本應(yīng)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(shè)計(jì)可變負(fù)載電流要求時(shí)增加了額外的保護(hù)層。MAX38902的額定最大負(fù)載電流規(guī)格為500mA，內(nèi)置典型限流限值為700mA。在提供僅100s的mA或LDO用作限流保護(hù)器的應(yīng)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(kuò)大LDO的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)。在本應(yīng)用筆記中，參考設(shè)計(jì)已經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，電流限值設(shè)置為~170mA，容差±15%。

介紹

LDO 中的電流限制為輸送的電流設(shè)定了一個(gè)上限閾值。在低壓差線性穩(wěn)壓器架構(gòu)中，通過(guò)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(fù)載所需的電流和/或負(fù)載故障條件觸發(fā)的任何電流浪涌都會(huì)導(dǎo)致額外的輸入電流消耗。如果器件沒(méi)有過(guò)電流限制，那么這種額外的電流會(huì)導(dǎo)致不可接受的系統(tǒng)性能，如負(fù)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(dǎo)致系統(tǒng)故障。因此，為了保護(hù)LDO內(nèi)部和外部的相關(guān)電子設(shè)備，有必要針對(duì)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(shí)自動(dòng)恢復(fù)。

有多種方法可以實(shí)現(xiàn)電流限制。

限流架構(gòu)

限流架構(gòu)的類型如下：

磚墻限流：一旦達(dá)到設(shè)定的電流限值，負(fù)載電壓就會(huì)降至零。在限流條件下，輸出電壓不會(huì)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。

超過(guò)I限值時(shí)的恒定電流：一旦達(dá)到/超過(guò)電流限值閾值，該架構(gòu)將繼續(xù)向負(fù)載提供電流限值。負(fù)載電阻的進(jìn)一步降低將導(dǎo)致輸出電壓從其目標(biāo)值下降，同時(shí)器件繼續(xù)向負(fù)載提供電流限制值。（如本應(yīng)用說(shuō)明中所述）

基于折返的電流限制：負(fù)載電流在超過(guò)設(shè)定的電流限制閾值時(shí)折返。

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

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

關(guān)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(dá)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(nèi)保持 ±1% 的輸出精度，滿負(fù)載時(shí)僅需 100mV 的輸入至輸出裕量。圖1所示為MAX38902壓差與負(fù)載電流的關(guān)系。圖2顯示了PSRR與頻率的關(guān)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(biāo)

對(duì)于本應(yīng)用筆記中的參考限流設(shè)計(jì)，請(qǐng)考慮以下工作條件：

V在= 4.0V， V外= 3.3V， 電流限值設(shè)置 = ~170mA， 容差±15%

可編程限流電路說(shuō)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(gè) 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(zhǔn)電壓，其中點(diǎn)節(jié)點(diǎn)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(zhǔn)電壓設(shè)置為3.85V。系列1？電阻檢測(cè)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(dāng)比較器反相輸入電壓降至3.85V以下時(shí)，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(gè)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(shè)置為~170mA，±15%，基于電阻的容差堆疊和比較器內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換閾值精度、輸入電壓直流變化/負(fù)載。對(duì)于更嚴(yán)格的容差，建議使用1%容差的電阻器。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

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(zhǔn)電壓會(huì)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(zhǔn)代替R27，則可以克服此問(wèn)題。但是，在選擇齊納電壓規(guī)格時(shí)應(yīng)小心。

R25、R26和R27的電阻容差都會(huì)對(duì)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(hào)（輸入或輸出）可以一直擺動(dòng)到提供的電源電壓電平——正軌或負(fù)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(jìn)一步分配，該轉(zhuǎn)換電壓分辨率會(huì)進(jìn)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(fù)端。這樣做有兩個(gè)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(yùn)算放大器與比較器——需要注意的事項(xiàng) 本應(yīng)用筆記使用MAX40009比較器。也可以使用運(yùn)算放大器，但是需要考慮以下事項(xiàng)：

運(yùn)算放大器開關(guān)速度壓擺應(yīng)至少為150V/μS或更高。這是運(yùn)算放大器輸出在限流時(shí)快速切換所必需的。較慢的壓擺率運(yùn)算放大器會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不令人滿意。

運(yùn)算放大器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的共模電壓應(yīng)盡可能接近軌到軌電壓，否則至少要有足夠的共模裕量來(lái)存儲(chǔ)應(yīng)用中使用的輸入電壓。

所選的運(yùn)算放大器/比較器應(yīng)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(gè)輸入電壓軌為系統(tǒng)供電。

輸入電源電壓變化和電路負(fù)載會(huì)影響比較器同相輸入端的基準(zhǔn)電壓。

在比較器輸出端選擇的二極管應(yīng)該是快速恢復(fù)二極管，因?yàn)樵诠收蠗l件下電路運(yùn)行速度至關(guān)重要。肖特基也可以選擇，因?yàn)樗哂懈唛_關(guān)速度、無(wú)反向恢復(fù)時(shí)間和較小的二極管正向壓降。但是，反向電流應(yīng)該更小——幾μA。在本應(yīng)用筆記中，肖特基二極管為30V、0.37mV壓降@100mA，V時(shí)漏電流為1.4μAR選擇10V，盡管應(yīng)用在正常工作時(shí)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。考慮到上述準(zhǔn)則，也可以選擇快速恢復(fù)二極管。

實(shí)驗(yàn)室中的電路分析

電路行為通過(guò)每個(gè)操作角的多個(gè)波形來(lái)解釋。

圖4顯示了在沒(méi)有任何電流限制的情況下正常工作的電路，其中左側(cè)的圖4（a）顯示了比較器輸入和輸出信號(hào)在LDO負(fù)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(cè)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(dǎo)致輸出電壓，因此右側(cè)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(qǐng)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(nèi)。

所有波形都在其測(cè)量值旁邊進(jìn)行了注釋。考慮放形以查看此清晰度。

除非另有說(shuō)明，否則在25C下捕獲的波形的測(cè)試條件如下 V在= 4.0V 直流，V外= 3.3V， 電流限值設(shè)置 = ~170mA， 容差±15%

圖4.正常工作 — 不在限流模式下 — 4A 在左側(cè)，4B 在右側(cè)。

圖5中的下一個(gè)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(dòng)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(lái)，在圖6中，單個(gè)波形顯示了電路在負(fù)載電阻下降下完成的進(jìn)入和退出電流限制的動(dòng)態(tài)圖。

圖6.動(dòng)態(tài)限流操作 - 進(jìn)入和退出 - 負(fù)載電阻從24O降至14O

圖7顯示了正常工作時(shí)負(fù)載側(cè)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(qǐng)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(fù)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(jìn)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(yīng)（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(duì)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(shè)置啟動(dòng)期間的 LDO 輸出電壓壓擺，從而有助于軟啟動(dòng)。現(xiàn)在，看看LDO輸出電壓在輸出短路條件下的壓擺。

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

啟動(dòng)壓擺率 = （5V/ms） × （0.01μF/CBYP）

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

請(qǐng)注意，此壓擺率僅適用于啟動(dòng)時(shí)。對(duì)于從短路中恢復(fù)，每個(gè)LDO內(nèi)部帶寬和架構(gòu)以大約慢500倍的壓擺率進(jìn)行。（請(qǐng)參考詳細(xì)說(shuō)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(fù)載側(cè)施加硬短路，但在短路釋放時(shí)，請(qǐng)注意，對(duì)于C1 = 0.01μF，短路恢復(fù)時(shí)的輸出電壓壓擺率為~0.01V/ms，負(fù)載電流也逐漸上升。這是短路故障后軟啟動(dòng)的預(yù)期架構(gòu)行為。現(xiàn)在，考慮一種置位負(fù)載復(fù)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(cè)所示）。

圖8.軟啟動(dòng)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(dòng)。

圖9.短路啟動(dòng)—電流限制和恢復(fù)。

修改后的電路物料清單

結(jié)論

在本應(yīng)用筆記中，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了LDO的外部可編程電流限值。在系統(tǒng)負(fù)載短路、由于負(fù)載連接不正確而導(dǎo)致的過(guò)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(yīng)用，例如幾千兆安的輕負(fù)載或用作限流保護(hù)器的LDO，需要配置電流限制以適應(yīng)其最終應(yīng)用。這提供了額外的保護(hù)層并增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。通過(guò)本應(yīng)用筆記，可以表明，通過(guò)改變單個(gè)電阻R27，可以將電流限值編程為所需值，并且可以針對(duì)不同產(chǎn)品的可變負(fù)載電流要求重復(fù)電路。這種靈活性極大地有利于設(shè)計(jì)人員和最終消費(fèi)者在其產(chǎn)品中快速迭代相同的電路，測(cè)試并縮短設(shè)計(jì)上市時(shí)間。

審核編輯：郭婷