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

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

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）

及

（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）

及

（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）

式中，ILIM为预期限流门限，为R1选择标准值100kΩ。R2计算如下：

（式10）

考虑到不相关容限，最差情况下的限流范围为：

（式11）

及

（式12）

式中，R1（MAX）、R1（MIN）、R2（MAX）和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）

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）

及

（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）

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）

及

（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）

及

（式21）

ADC测量电流的容限ITOL为：

（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）

采用容限为1%的电阻，检流电阻的最大标称值为：

（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）

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）

及

（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）

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）

及

（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）

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）

及

（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）

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）

及

（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）

及

（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）

及

（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。