù)的標(biāo)稱值計(jì)算負(fù)載電流。采用以上計(jì)算的最差情況AOUT電壓，微控制器計(jì)算的電流在以下兩個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)：

（式20）

及

（式21）

ADC測(cè)量電流的容限ITOL為：

（式22）

計(jì)算示例

下例中，我們以天線隱含電源應(yīng)用為例，正常工作范圍的上限設(shè)置為100mA，天線需要5V穩(wěn)壓電源。如果我們將短路門限設(shè)置為高出10%，為110mA，那么檢流電阻的初始值為：

（式23）

采用容限為1%的電阻，檢流電阻的最大標(biāo)稱值為：

（式24）

如果選擇次低的E12系列值0.39Ω，則可計(jì)算利用該電阻進(jìn)行短路檢測(cè)的典型值：

（式25）

短路門限

可利用最小和最大檢流電阻（0.386Ω和0.394Ω，假設(shè)使用1%容限型）確定短路檢測(cè)門限的最小和最大值：

（式26）

及

（式27）

輸出電壓

根據(jù)下式，通過(guò)選擇電阻R6 （首先選擇R5的值為22kΩ），將輸出電壓設(shè)置為5V：

（式28）

如果選擇最接近的E12系列電阻5600Ω，標(biāo)稱輸出電壓將為4.93V，輸出波動(dòng)范圍為：

（式29）

及

（式30）

限流

接下來(lái)，我們可以選擇設(shè)置輸出限流電阻。假設(shè)限流值大約為200mA，R1采用100kΩ電阻：

（式31）

選擇最接近的E12標(biāo)準(zhǔn)值390kΩ，實(shí)際限流值則為0.196A?？紤]所有元件容限，并假設(shè)采用1%精度電阻，限流范圍的最小和最大值為：

（式32）

及

（式33）

負(fù)載開路檢測(cè)門限

為將負(fù)載開路檢測(cè)電流的標(biāo)稱值設(shè)置為10mA，利用下式選擇R4 （選擇R3的值為100kΩ）：

（式34）

為R4選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻20kΩ，計(jì)算負(fù)載開路門限的最小和最大值：

（式35）

及

（式36）

AOUT精度

為評(píng)估模擬輸出（AOUT）精度，我們假設(shè)選擇與以上相同的檢流電阻（0.39Ω），評(píng)估負(fù)載電流為100mA時(shí)的精度。此時(shí)，AOUT電壓的最小和最大值為：

（式37）

及

（式38）

帶入這些電壓，利用微控制器軟件將電壓換算為電流（即使用數(shù)據(jù)資料中的典型值），評(píng)估電流范圍介于：

（式39）

及

（式40）

因此，微控制器測(cè)量值的誤差范圍在100mA時(shí)，為±6.7%。計(jì)算該范圍時(shí)未考慮ADC測(cè)量的其它誤差，例如：基準(zhǔn)誤差、量化誤差等。