車載雙通道遠(yuǎn)端天線LDO/開(kāi)關(guān)的外部元件選擇

摘要：本應(yīng)用筆記幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在使用MAX16948雙通道遠(yuǎn)端天線 LDO/開(kāi)關(guān)時(shí)選擇正確的外部元件，確保車載穩(wěn)壓幻象天線電源和輸出電流監(jiān)測(cè)電路滿足性能指標(biāo)。本文提供電子計(jì)算器，幫助限定MAX16948的關(guān)鍵外部元件，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。計(jì)算器也確定器件的模擬輸出電壓、輸出限流門限，以及輸出電流檢測(cè)精度。計(jì)算器包括新的自動(dòng)逐步向?qū)Чδ?，幫助設(shè)計(jì)者選擇元件。為使用新自動(dòng)功能，點(diǎn)擊相應(yīng)部分的Step By Step按鈕。

引言

MAX16948是一款雙通道、高電壓、低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)/開(kāi)關(guān)，帶有輸出電流檢測(cè)功能。器件通過(guò)同軸電纜為汽車系統(tǒng)中的遠(yuǎn)端射頻(RF)低噪聲放大器(LNA)提供幻象電源，每通道的最大電流達(dá)300mA。MAX16948設(shè)計(jì)工作在4.5V至28V的輸入電壓范圍(45V拋負(fù)載容限)。

器件提供8.5V固定穩(wěn)壓輸出電壓或1V至12V可調(diào)穩(wěn)壓輸出電壓(LDO模式)。器件也可以配置為開(kāi)關(guān)(SW模式)。

MAX16948監(jiān)測(cè)每通道的負(fù)載電流，提供兩路與檢測(cè)輸出電流成比例的模擬輸出電流(從SENSE_1引腳源出)。高精度內(nèi)部可調(diào)電流限值保護(hù)輸入電源不受過(guò)流和短路條件的損害。

器件具有電池短路保護(hù)、反向電流檢測(cè)、輸入過(guò)壓和熱過(guò)載關(guān)斷功能，這些故障條件期間，閉鎖內(nèi)部LDO/開(kāi)關(guān)。MAX16948包括兩路獨(dú)立的低電平有效、高壓兼容關(guān)斷輸入(SHDN_)，可以將每通道置于低功耗關(guān)斷模式，以及將兩路低電平有效開(kāi)漏錯(cuò)誤報(bào)警輸出(ERR_)。

MAX16948的外部元件

圖1所示為MAX16948的典型應(yīng)用電路。主要外部元件及其功能如下：

R1_{_}和R2_{_}設(shè)置器件處于輸出電壓可調(diào)的LDO模式時(shí)的穩(wěn)壓輸出電壓。
R_{LIM_}設(shè)置限流門限。
R_SENSE確定ADC滿幅輸入電壓和輸出電流檢測(cè)精度。

圖1. MAX16948典型應(yīng)用電路

圖1. MAX16948典型應(yīng)用電路。

利用這些外部元件，用戶很容易針對(duì)具體應(yīng)用配置MAX16948。還需要其它外部元件，將在下文中討論。

輸入電容

在IN和GND之間并聯(lián)電解電容和低ESR陶瓷電容，以限制瞬時(shí)輸出短路條件期間的輸入電壓降，以及防止器件受到IN線上電感引起的瞬態(tài)損害。例如，如果估算輸入電感(包括任何雜散電感)為20μH，使用至少0.1μF陶瓷電容與至少10μF電解電容并聯(lián)。

MAX16948的工作輸入電壓接近于輸出電壓時(shí)，例如處于壓差下的SW工作模式或LDO模式，必須小心謹(jǐn)慎，避免在對(duì)地短路故障時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的反向電流檢測(cè)。如果兩路通道均已使能，其中一路在啟動(dòng)后對(duì)地短路，從C_IN吸收的電流可能會(huì)造成輸入電壓短時(shí)跌落，這可能會(huì)觸發(fā)反向電流檢測(cè)故障。這種錯(cuò)誤故障檢測(cè)在低輸出電流(小于80mA)時(shí)更為嚴(yán)重。為避免這種錯(cuò)誤觸發(fā)事件，采用至少100μF的輸入電解電容。

LDO模式輸出電壓

LDO模式下使用時(shí)，器件的每個(gè)通道可配置為提供8.5V固定輸出或1V至12V可調(diào)輸出電壓。通過(guò)將FB_引腳連接至REG，將輸出電壓設(shè)置為8.5V。該模式下，由于無(wú)需考慮外部電阻的容限，所以輸出電壓精度較高。

需要不同輸出電壓時(shí)，在OUT_、FB_和GND之間連接電阻分壓器。確定電阻分壓器值的公式如下所示。

圖2. MAX16948穩(wěn)壓幻象電源

圖2. MAX16948穩(wěn)壓幻象電源。

電阻R1_{_}和R2_{_} (圖2)設(shè)置MAX16948的輸出電壓。選擇小于或等于1kΩ的R2_{_}標(biāo)準(zhǔn)電阻(R2_{_(STD)})。利用下式計(jì)算最優(yōu)的R1_{_}值：

式中，V_{FB_}為調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的反饋引腳電壓(標(biāo)稱值為1V)。

選定盡量接近R1_{_}的標(biāo)準(zhǔn)電阻2R1_{_(STD)})后，典型輸出電壓為：

考慮到電阻容差(R_TOL)，輸出電壓的最小和最大值為：

及

式中，V_{FB_(MIN)}為0.97V，V_{FB_(MAX)}為1.03V (輸出電流范圍為5mA至150mA)。R1_{_(MIN)}、R1_{_(MAX)}、R2_{_(MIN)}和R2_{_(MAX)}分別為R1_{_}和R2_{_}的最小值和最大值：

如果標(biāo)稱輸出電壓相對(duì)于預(yù)期輸出電壓的偏離太大，可采用標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)或并聯(lián)組合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電阻分壓器。

將預(yù)期輸出電壓(V_{OUT_})、R2_{_}的標(biāo)準(zhǔn)值及這些電阻的容差填入MAX16948計(jì)算器的對(duì)應(yīng)部分，用戶很容易確定R1_{_}的值。計(jì)算器確定最優(yōu)R1_{_}值后，在相應(yīng)單元中插入標(biāo)準(zhǔn)值，以估算V_{OUT_}范圍限值。或者，點(diǎn)擊Step By Step按鈕，由計(jì)算器逐步引導(dǎo)完成LDO模式輸出電壓部分。

在OUT_和GND之間連接大于> 1μF的電容與0.1μF低ESR (< 900mΩ)電容并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器穩(wěn)定性。這些電容應(yīng)盡量靠近器件。使用電介質(zhì)為X7R的電容，以確保器件的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

與輸入電容的方式相似，輸出電容保護(hù)器件不受輸出中任何串聯(lián)電感引起的瞬態(tài)損害。在任何條件下，OUT_上的電壓都不應(yīng)低于-0.3V，如數(shù)據(jù)資料中Absolute Maximum Ratings部分規(guī)定。如果預(yù)計(jì)瞬態(tài)會(huì)低于地，需要肖特基二極管作箝位，尤其PCB上在負(fù)載之前有輸出電感時(shí)。所選肖特基二極管的正向偏壓必須小于0.3V，正向電流等于限流門限。3

限流門限

LIM_引腳電壓達(dá)到V_LIM門限(典型值為2.5V)時(shí)，MAX16948限制OUT_的輸出電流。從LIM_源出的電流與從OUT_源出的負(fù)載電流成比例，比例因子稱為電流檢測(cè)放大器(CSA)增益。這種方式下，限流門限I_{LIM_}由電阻R_{LIM_}設(shè)置。

利用下式確定最優(yōu)R_{LIM_}值：

式中，I_{LIM_}為預(yù)期限流門限，V_LIM(TYP)為限制輸出電流時(shí)LIM_引腳上的典型電壓門限(2.5V)，A_(TYP)為CSA增益典型值(0.005mA/mA)。

選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻值(R_{LIM_(STD)})，盡量接近R_{LIM_}。那么典型限流門限為：

考慮到容差不相關(guān)性，最壞情況限流門限范圍介于以下兩個(gè)公式之間：

及

式中，V_{LIM_(MIN)}為2.375V，V_{LIM_(MAX)}為2.625V；A_(MIN)為0.00485mA/mA，A_(MAX)為0.00515mA/mA (典型輸出電流100mA)；R_{LIM_(MIN)}和R_{LIM_(MAX)}為R_{LIM_}的最小和最大值，基于R_TOL的值。

如果限流門限范圍不合適，可采用標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)或并聯(lián)組合，獲得最優(yōu)范圍。

MAX16948計(jì)算器⁴通過(guò)選擇限流門限范圍限值(I_{LIM_(TYP)}、I_{LIM_(MIN)}或I_{LIM_(MAX)})，計(jì)算R_{LIM_}的最優(yōu)值，幫助用戶選擇R_{LIM_}電阻。通過(guò)選擇I_{LIM_(TYP)}、I_{LIM_(MIN)}或I_{LIM_(MAX)}，以及相對(duì)限流門限值和R_{LIM_}容限，實(shí)現(xiàn)以上目的。計(jì)算器確定最優(yōu)R_{LIM_}值后，在相應(yīng)單元中插入標(biāo)準(zhǔn)電阻值，以估算I_{LIM_}范圍限值?；蛘?，點(diǎn)擊Step By Step按鈕，由計(jì)算器逐步引導(dǎo)完成限流門限部分。

必須將0.1μF補(bǔ)償電容(C_{LIM_}_)與R_{LIM_}并聯(lián)，以在限流環(huán)路中建立主導(dǎo)極點(diǎn)。這樣可維持穩(wěn)定性，并防止快速電流瞬態(tài)過(guò)早觸發(fā)限流(圖3)。

圖3. MAX16948輸出限流

圖3. MAX16948輸出限流。

ADC輸入范圍和輸出電流檢測(cè)精度

MAX16948源出的電流與OUT_引腳上的負(fù)載電流成比例，比例因子為CSA增益。該電流通過(guò)R_{SENSE_}，產(chǎn)生與輸出電流成比例的電壓。利用這一特性，就可能利用ADC采樣SENSE_引腳上的電壓，從而監(jiān)測(cè)輸出電流。

ADC滿幅輸入電壓(V_{ADCFS_})由R_{SENSE_}設(shè)置。

利用下式確定最優(yōu)R_{SENSE_}值：

式中，I_{LIM_(TYP)}為之前部分計(jì)算的典型限流門限，A_(TYP)為CSA增益典型值(0.005mA/mA)。

選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻值(R_{SENSE_(STD)})，盡量接近R_{SENSE_}。那么典型ADC滿幅輸入電壓為：

考慮到電阻容差(R_TOL)，ADC滿幅輸入范圍的最小和最大值為：

及

式中，V_{LIM_(MIN)}為2.375V，V_{LIM_(MAX)}為2.625V；R_{LIM_(MIN)}和R_{LIM_(MAX)}已在之前部分計(jì)算得到；R_{SENSE_(MIN)}和R_{SENSE_(MAX)}的最小和最大值，基于R_TOL值。

利用電子計(jì)算器⁵的輸出電流檢測(cè)部分，用戶在插入相應(yīng)的ADC滿幅輸入電壓(V_{ADCFS_})和R_{SENSE_}的容差后，很容易確定R_{SENSE_}值。計(jì)算器確定最優(yōu)R_{SENSE_}值后，在相應(yīng)單元中插入標(biāo)準(zhǔn)值，以估算V_{ADCFS_}范圍限值?；蛘?，點(diǎn)擊Step By Step按鈕，由計(jì)算器逐步引導(dǎo)完成輸出電流檢測(cè)部分。

然而，使用該部分之前，需要在計(jì)算器的限流門限部分確定I_{LIM_}范圍限值。

應(yīng)將0.1μF電容(C_SENSE)與R_{SENSE_}并聯(lián)，以在ADC采樣循環(huán)期間保持電壓(圖4)。

圖4. ADC輸入范圍

圖4. ADC輸入范圍。

利用ADC (V_{ADC_})測(cè)得SENSE_引腳上的電壓后，可用下式估算輸出電流：

由于R_{SENSE_}容限和CSA增益參數(shù)值離散，估算的輸出電流值會(huì)在以下兩個(gè)公式之間變化：

及

用100mA典型輸出電流代替CSA增益值：

最終，ADC測(cè)量電流的精度為：

也可在計(jì)算器的輸出電流檢測(cè)部分的O.C.S精度行中確定該參數(shù)。

負(fù)載開(kāi)路和過(guò)流條件檢測(cè)

除ADC采樣外，通過(guò)使用外部比較器以及將R_{SENSE_}分成電阻分壓器(R3_{_}、R4_{_}和R5_{_}) (圖5)，可檢測(cè)負(fù)載開(kāi)路或過(guò)流條件。

圖5. 負(fù)載開(kāi)路和過(guò)流檢測(cè)電路

圖5. 負(fù)載開(kāi)路和過(guò)流檢測(cè)電路。

比較器的輸出(OC_和OL_)表示電路的工作狀態(tài)，如表1所示。

表1.電路工作狀態(tài)
OC	OL	State
0	0	Normal Operation
0	1	Open-Load Condition
1	0	Overcurrent Condition
1	1	Invalid State

利用下式確定R5_{_}值：

式中，I_{OPEN-LOAD_}為通過(guò)LDO/開(kāi)關(guān)的預(yù)期負(fù)載開(kāi)路電流門限，V_{OL_,TH}為比較器U2_{_}的負(fù)載開(kāi)路電壓門限，A_(TYP)為CSA增益典型值(0.005mA/mA)。計(jì)算得到R5_{_}電阻值后，利用下式確定R4_{_}值：

式中，I_{OVERCURRENT_}為通過(guò)LDO/開(kāi)關(guān)的預(yù)期過(guò)流門限，必須小于I_{LIM_(MIN)}；V_{OC_,TH}為比較器U1_{_}的過(guò)流電壓門限；A_(TYP)為CSA增益典型值(0.005mA/mA)。

最后，計(jì)算R3_{_}：

R3_{_} = R_{SENSE_} - R4_{_} - R5_{_}

考慮到R3_{_}、R4_{_}和R5_{_}標(biāo)準(zhǔn)電阻的容差(R_TOL)，負(fù)載開(kāi)路和過(guò)流門限的最小、典型和最大值為：

式中，A_(MIN)為0.00485mA/mA，A_(MAX)為0.00515mA/mA (典型輸出電流100mA)；R4_{_(MIN)}、R4_{_(MAX)}、R5_{_(MIN)}和R5_{_(MAX)}分別為R4_{_}和R5_{_}的最小和最大值，基于R_TOL容限。

用戶可利用計(jì)算器⁶的負(fù)載開(kāi)路和過(guò)流檢測(cè)部分確定R4_{_}、R5_{_}和R6_{_}的值。插入I_{OPEN-LOAD_} (I_{OL_})、I_{OVERCURRENT_} (I_{OC_})、V_{OL_,TH}、V_{OC_,TH}和電阻容限。利用計(jì)算器確定R4_{_}、R5_{_}和R6_{_}的最優(yōu)值后，在相應(yīng)單元中插入標(biāo)準(zhǔn)電阻值，以估算I_{OPEN-LOAD_}和I_{OVERCURRENT_}范圍限值。點(diǎn)擊Step By Step按鈕，由計(jì)算器逐步引導(dǎo)完成負(fù)載開(kāi)路和過(guò)流檢測(cè)部分。

使用計(jì)算器的負(fù)載開(kāi)路和過(guò)流檢測(cè)部分之前，需要在輸出電流檢測(cè)部分確定R_{SENSE_}。

計(jì)算示例

這些計(jì)算例子中，我們假設(shè)天線幻象電源應(yīng)用，電源輸入電壓為5V，典型負(fù)載電流為100mA，最大限流門限值為120mA，采用3.3V輸入范圍ADC來(lái)監(jiān)測(cè)輸出電流。

假設(shè)MAX16948的IN引腳直接連接至電池，器件必須配置為L(zhǎng)DO模式，以獲得5V OUT_電壓。為此，必須確定R1_{_}和R2_{_}組成的外部電阻分壓器。為R2_{_} (R2_{_(STD)})選擇小于或等于1kΩ的標(biāo)準(zhǔn)值，然后計(jì)算R1_{_}：

R2_{_(STD)} = 750Ω, R_TOL = 1% (E96 Series)