精密空心轴转速/速度计驱动器 CS8190 技术解析

在电子设备设计领域，对于转速计和速度计这类关键设备，需要一款高性能、可靠的驱动器来确保其精确运行。今天我们就来深入探讨一下安森美（onsemi）推出的 CS8190 精密空心轴转速/速度计驱动器。

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一、CS8190 概述

CS8190 是专门为空心轴仪表机芯设计的集成电路，它能为模拟转速计或速度计提供所需的全部功能。该芯片接收速度传感器输入，并生成与正弦和余弦相关的输出信号，以差分方式驱动空心轴仪表。相较于 CS289 或 LM1819 等行业标准转速计驱动器，CS8190 有诸多改进。其输出采用差分驱动器，无需齐纳参考，还能提供更大扭矩；能承受 60V 瞬态电压，减少了所需的保护电路；精度更高，减少了调整次数，适用于速度计应用。

特点

1. 直接传感器输入：可直接连接速度传感器，简化了电路设计。
2. 高输出扭矩：能够为指针提供足够的驱动力，确保指针稳定、快速地响应。
3. 低指针抖动：有效减少指针的抖动，提高读数的准确性。
4. 高输入阻抗：对输入信号的影响较小，保证了信号的完整性。
5. 过压保护：能保护芯片免受过高电压的损害，提高了可靠性。
6. 归零功能：当无输入信号时，指针能自动回到零位。
7. 内部保险丝：增强了芯片的安全性。
8. 环保封装：采用 PDIP - 16 和 SO - 20W 封装，且符合 RoHS 标准，无铅、无卤素。

二、关键参数

绝对最大额定值

额定值	值	单位
电源电压（<100ms 脉冲瞬态）	60	V
电源电压（连续）	24	V
工作温度	-40 至 +105	°C
存储温度	-40 至 +165	°C
结温	-40 至 +150	°C
ESD（人体模型）	4.0	kV
引脚温度（波峰焊，仅通孔样式）	260 峰值	°C
引脚温度（回流焊，仅 SMD 样式）	230 峰值	°C

电气特性

在 -40°C ≤ TA ≤ 85°C、8.5V ≤ VCC ≤ 15V（除非另有说明）的条件下，CS8190 具有以下电气特性：

1. 电源电压部分：电源电流 ICC 在 VCC = 16V、-40°C、无负载时，最小值为 50mA，典型值为 125mA；正常工作范围 VCC 为 8.5V 至 16V。
2. 输入比较器部分：输入电压范围为 -1.0V 至 VCC，还有其他相关参数如阈值、迟滞等。
3. 电压调节器部分：输出电压为 6.25V 至 7.50V，输出负载电流最大为 10mA，负载调节和线路调节也有相应的指标。
4. 电荷泵部分：有输入偏置电流、输入电压等参数，F/VOUT 增益为 7.0 至 10mV/Hz。
5. 函数发生器部分：在特定条件下，有差分驱动电压、函数发生器误差等指标。

三、引脚功能描述

封装引脚号	引脚符号	功能
PDIP - 16	SO - 20W
1	1	CP +	电荷泵正输入
2	2	SQ OUT	缓冲方波输出信号
3	3	FREQ IN	速度或 RPM 输入信号
4, 5, 12, 13	4 - 7, 14 - 17	GND	接地连接
6	8	COS +	正余弦输出信号
7	9	COS -	负余弦输出信号
8	10	VCC	点火或电池电源电压
9	11	BIAS	测试点或零调整
10	12	SIN -	负正弦输出信号
11	13	SIN +	正正弦输出信号
14	18	V REG	电压调节器输出
15	19	F/V OUT	与输入信号频率成比例的输出电压
16	20	CP -	电荷泵负输入

四、电路描述与应用注意事项

电路组成

CS8190 主要由输入比较器、电荷泵、带隙电压调节器和函数发生器组成。输入比较器用于感应来自点火脉冲或速度传感器的输入信号；电荷泵将频率转换为电压；带隙电压调节器确保稳定运行；函数发生器通过正弦和余弦放大器差分驱动仪表线圈。

工作原理

输入信号通过 FREQ IN 引脚进入高阻抗比较器，比较器输出 SQOUT 通过外部电容 CCP 连接到电荷泵输入 CP +。当输入信号状态改变时，CCP 通过 R3 和 R4 充电或放电，电荷泵输出电压 F/VOUT 根据输入信号频率和电荷泵增益在 2.0V 至 6.3V 之间变化。F/VOUT 应用于函数发生器，生成正弦和余弦输出电压，通过差分方式驱动仪表线圈，实现指针的偏转。

应用注意事项

1. 归零功能：若需要归零功能，需在 VCC 引脚上连接一个大于 2000μF 的电容 C2。该电容的具体值需根据系统响应时间、最大仪表偏转和电路电流消耗等因素，通过实验室面包板测试来确定。
2. 温度补偿：CCP 和 RT 的乘积直接影响频率到电压的转换函数，从而影响温度补偿。CCP 的范围为 20pF 至 0.2F，RT 的范围为 100k 至 500k。
3. 保护措施：IC 必须免受 60V 以上的瞬态电压和反向电池条件的影响，可能需要在 FREQ IN 引脚上进行额外的滤波。
4. 指针稳定性：为了获得最佳的指针稳定性，仪表线圈与 IC 的连接应尽可能短（≤3.0 英寸）。

五、设计示例

1. 确定 RT 值

假设最大仪表偏转为 270°，最大输入频率为 350Hz，CCP = 0.0033μF。根据公式 θ = 970 × FREQ × CCP × RT，可计算出 RT 的值： [RT=frac{270^{circ}}{970 × 350 Hz × 0.0033 mu F}=243 k Omega] 为了消除由于 IC 公差或仪表机芯指针位置引起的误差，RT 应选择 250k 的电位器。

2. 选择 R3 和 R4

电阻 R3 用于设置电压调节器的输出电流，其最大值为 10mA。选择 R3 = 3.3kΩ，可确保电流不超过此限制。C CP 的最大充电电流在最坏情况下估计为： [frac{V{REG }-0.7 V}{3.3 k Omega}=1.90 mA] 为了确保 C CP 在输入信号的每个周期内能够完全充电和放电，假设 C CP 的时间常数小于最小输入周期的 10%。在最大频率下，一个周期的时间为 2.85ms，因此选择 R4 = 1.0kΩ。 [Discharge time: t{DCHG} = R 4 × C{CP}=3.3 k Omega × 0.0033 mu F = 3.3 mu s] [Charge time: t{CHG}=(R 3+R 4) C_{CP}=4.3 k Omega × 0.0033 mu F = 14.2 mu s]

3. 确定 C4

C4 的选择要同时满足最大允许纹波电压和仪表机芯的响应时间。根据公式 [C 4=frac{CCP(VREG-0.7 V)}{Delta V_{MAX}}]，选择 C4 = 0.47μF 时，F/V 纹波电压为 44mV。

4. 选择归零电容 C2

通过将输入信号频率增加到最大值，使指针达到最大偏转，然后断开电路电源，来选择 C2 的值。C2 应足够大，以确保在所有操作条件下指针始终返回到 0°位置，而不是 360°。

六、其他应用方式

在某些情况下，设计师可能希望在电路的其他地方完成频率到电压的转换，仅将 CS8190 用作空心轴仪表的驱动器。可以通过 F/V OUT 引脚用 2.0V 至 6.0V 的直流电压驱动 CS8190，也可以使用外部运算放大器作为缓冲器，在 0V 至 4.0V 的输入电压范围内驱动。但需要注意的是，这两种方案都没有进行温度补偿。

七、总结

CS8190 是一款功能强大、性能优越的精密空心轴转速/速度计驱动器。它的诸多特点和优势使其在转速计和速度计应用中具有很高的价值。在设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择和调整相关参数，确保电路的稳定性和可靠性。同时，要注意遵循应用注意事项，避免出现潜在的问题。你在使用类似驱动器时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。