設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說(shuō)明

本應(yīng)用簡(jiǎn)介展示了如何部署電壓窗口比較器電路來(lái)監(jiān)測(cè) 28V 電源軌，這是小型飛行器中常見(jiàn)的航天器總線電壓。此寬單電源窗口比較器電路采用一個(gè)雙路集電極開(kāi)路比較器和 3 個(gè)電阻器來(lái)設(shè)定窗口電壓。并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL1431-SP 用于從輸入電壓提供參考電壓。因此，該電路的輸入部分只使用一個(gè)單電源。之所以使用 LM193AQML-SP 是因?yàn)樗哂屑姌O開(kāi)路輸出、符合輻射規(guī)范并包含兩個(gè)通道。每當(dāng)輸入電壓 V_in 位于比較窗口（26V 至 30V）內(nèi)時(shí)，該電路的輸出 V_OUT 都為高電平。每當(dāng) Vin 超出比較窗口時(shí)，V_OUT 都會(huì)下拉至 GND。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1. 選擇具有集電極開(kāi)路輸出級(jí)的高電壓比較器。
2. 選擇具有低輸入偏移電壓的比較器，以優(yōu)化精度。
3. 計(jì)算電阻分壓器的值，以便每當(dāng) V₁ 超過(guò) V_REF 時(shí)，V_OUT 變高，每當(dāng) V₂ 超過(guò) V_REF 時(shí)，V_OUT變高。
4. 計(jì)算 R5，使得并聯(lián)穩(wěn)壓器在整個(gè)操作范圍內(nèi)都在灌電流規(guī)格內(nèi)。

設(shè)計(jì)步驟

1. 選擇具有集電極開(kāi)路輸出級(jí)的高壓比較器，可以在盡可能高的電源電壓下工作。在該設(shè)計(jì)中，最高輸入/電源電壓為 36V。
2. 為窗口比較器確定適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)電平 V_REF。TL1431-SP 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 為2.5V，便于計(jì)算。如果將其他基準(zhǔn)電壓與 TL1431-SP 配合使用，則需要在并聯(lián)穩(wěn)壓器的陰極和陽(yáng)極之間放置一個(gè)分壓器，并將 V_REF 放置在兩個(gè)電阻器之間。
3. 通過(guò) 將V_REF 與工作電壓范圍相關(guān)聯(lián)，計(jì)算 V_IN 和 V_REF 之間電阻器 R₅ 的值。確保 R₅ 的大小能夠保證并聯(lián)穩(wěn)壓器可以為整個(gè)工作范圍提供足夠的偏置。偏置TL1431-SP 所需的電流 I_Bias 必須介于 1mA 和 100mA 之間。這里選擇了 4.7kΩ 的電阻器，因?yàn)樗谡麄€(gè)工作電壓范圍內(nèi)將偏置電流保持在此范圍內(nèi)。
   $I_{\mathrm{Bias} \left(\mathrm{Min}\right)}=\frac{V_{\mathrm{in} \left(\mathrm{Min}\right) }- V_{\mathrm{Ref}}}{R_5}=\frac{20V-2.5V}{4.7\mathrm{k\Omega }}=3.72\mathrm{mA}$
   $I_{\mathrm{Bias} \left(\mathrm{Max}\right)}=\frac{V_{\mathrm{in} \left(\mathrm{Max}\right) }- V_{\mathrm{Ref}}}{R_5}=\frac{36V-2.5V}{4.7\mathrm{k\Omega }}=7.12\mathrm{mA}$
   此設(shè)計(jì)中可以使用 350Ω 到 16kΩ 之間的值。已考慮將偏置電流降至最低，同時(shí)從 最小規(guī)格1mA提供一些緩沖。如果發(fā)現(xiàn)V_REF 有噪聲，可以在節(jié)點(diǎn)和 GND 之間放置一個(gè)去耦電容器來(lái)濾除噪聲。
4. 頂部比較器的正輸入 V₁ 和底部比較器的負(fù)輸入 V₂ 可以通過(guò) 分壓與 V_in關(guān)聯(lián)：
   $V_1 = V_{\mathrm{in}}\left(\frac{R_2+R_3}{R_1+R_2+R_3}\right), V_2 = V_{\mathrm{in}}\left(\frac{R_3}{R_1+R_2+R_3}\right)$

   當(dāng)V₁ 超過(guò) V_REF 輸出高電平時(shí)，窗口比較器跳閘，當(dāng) V₂ 超過(guò) V_REF 輸出低電平時(shí)，窗口比較器再次跳閘。如果 V₁ 小于 V_REF，則比較器為低電平。在此設(shè)計(jì)中，當(dāng)V_in 等于 26V 時(shí)，窗口比較器跳閘變高，當(dāng)V_in 等于 30V 時(shí)，窗口比較器跳閘變低；這兩種情況下，V_REF 都等于 2.5V。

   $2.5 = 26\left(\frac{R_2+R_3}{R_1+R_2+R_3}\right) \to 10.4 = \frac{R_1+R_2+R_3}{R_2+R_3}$
   $2.5 = 30\left(\frac{R_3}{R_1+R_2+R_3}\right) \to 12 = \frac{R_1+R_2+R_3}{R_3}$

5. 對(duì)步驟 4中的兩個(gè)公式 (R₁+R₂+R₃) 求解，并將其中一個(gè)公式代入另一個(gè)公式。
   $10.4R_2+10.4R_3 = R_1+R_2+R_3$
   $12R_3 = R_1+R_2+R_3$
   $12R_3 = 10.4R_2+10.4R_3$
   $10.4R_2 = 1.6R_3 \to 6.5R_2 = R_3$
6. 利用步驟5 步得到的關(guān)系式，求解 R₁ 和 R₂ 之間的關(guān)系。
   $12(6.5R_2) = R_1+R_2+6.5R_2$
   $78R_2 = R_1+7.5R_2 \to 70.5R_2 = R_1$
7. 利用步驟 5 和步驟 6 推導(dǎo)出的公式，相應(yīng)地調(diào)整電阻器 R₁、R₂ 和 R₃ 的大小。在此設(shè)計(jì)中，R₂ 設(shè)為 2.55kΩ，這意味著 R₁ 和 R₃ 分別為 179.775kΩ 和 16.575kΩ。這些電阻器的大小是根據(jù)分壓器上的電流消耗（在工作條件內(nèi)約為 100μA 至 180μA）來(lái)選擇的。
8. 選擇容差為 5% 的電阻器作為上拉電阻器 R₄，用于將窗口比較器的輸出上拉至 V_PU。該組件要足夠大，以確保比較器吸取的電流不大，但又要足夠小，以確保比較器輸出高電平時(shí)消耗的漏電流不會(huì)導(dǎo)致太大的壓降。
9. 步驟 7中獲得的值調(diào)整為1%的電阻容差， R₁、R₂ 和 R₃ 分別為 178kΩ、2.55kΩ 和 16.5kΩ。由于這些變化，比較窗口會(huì)發(fā)生偏移，在過(guò)壓條件下提前跳閘，欠壓條件下延后跳閘。在直流仿真結(jié)果中，比較窗口位于 25.8595V 和 29.856V 之間。

設(shè)計(jì)仿真

直流仿真結(jié)果

瞬態(tài)仿真結(jié)果

參考資料：

1. SPICE 仿真文件：http://www.ti.com/cn/lit/zip/snom708.

設(shè)計(jì)特色比較器

設(shè)計(jì)特色并聯(lián)基準(zhǔn)

設(shè)計(jì)備用比較器