MAX38902 LDO的外部可编程限流

本应用笔记为MAX38902低压差线性稳压器提供外部可编程限流电路。具有可编程电流限制在设计可变负载电流要求时增加了额外的保护层。MAX38902的额定最大负载电流规格为500mA，内置典型限流限值为700mA。在提供仅100s的mA或LDO用作限流保护器的应用中，具有可编程电流限制的灵活性可提高产品可靠性，并扩大LDO的设计机会。在本应用笔记中，参考设计已经过测试和验证，电流限值设置为~170mA，容差±15%。

介绍

LDO 中的电流限制为输送的电流设定了一个上限阈值。在低压差线性稳压器架构中，通过串联直通晶体管连接的输入和输出平均电流几乎相同。

为什么是电流限制？负载所需的电流和/或负载故障条件触发的任何电流浪涌都会导致额外的输入电流消耗。如果器件没有过电流限制，那么这种额外的电流会导致不可接受的系统性能，如负载纹波增加、输出电压超出稳压，如果不加以限制，还可能导致系统故障。因此，为了保护LDO内部和外部的相关电子设备，有必要针对这些条件限制电流，以便它能够正常处理故障情况（如输出短路），并在故障消除时自动恢复。

有多种方法可以实现电流限制。

限流架构

限流架构的类型如下：

砖墙限流：一旦达到设定的电流限值，负载电压就会降至零。在限流条件下，输出电压不会处于调节状态。

超过I限值时的恒定电流：一旦达到/超过电流限值阈值，该架构将继续向负载提供电流限值。负载电阻的进一步降低将导致输出电压从其目标值下降，同时器件继续向负载提供电流限制值。（如本应用说明中所述）

基于折返的电流限制：负载电流在超过设定的电流限制阈值时折返。

基于峰值电流的电流限制：这在基于电感的开关模式电源架构中很常见，在LDO中并不常见。

这些体系结构中的每一个都有自己的一组优点/缺点，选择一种体系结构而不是另一种体系结构取决于应用程序需求、成本、总体解决方案大小和性能。

关于MAX38902—低噪声、低压差、500mA LDO

MAX38902为低噪声、线性稳压器，提供高达500mA的输出电流，电压仅为10.5μV有效值10Hz至100kHz的输出噪声。这些稳压器可在宽输入电压范围内保持 ±1% 的输出精度，满负载时仅需 100mV 的输入至输出裕量。图1所示为MAX38902压差与负载电流的关系。图2显示了PSRR与频率的关系。MAX38902 LDO的主要特性和性能如表1所示。

表 1.MAX38902 LDO特性和性能指标
 

对于本应用笔记中的参考限流设计，请考虑以下工作条件：

V在= 4.0V， V外= 3.3V， 电流限值设置 = ~170mA， 容差±15%

可编程限流电路说明

MAX40009推挽式、满摆幅输入比较器用于限制MAX38902 LDO的电流。参见图3所示的原理图。一个 4V 的直流电压轨为 LDO 和比较器电源轨上电。电阻分压器电路R26和R27在同相比较器输入端形成固定基准电压，其中点节点连接到比较器的同相端子。如图3所示，选择的R26和R27电阻值将4V输入的基准电压设置为3.85V。系列1？电阻检测与LDO电流成比例的压降。在电阻之后，压差被馈送到比较器的反相端。由于LDO电流消耗与R25两端的压降成正比，当比较器反相输入电压降至3.85V以下时，比较器输出开始切换为高电平并限制LDO的反馈电压（FB），从而限制电流。

因此，增加电阻R27可降低恒定输入电源电压下的电流限制，并且单个电阻器可以提供具有可编程电流限制的控制。

在本例电路中，电流限值设置为~170mA，±15%，基于电阻的容差堆叠和比较器内部电压转换阈值精度、输入电压直流变化/负载。对于更严格的容差，建议使用1%容差的电阻器。

设计注意事项

电流限制仅适用于所选的直流输入电压。如果直流输入轨发生变化，则同相端子上的比较器基准电压会发生变化，从而改变电流限制跳闸门限。如果使用固定齐纳电压基准代替R27，则可以克服此问题。但是，在选择齐纳电压规格时应小心。

R25、R26和R27的电阻容差都会对电流限值跳闸阈值产生累积影响。

比较器轨到轨输入为比较器操作提供了足够的裕量。

什么是轨到轨？轨到轨意味着被观察的信号（输入或输出）可以一直摆动到提供的电源电压电平——正轨或负轨电压。

为什么需要轨到轨输入？决定比较器输出切换的比较器输入差分约为15mV–20mV。如果在比较器反相输入端使用分压器，则随着该差分电位在电阻之间进一步分配，该转换电压分辨率会进一步降低。

同样在R25之后，电阻压降电压直接馈送到比较器负端。这样做有两个原因。

这避免了在附加电阻分压器上共享压降，从而最大限度地减少了比较器输出切换的比较器差分电压输入窗口。 ii. 这意味着比较器看到的电压比提供的输入直流电压低100mV。因此，需要轨到轨输入。

运算放大器与比较器——需要注意的事项 本应用笔记使用MAX40009比较器。也可以使用运算放大器，但是需要考虑以下事项：

运算放大器开关速度压摆应至少为150V/μS或更高。这是运算放大器输出在限流时快速切换所必需的。较慢的压摆率运算放大器会导致结果不令人满意。

运算放大器在整个温度范围内的共模电压应尽可能接近轨到轨电压，否则至少要有足够的共模裕量来存储应用中使用的输入电压。

所选的运算放大器/比较器应具有与LDO电源V相同或最大电源电压范围的重叠在范围，以避免多个输入电压轨为系统供电。

输入电源电压变化和电路负载会影响比较器同相输入端的基准电压。

在比较器输出端选择的二极管应该是快速恢复二极管，因为在故障条件下电路运行速度至关重要。肖特基也可以选择，因为它具有高开关速度、无反向恢复时间和较小的二极管正向压降。但是，反向电流应该更小——几μA。在本应用笔记中，肖特基二极管为30V、0.37mV压降@100mA，V时漏电流为1.4μAR选择10V，尽管应用在正常工作时只看到0.6V反向电压。即使平均二极管电流不需要500mA整流电流，众所周知，整流电流较高的部分二极管压降较小。考虑到上述准则，也可以选择快速恢复二极管。

实验室中的电路分析

电路行为通过每个操作角的多个波形来解释。

图4显示了在没有任何电流限制的情况下正常工作的电路，其中左侧的图4（a）显示了比较器输入和输出信号在LDO负载电流下的性能。

通道1：Iload，
通道2：比较器同相输入电压（Vref），通道3：比较器反相输入电压（R25电阻压降Vsense），

通道4：比较器输出电压

图4a波形缺少LDO输出电压，这是由于4通道示波器的限制，因此右侧拍摄的4b示波器将通道2换成LDO 3.3V电源轨，其余通道信息与4A相同。 波形缺少LDO 由于4通道示波器限制而导致输出电压，因此右侧拍摄的4b示波器将通道2换成LDO 3.3V轨， 其余通道信息与 4A 相同。

请注意，图4波形共同描述了稳态操作，其中比较器电路不限制LDO输出电流，即不在电流限制范围内。

所有波形都在其测量值旁边进行了注释。考虑放形以查看此清晰度。

除非另有说明，否则在25C下捕获的波形的测试条件如下 V在= 4.0V 直流，V外= 3.3V， 电流限值设置 = ~170mA， 容差±15%

图4.正常工作 — 不在限流模式下 — 4A 在左侧，4B 在右侧。

图5中的下一个波形捕获共同描述了稳态操作，其中基于比较器的限流电路启动并将电流限制在165mA。操作条件与前面解释的相同。观察到波形5b中通道4上比较器输出和通道2上3.3Vout的电压切换在电流限制下从3.3V下降到1.70V。

图5.稳态-电流限制操作 （V在= 4V 直流，I 限制 = 165mA）。左边是5a-波形，右边是5b-波形。

接下来，在图6中，单个波形显示了电路在负载电阻下降下完成的进入和退出电流限制的动态图。

图6.动态限流操作 - 进入和退出 - 负载电阻从24O降至14O

图7显示了正常工作时负载侧的突然短路，可提供3.3V输出电压和140mA电流。一旦发生短路，请注意通道2上的LDO 3.3V电源轨降至0V。在此条件下，系统看到的峰值输入电流为通道1所示的240mA。通道4显示，一旦发生负载短路，比较器输出电压开始从低到高切换，表明系统立即进入电流限制，在峰值电流偏移240mA峰值后，在持续输出短路条件下稳定到160mA DC电流限制（观察通道1）。峰值电流取决于MAX38902 LDO带宽，并受寄生效应（走线电感、电路中使用的电缆电感）的限制。

图7.工作条件下的硬短路、电流限制和 I 输入峰值。

限流行为和旁路电容对输出电压压摆的影响

<，p>MAX38902 LDO在OUT和BYP引脚之间使用旁路电容（图3中的C1）。该值范围为 0.01μF 至 0.1μF，用于设置启动期间的 LDO 输出电压压摆，从而有助于软启动。现在，看看LDO输出电压在输出短路条件下的压摆。

本应用原理图C1中，选择的旁路电容值为0.01μF，与MAX38902EVKIT#相同。

启动压摆率 = （5V/ms） × （0.01μF/CBYP）

其中CBYP以μF
为单位 （该公式源自LDO架构算法，在MAX38902数据资料的旁路（BYP）部分的详细说明下发布。

请注意，此压摆率仅适用于启动时。对于从短路中恢复，每个LDO内部带宽和架构以大约慢500倍的压摆率进行。（请参考详细说明下的MAX38902数据资料旁路（BYP）部分。

在图8所示的波形中，在正常工作条件下，负载侧施加硬短路，但在短路释放时，请注意，对于C1 = 0.01μF，短路恢复时的输出电压压摆率为~0.01V/ms，负载电流也逐渐上升。这是短路故障后软启动的预期架构行为。现在，考虑一种置位负载复位（不同于短路）的情况，并注意到输出电压压摆率更快（如图8中波形的右侧所示）。

图8.软启动LDO Vout压摆受旁路电容（C1 = 0.01μF）的影响。

图9中的波形显示了短路条件下的系统启动。

图9.短路启动—电流限制和恢复。

修改后的电路物料清单
 

 

项目	REF_DES	数量	制造零件#	制造者	描述
1	P2w	1	CRCW06031R00FKEA	维沙伊·戴尔	RES 1O， 1% 0.1W 0603
2	R26	1	RCA060347K0FKEA	维沙伊·戴尔	RES 47kO 1% 0.1W 0603
3	R27	1	CRCW06031M20FKEA	维沙伊·戴尔	分辨率 1.2个月 1% 0.1W 0603
4	D25	1	NSR0530HT1G	在半导体上	肖特基二极管 30V 0.5A SOD323， 150C Tj
5	U25	1	MAX40009	美信集成	220ns，带关断功能的比较器，WLP。
6	C25	1	CL05B104KO5NNN	三星电子	0.1μF，16V，10%;X7R， 0402

 

结论

在本应用笔记中，设计并验证了LDO的外部可编程电流限值。在系统负载短路、由于负载连接不正确而导致的过流情况下，需要可编程电流限制。在这些情况下，故障电流受电流所采用的阻抗路径的限制。一些应用，例如几千兆安的轻负载或用作限流保护器的LDO，需要配置电流限制以适应其最终应用。这提供了额外的保护层并增强了系统可靠性。通过本应用笔记，可以表明，通过改变单个电阻R27，可以将电流限值编程为所需值，并且可以针对不同产品的可变负载电流要求重复电路。这种灵活性极大地有利于设计人员和最终消费者在其产品中快速迭代相同的电路，测试并缩短设计上市时间。

审核编辑：郭婷