MAX38902 LDO的外部可編程限流

本應用筆記為MAX38902低壓差線性穩(wěn)壓器提供外部可編程限流電路。具有可編程電流限制在設計可變負載電流要求時增加了額外的保護層。MAX38902的額定最大負載電流規(guī)格為500mA，內置典型限流限值為700mA。在提供僅100s的mA或LDO用作限流保護器的應用中，具有可編程電流限制的靈活性可提高產(chǎn)品可靠性，并擴大LDO的設計機會。在本應用筆記中，參考設計已經(jīng)過測試和驗證，電流限值設置為~170mA，容差±15%。

介紹

LDO 中的電流限制為輸送的電流設定了一個上限閾值。在低壓差線性穩(wěn)壓器架構中，通過串聯(lián)直通晶體管連接的輸入和輸出平均電流幾乎相同。

為什么是電流限制？負載所需的電流和/或負載故障條件觸發(fā)的任何電流浪涌都會導致額外的輸入電流消耗。如果器件沒有過電流限制，那么這種額外的電流會導致不可接受的系統(tǒng)性能，如負載紋波增加、輸出電壓超出穩(wěn)壓，如果不加以限制，還可能導致系統(tǒng)故障。因此，為了保護LDO內部和外部的相關電子設備，有必要針對這些條件限制電流，以便它能夠正常處理故障情況（如輸出短路），并在故障消除時自動恢復。

有多種方法可以實現(xiàn)電流限制。

限流架構

限流架構的類型如下：

磚墻限流：一旦達到設定的電流限值，負載電壓就會降至零。在限流條件下，輸出電壓不會處于調節(jié)狀態(tài)。

超過I限值時的恒定電流：一旦達到/超過電流限值閾值，該架構將繼續(xù)向負載提供電流限值。負載電阻的進一步降低將導致輸出電壓從其目標值下降，同時器件繼續(xù)向負載提供電流限制值。（如本應用說明中所述）

基于折返的電流限制：負載電流在超過設定的電流限制閾值時折返。

基于峰值電流的電流限制：這在基于電感的開關模式電源架構中很常見，在LDO中并不常見。

這些體系結構中的每一個都有自己的一組優(yōu)點/缺點，選擇一種體系結構而不是另一種體系結構取決于應用程序需求、成本、總體解決方案大小和性能。

關于MAX38902—低噪聲、低壓差、500mA LDO

MAX38902為低噪聲、線性穩(wěn)壓器，提供高達500mA的輸出電流，電壓僅為10.5μV有效值10Hz至100kHz的輸出噪聲。這些穩(wěn)壓器可在寬輸入電壓范圍內保持 ±1% 的輸出精度，滿負載時僅需 100mV 的輸入至輸出裕量。圖1所示為MAX38902壓差與負載電流的關系。圖2顯示了PSRR與頻率的關系。MAX38902 LDO的主要特性和性能如表1所示。

表 1.MAX38902 LDO特性和性能指標

對于本應用筆記中的參考限流設計，請考慮以下工作條件：

V在= 4.0V， V外= 3.3V， 電流限值設置 = ~170mA， 容差±15%

可編程限流電路說明

MAX40009推挽式、滿擺幅輸入比較器用于限制MAX38902 LDO的電流。參見圖3所示的原理圖。一個 4V 的直流電壓軌為 LDO 和比較器電源軌上電。電阻分壓器電路R26和R27在同相比較器輸入端形成固定基準電壓，其中點節(jié)點連接到比較器的同相端子。如圖3所示，選擇的R26和R27電阻值將4V輸入的基準電壓設置為3.85V。系列1？電阻檢測與LDO電流成比例的壓降。在電阻之后，壓差被饋送到比較器的反相端。由于LDO電流消耗與R25兩端的壓降成正比，當比較器反相輸入電壓降至3.85V以下時，比較器輸出開始切換為高電平并限制LDO的反饋電壓（FB），從而限制電流。

因此，增加電阻R27可降低恒定輸入電源電壓下的電流限制，并且單個電阻器可以提供具有可編程電流限制的控制。

在本例電路中，電流限值設置為~170mA，±15%，基于電阻的容差堆疊和比較器內部電壓轉換閾值精度、輸入電壓直流變化/負載。對于更嚴格的容差，建議使用1%容差的電阻器。

設計注意事項

電流限制僅適用于所選的直流輸入電壓。如果直流輸入軌發(fā)生變化，則同相端子上的比較器基準電壓會發(fā)生變化，從而改變電流限制跳閘門限。如果使用固定齊納電壓基準代替R27，則可以克服此問題。但是，在選擇齊納電壓規(guī)格時應小心。

R25、R26和R27的電阻容差都會對電流限值跳閘閾值產(chǎn)生累積影響。

比較器軌到軌輸入為比較器操作提供了足夠的裕量。

什么是軌到軌？軌到軌意味著被觀察的信號（輸入或輸出）可以一直擺動到提供的電源電壓電平——正軌或負軌電壓。

為什么需要軌到軌輸入？決定比較器輸出切換的比較器輸入差分約為15mV–20mV。如果在比較器反相輸入端使用分壓器，則隨著該差分電位在電阻之間進一步分配，該轉換電壓分辨率會進一步降低。

同樣在R25之后，電阻壓降電壓直接饋送到比較器負端。這樣做有兩個原因。

這避免了在附加電阻分壓器上共享壓降，從而最大限度地減少了比較器輸出切換的比較器差分電壓輸入窗口。 ii. 這意味著比較器看到的電壓比提供的輸入直流電壓低100mV。因此，需要軌到軌輸入。

運算放大器與比較器——需要注意的事項 本應用筆記使用MAX40009比較器。也可以使用運算放大器，但是需要考慮以下事項：

運算放大器開關速度壓擺應至少為150V/μS或更高。這是運算放大器輸出在限流時快速切換所必需的。較慢的壓擺率運算放大器會導致結果不令人滿意。

運算放大器在整個溫度范圍內的共模電壓應盡可能接近軌到軌電壓，否則至少要有足夠的共模裕量來存儲應用中使用的輸入電壓。

所選的運算放大器/比較器應具有與LDO電源V相同或最大電源電壓范圍的重疊在范圍，以避免多個輸入電壓軌為系統(tǒng)供電。

輸入電源電壓變化和電路負載會影響比較器同相輸入端的基準電壓。

在比較器輸出端選擇的二極管應該是快速恢復二極管，因為在故障條件下電路運行速度至關重要。肖特基也可以選擇，因為它具有高開關速度、無反向恢復時間和較小的二極管正向壓降。但是，反向電流應該更小——幾μA。在本應用筆記中，肖特基二極管為30V、0.37mV壓降@100mA，V時漏電流為1.4μAR選擇10V，盡管應用在正常工作時只看到0.6V反向電壓。即使平均二極管電流不需要500mA整流電流，眾所周知，整流電流較高的部分二極管壓降較小?？紤]到上述準則，也可以選擇快速恢復二極管。

實驗室中的電路分析

電路行為通過每個操作角的多個波形來解釋。

圖4顯示了在沒有任何電流限制的情況下正常工作的電路，其中左側的圖4（a）顯示了比較器輸入和輸出信號在LDO負載電流下的性能。

通道1：Iload，
通道2：比較器同相輸入電壓（Vref），通道3：比較器反相輸入電壓（R25電阻壓降Vsense），

通道4：比較器輸出電壓

圖4a波形缺少LDO輸出電壓，這是由于4通道示波器的限制，因此右側拍攝的4b示波器將通道2換成LDO 3.3V電源軌，其余通道信息與4A相同。 波形缺少LDO 由于4通道示波器限制而導致輸出電壓，因此右側拍攝的4b示波器將通道2換成LDO 3.3V軌， 其余通道信息與 4A 相同。

請注意，圖4波形共同描述了穩(wěn)態(tài)操作，其中比較器電路不限制LDO輸出電流，即不在電流限制范圍內。

所有波形都在其測量值旁邊進行了注釋?？紤]放形以查看此清晰度。

除非另有說明，否則在25C下捕獲的波形的測試條件如下 V在= 4.0V 直流，V外= 3.3V， 電流限值設置 = ~170mA， 容差±15%

圖4.正常工作 — 不在限流模式下 — 4A 在左側，4B 在右側。

圖5中的下一個波形捕獲共同描述了穩(wěn)態(tài)操作，其中基于比較器的限流電路啟動并將電流限制在165mA。操作條件與前面解釋的相同。觀察到波形5b中通道4上比較器輸出和通道2上3.3Vout的電壓切換在電流限制下從3.3V下降到1.70V。

圖5.穩(wěn)態(tài)-電流限制操作 （V在= 4V 直流，I 限制 = 165mA）。左邊是5a-波形，右邊是5b-波形。

接下來，在圖6中，單個波形顯示了電路在負載電阻下降下完成的進入和退出電流限制的動態(tài)圖。

圖6.動態(tài)限流操作 - 進入和退出 - 負載電阻從24O降至14O

圖7顯示了正常工作時負載側的突然短路，可提供3.3V輸出電壓和140mA電流。一旦發(fā)生短路，請注意通道2上的LDO 3.3V電源軌降至0V。在此條件下，系統(tǒng)看到的峰值輸入電流為通道1所示的240mA。通道4顯示，一旦發(fā)生負載短路，比較器輸出電壓開始從低到高切換，表明系統(tǒng)立即進入電流限制，在峰值電流偏移240mA峰值后，在持續(xù)輸出短路條件下穩(wěn)定到160mA DC電流限制（觀察通道1）。峰值電流取決于MAX38902 LDO帶寬，并受寄生效應（走線電感、電路中使用的電纜電感）的限制。

圖7.工作條件下的硬短路、電流限制和 I 輸入峰值。

限流行為和旁路電容對輸出電壓壓擺的影響

<，p>MAX38902 LDO在OUT和BYP引腳之間使用旁路電容（圖3中的C1）。該值范圍為 0.01μF 至 0.1μF，用于設置啟動期間的 LDO 輸出電壓壓擺，從而有助于軟啟動?，F(xiàn)在，看看LDO輸出電壓在輸出短路條件下的壓擺。

本應用原理圖C1中，選擇的旁路電容值為0.01μF，與MAX38902EVKIT#相同。

啟動壓擺率 = （5V/ms） × （0.01μF/CBYP）

其中CBYP以μF
為單位 （該公式源自LDO架構算法，在MAX38902數(shù)據(jù)資料的旁路（BYP）部分的詳細說明下發(fā)布。

請注意，此壓擺率僅適用于啟動時。對于從短路中恢復，每個LDO內部帶寬和架構以大約慢500倍的壓擺率進行。（請參考詳細說明下的MAX38902數(shù)據(jù)資料旁路（BYP）部分。

在圖8所示的波形中，在正常工作條件下，負載側施加硬短路，但在短路釋放時，請注意，對于C1 = 0.01μF，短路恢復時的輸出電壓壓擺率為~0.01V/ms，負載電流也逐漸上升。這是短路故障后軟啟動的預期架構行為?，F(xiàn)在，考慮一種置位負載復位（不同于短路）的情況，并注意到輸出電壓壓擺率更快（如圖8中波形的右側所示）。

圖8.軟啟動LDO Vout壓擺受旁路電容（C1 = 0.01μF）的影響。

圖9中的波形顯示了短路條件下的系統(tǒng)啟動。

圖9.短路啟動—電流限制和恢復。

修改后的電路物料清單

結論

在本應用筆記中，設計并驗證了LDO的外部可編程電流限值。在系統(tǒng)負載短路、由于負載連接不正確而導致的過流情況下，需要可編程電流限制。在這些情況下，故障電流受電流所采用的阻抗路徑的限制。一些應用，例如幾千兆安的輕負載或用作限流保護器的LDO，需要配置電流限制以適應其最終應用。這提供了額外的保護層并增強了系統(tǒng)可靠性。通過本應用筆記，可以表明，通過改變單個電阻R27，可以將電流限值編程為所需值，并且可以針對不同產(chǎn)品的可變負載電流要求重復電路。這種靈活性極大地有利于設計人員和最終消費者在其產(chǎn)品中快速迭代相同的電路，測試并縮短設計上市時間。

審核編輯：郭婷