应用笔记 5272

汽车远端天线稳压器和检流放大器的外部元件选择


摘要 : 本应用笔记帮助系统设计人员正确选择配合MAX16946远端天线稳压器和检流放大器(CSA)使用的外部元件,确保汽车天线检测子系统满足目标要求。文中提供了一个电子计算器,帮助计算MAX16946外部关键元件的参数。计算器还用于确定器件的工作范围和模拟输出电压精度。

引言

MAX16946是一款带有高精度检流放大器(CSA)的高压稳压器,设计提供汽车远端无线电天线的隐含电源。器件提供短路保护、限流保护和负载开路检测。限流保护和负载开路保护的电流门限可由外部电阻设置。为确保天线检测电路满足目标要求,工程师必须正确选择外部元件。
图1所示为MAX16946的典型应用,主要外部元件及其功能如下:
  • RSENSE为电阻,通过该电阻检测负载电流,CSA测量并放大该电阻上的电压。因此,检流电阻对于确定总体系统精度非常重要。
  • R5和R6设置稳压器输出电压。
  • COMP的外部电容确保稳压器在任何工作条件下的稳定性。
  • R1和R2设置故障条件期间的电流门限,如果电流维持在电流门限的时间达到屏蔽时间100ms (最小),则关断输出,触发/SC输出低电平,1100ms后重试。
  • R3和R4设置负载开路检测门限,负载电流低于该门限时,触发/OL输出低电平。
  • 当输出关闭,LOUT试图保持电流时,肖特基二极管DOUT为MAX16946 OUT引脚提供瞬态负压保护。如果没有该二极管,OUT可能在其绝对最大电压以下-0.3V处,而这是不允许的。
图1. MAX16946远端天线CSA和开关的典型工作电路
图1. MAX16946远端天线CSA和开关的典型工作电路
将CSA和开关用于天线时,设计者通常必须确定工作负载、正常工作条件、短路及限流的范围(图2)。此外,必须验证CSA模拟输出电压的精度。
图2. 检流放大器的工作范围
图2. 检流放大器的工作范围
利用MAX16946计算器确定正确的检流电阻及电阻分压器,这些电阻值用于设置限流和负载开路门限。计算器考虑了外部元件和MAX16946的容限。通过计算每个设计参数的容限范围,设计人员可确保设计参数在系统指标规定的范围内。

计算检流电阻

理想情况下,最大负载电流在检流电阻RSENSE上产生满幅检测电压(图1)。上限由短路电流门限1.7V表示,相当于AOUT。应用中的最大负载电流不应超过短路电流门限,否则会错误地指示短路条件。使用下式计算RSENSE初值:
式1. (式1)
式中,1.7V为短路电流门限,0.4V为AOUT的零电流偏压,26V/V为检流放大器增益,ISC为短路电流门限。
由于检流电阻具有一定容限,标称值将低于式1计算的数值。按下式计算容限:
式2. (式2)
式中,RSENSE为式1计算的检流电阻值,RSENSE-TOLERANCE为检流电阻的容限。
通常为RSENSE(NOM)选择最接近下限的标准电阻。或者,使用串联或并联电阻构成检流电阻的最优值。

计算短路电流检测范围

选择检流电阻的标称值后,接下来需要确定通过检流电阻的典型电流。该电流允许检测短路条件,计算如下:
式3. (式3)
式中,RSENSE(NOM)为上面选择的检流电阻。
然而,由于短路电流门限(1.7V)、CSA增益(26V/V)和AOUT零电流偏压(0.4V)的容限互不相关(即彼此的最小和最大值独立变化),所以ISC将在特定范围内变化。该范围限制在:
式4. (式4)
式5. (式5)
式中,RSENSE(MAX)为检流电阻的最大值(包括其容限),RSENSE(MIN)为标称值。所以,电流介于ISC(MIN)和ISC(MAX)之间时,将触发短路标识(/SC)报警。

设置输出电压

图1中的电阻R5和R6设置MAX16946的输出电压。决定这些电阻值的公式为:
式6. (式6)
式中,VFB为稳压范围内的反馈引脚电压(标称值为1V)。所以,输出电压的最小值和最大值为:
式7. (式7)
式8. (式8)
式中,VFB(MIN)为0.97V,VFB(MAX)为1.03V (电流范围为5mA至150mA)。R5(MAX)、R5(MIN)、R6(MAX)和R6(MIN)分别为R5和R6的最大和最小值。
注意,将FB引脚连接至REG时,输出电压设置为8.5V。这种模式下,由于无需考虑外部电阻的容限,输出电压精度最高。

设置限流范围

AOUT电压达到LIM引脚电压(由REF、LIM和GND之间的电阻分压器设置)时,MAX16946将限制其输出电流。标称REF电压为3V,按照下式计算:
式9. (式9)
式中,ILIM为预期限流门限,为R1选择标准值100kΩ。R2计算如下:
式10. (式10)
考虑到不相关容限,最差情况下的限流范围为:
式11. (式11)
式12. (式12)
式中,R1(MAX)、R1(MIN)、R2(MAX)2(MIN)分别为R1和R2的最大值和最小值。

设置负载开路检测门限

MAX16946的负载开路门限可利用REF、OLT和GND之间的电阻分压器设置,计算公式如下:
式13. (式13)
式中,IOL为预期的负载开路门限,R3选择标准值100kΩ,R4计算如下:
式14. (式14)
确定R3和R4后,可利用下式计算负载开路检流门限的范围:
式15. (式15)
式16. (式16)
式中,R3(MAX)、R3(MIN)、R4(MAX)和R4(MIN)分别为R3和R4的最大值和最小值。

利用AOUT电压测量输出电流

已知检流电阻RSENSE和负载电流ILOAD,即可计算CSA输出AOUT测得的电压范围(最差条件下)。AOUT电压的一般表达式为:
式17. (式17)
如果考虑全部元件的不相关容限,AOUT电压将介于以下公式之间:
式18. (式18)
式19. (式19)
也就是说,检测电流对应的AOUT电压波动介于VAOUT(MIN)和VAOUT(MAX)之间。
正常情况下,利用微控制器的ADC测量AOUT电压,然后根据所有参数的标称值计算负载电流。采用以上计算的最差情况AOUT电压,微控制器计算的电流在以下两个数值范围内:
式20. (式20)
式21. (式21)
ADC测量电流的容限ITOL为:
式22. (式22)

计算示例

下例中,我们以天线隐含电源应用为例,正常工作范围的上限设置为100mA,天线需要5V稳压电源。如果我们将短路门限设置为高出10%,为110mA,那么检流电阻的初始值为:
式23. (式23)
采用容限为1%的电阻,检流电阻的最大标称值为:
式24. (式24)
如果选择次低的E12系列值0.39Ω,则可计算利用该电阻进行短路检测的典型值:
式25. (式25)

短路门限

可利用最小和最大检流电阻(0.386Ω和0.394Ω,假设使用1%容限型)确定短路检测门限的最小和最大值:
式26. (式26)
式27. (式27)

输出电压

根据下式,通过选择电阻R6 (首先选择R5的值为22kΩ),将输出电压设置为5V:
式28. (式28)
如果选择最接近的E12系列电阻5600Ω,标称输出电压将为4.93V,输出波动范围为:
式29. (式29)
式30. (式30)

限流

接下来,我们可以选择设置输出限流电阻。假设限流值大约为200mA,R1采用100kΩ电阻:
式31. (式31)
选择最接近的E12标准值390kΩ,实际限流值则为0.196A。考虑所有元件容限,并假设采用1%精度电阻,限流范围的最小和最大值为:
式32. (式32)
式33. (式33)

负载开路检测门限

为将负载开路检测电流的标称值设置为10mA,利用下式选择R4 (选择R3的值为100kΩ):
式34. (式34)
为R4选择标准电阻20kΩ,计算负载开路门限的最小和最大值:
式35. (式35)
式36. (式36)

AOUT精度

为评估模拟输出(AOUT)精度,我们假设选择与以上相同的检流电阻(0.39Ω),评估负载电流为100mA时的精度。此时,AOUT电压的最小和最大值为:
式37. (式37)
式38. (式38)
带入这些电压,利用微控制器软件将电压换算为电流(即使用数据资料中的典型值),评估电流范围介于:
式39. (式39)
式40. (式40)
因此,微控制器测量值的误差范围在100mA时,为±6.7%。计算该范围时未考虑ADC测量的其它误差,例如:基准误差、量化误差等。