应用笔记 4207

解决MAX1452/MAX1455信号调理器的电源容限问题

By: Youssof Fathi

摘要 : MAX1452/MAX1455是高精度、低成本信号调理器,工作在数字模式时可以进行系统级生产,工作在模拟模式时可以进行常规操作。应用电路中,根据VDD引脚供电电源的驱动能力,器件可能存在以下问题:(a) 需要启动进入模拟模式时却进入了数字模式,(b) 有过多的输出噪声,(c) VDDF没有足够的电压支持EEPROM可靠工作。本应用笔记提出了在应用电路中增加一个元件来解决上述问题的方法,有助于提高产量和产品的可靠性。

介绍

MAX1452/MAX1455是高精度、低成本信号调理器,它们可以工作在两种模式下:工作在数字模式时可以进行系统级生产,工作在模拟模式时可以进行常规操作。MAX1452/MAX1455包含上电复位(POR)电路,保证内部数字逻辑和状态机在上电和发生电压跌落后能够初始化到正确状态。POR电路检测电源电压,并在电压达到所要求的工作电平之前保持最初的逻辑状态。MAX1452/MAX1455工作时有两个电源输入:(1) VDD,为内部逻辑电路和模拟电路供电,以及(2) VDDF,为片内EEPROM存储器供电。在系统中,VDD和VDDF可以直接连接在一起,也可以通过一个电阻连接(如下所示)。

典型的应用电路中,VDDF引脚有一个RC电路(R在VDD和VDDF之间,C在VDDF和GND之间)。受成本和空间限制,所选择的VDD电源通常驱动能力有限,在EEPROM工作时可能无法维持VDD电压,因此需要一个RC滤波器。由于电源的驱动能力有限,使得生产和/或工作期间系统可能存在一些隐患。其中之一就是可能导致启动时进入错误的模式—一旦出现该问题,输出将以数字模式开启,而非模拟模式。发生这个问题是由于VDDF电压上升缓慢,远远滞后于VDD,这也会导致闪存控制地址读写的不可靠;第二问题是:VDD上的纹波所引起的输出噪声耦合到输出端;另一个隐患是:在一次写操作后,EEPROM单元可能被损坏。如果具体应用中,所选择的VDD电源具有足够的电流驱动能力时,就不会出现上述所有问题。

工作背景

MAX1452/MAX1455内置EEPROM,用于存储校准系数和器件配置信息。根据EEPROM所执行的操作不同,从VDDF电源吸收的电流在7mA至25mA范围。EEPROM工作时有三种操作模式:读、写和擦除。在模块的生产过程中,读、写操作都会用来进行校准和测试(数字模式)。生产完成后,器件被锁定(转换到模拟模式)并且只能进行读操作。重要的是,用于写、擦除操作的大电流只发生在生产过程,而且在应用电路设计中不需要考虑。

生产过程中,EEPROM操作在校准和测试时可能从VDDF吸收25mA的电流。擦除操作会在1µs内吸收25mA电流,随后的5ms内吸收16mA电流。写操作会在1µs内吸收25mA电流,随后的80µs内吸收16mA电流。

常规操作中,每1ms会有10次EEPROM的读操作,用来载入或刷新系数和配置寄存器。每次读操作会在1µs内吸收7mA电流,随后的1µs无需消耗电流。由此,每1ms会有10个非常靠近的读操作脉冲,从VDDF吸收较低有效值的电流。

在MAX1452/MAX1455的应用中,必须正确选择VDD电源,为EEPROM操作提供所需的电流(特别是在4-20mA应用情况下)。如果电源不能提供足够的电流支持,VDDF和VDD电压就有可能跌落到最低工作电压4.5V以下。

MAX1452/MAX1455在常规操作模式下,当内部EEPROM执行读操作时,VDDF上可能会出现电压纹波。如果VDD电源带载能力较弱,较大的电压纹波可能耦合到VDD,产生输出噪声。芯片采用独立的VDD和VDDF电源引脚,因此用户可以在VDDF电源引脚增加外部RC滤波器,以减小噪声耦合。但在选取RC滤波器时,需要考虑到很多因素。R阻值必须足够大,以避免EEPROM工作期间VDD上有电流尖峰。R阻值还要足够小,保证在最初启动时VDDF的上升能够紧随VDD电压,防止出现任何启动问题。当然,C的选取也非常重要,并且R、C的选择需要尽可能达到有最佳组合。当然,即使选择了最佳值也不一定解决所有上述问题。

增加一个二极管解决VDD电源带载能力弱的问题

利用VDDF连接的RC滤波器可以抑制输出噪声,但不能避免上电顺序问题,可以在VDD和VDDF之间连接一个肖特基二极管,与RC滤波器中的R并联(图1)。肖特基二极管的正向电压必须小于VDD和GND之间寄生二极管的正向电压,并且还要提供足够的裕量,保证产品在最大工作温度下不会导通。BAT54肖特基二极管的正向电压在+25°C时为300mV,测试证明能够满足本应用的要求。在VDD和VDDF之间连接该二极管可以带来以下好处:
  • 解决启动问题,二极管使VDDF电压紧随VDD电压—相差一个二极管压降(< 300mV)。因此,当出现POR信号时,VDDF电压位于正确电平,正确读出EEPROM的控制位置,因此能够以正确模式启动。

  • 降低输出噪声,连接二极管后可以使用更大容值的C (在大电流读操作期间,维持VDDF电平所需的最小电容为0.47µF)和更大阻值的R (典型值为1kΩ)。使用较大的RC有助于解决启动问题。无论RC滤波器的时间常数多大,VDD和VDDF的压差始终为一个二极管压降(< 300mV)。读操作期间,如果没有二极管,过大的电容会引起VDDF上升有很大的延时,并可能导致启动问题。同样,过小的电容又会引起VDD尖峰电压耦合到输出,造成不必要的输出干扰。

  • 进行EEPROM写操作时保持EEPROM存储单元的电量,这一改进源于VDDF电压在任何情况下保持在4.5V最小工作电压以上(VDD = 5V)。
图1. MAX1452典型应用电路中增加肖特基二极管,以解决VDD电源驱动受限问题
图1. MAX1452典型应用电路中增加肖特基二极管,以解决VDD电源驱动受限问题
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