特征

■5V±4%，500mA輸出電壓

■與μP兼容的控制功能看門狗啟用

■低壓差（1.25V@500mA）

■低靜態(tài)電流（7mA@500mA）

■低噪音、低漂移

■低電流睡眠模式（IQ=250μA）

■故障保護(hù)

-熱關(guān)機(jī)

-短路

-60V峰值瞬態(tài)

-電壓

說明

CS8140是一個5V看門狗調(diào)節(jié)器，帶有保護(hù)電路和三個邏輯控制功能，允許微處理器控制自己的電源。CS8140設(shè)計用于汽車、開關(guān)電源、后調(diào)節(jié)器和電池供電系統(tǒng)。

調(diào)壓器的基本性能特征包括低噪聲、低漂移、5V±4%的精確輸出電壓、低壓降（1.25V@IOUT=500mA）和低靜態(tài)電流（7mA@IOUT=500mA）。板上短路、熱保護(hù)和過電壓保護(hù)使得在特別惡劣的工作環(huán)境中使用該調(diào)節(jié)器成為可能。

看門狗邏輯功能監(jiān)控來自微處理器或其他信號源的輸入信號（WDI）。當(dāng)信號頻率超出外部可編程窗口極限時，產(chǎn)生一個信號（）。外部電容器（CDELAY）對看門狗win  dow頻率限制以及上電復(fù)位（POR）和延遲。那個該功能由以下三種情況之一激活：看門狗信號超出其預(yù)設(shè)限值；輸出電壓超出調(diào)節(jié)范圍超過4.5%；或IC處于通電順序。信號與車輛識別號（VIN）無關(guān)，可靠度低至VOUT=1V。

啟用功能與看門狗一起控制調(diào)節(jié)器的功耗。CS8140的輸出級及其伴隨電路是通過將使能引線設(shè)置為高電平來啟用的。當(dāng)low limits（low limits）時，low（導(dǎo)聯(lián)）信號進(jìn)入low limits（low limits）時，low（導(dǎo)聯(lián)）調(diào)節(jié)器進(jìn)入low limits（啟動外窗調(diào)節(jié)器）模式。CS8140中控制功能的獨(dú)特組合使微處理器能夠控制其自身的斷電順序：即，它使微處理器在斷電前能夠靈活地執(zhí)行管理功能。

CS8141具有與CS8140相同的功能，只是CS8141只響應(yīng)低于預(yù)設(shè)看門狗頻率閾值的輸入信號（WDI）。

方塊圖

典型性能特征

術(shù)語定義

跌落電壓

輸入輸出電壓差，當(dāng)輸入電壓進(jìn)一步降低時，電路停止調(diào)節(jié)。當(dāng)輸出電壓從14V輸入時的標(biāo)稱值下降100毫伏時，電壓跌落取決于負(fù)載電流和結(jié)溫。

輸入電壓

輸入端子相對于地的直流電壓。

線路調(diào)節(jié)

輸入電壓變化時輸出電壓的變化。測量是在低功耗條件下進(jìn)行的，或者使用脈沖技術(shù)，使得平均芯片溫度不受顯著影響。

負(fù)荷調(diào)節(jié)

在恒定芯片溫度下，由于負(fù)載電流的變化而引起的輸出電壓的變化。

靜態(tài)電流

正輸入電流中不產(chǎn)生正負(fù)載電流的部分。調(diào)節(jié)器接地導(dǎo)線電流。

紋波抑制

峰值輸入紋波電壓與峰值輸出紋波電壓之比。

電流限制

可以傳送到輸出端的峰值電流。

電路描述

電壓基準(zhǔn)和輸出電路

精密電壓基準(zhǔn)

輸出電壓的調(diào)節(jié)依賴于集成電路中精確的帶隙基準(zhǔn)電壓。通過在反饋回路中添加誤差放大器，輸出電壓在溫度和電源變化范圍內(nèi)保持在-4%以內(nèi)。

輸出級

復(fù)合PNP-NPN輸出結(jié)構(gòu)（圖1）提供500mA（最小）的輸出電流，同時保持較低的壓降（1.25V）和很少的靜態(tài)電流（7mA）。

NPN通流器件防止了輸出級的深度飽和，這反過來又通過防止過多電流被IC使用和耗散來提高IC的效率。

輸出級保護(hù)

輸出級受到過電壓、短路和熱失控條件的保護(hù)（圖2）。

如果輸入電壓上升到30V以上（例如，甩負(fù)荷），則輸出關(guān)閉。此響應(yīng)保護(hù)內(nèi)部電路并使IC能夠經(jīng)受意外的電壓瞬變。

使用發(fā)射極感應(yīng)方案，通過NPN通晶體管的電流量被監(jiān)控。反饋電路確保輸出電流不會超過預(yù)設(shè)的限制。

如果功率器件的結(jié)溫超過180℃。由于功率晶體管是集成電路的主要熱源，熱關(guān)機(jī)是防止芯片過熱的有效手段。

調(diào)節(jié)器控制功能

CS8140不同于所有其他線性調(diào)節(jié)器在其獨(dú)特的組合控制功能。

看門狗和啟用功能

VOUT由邏輯函數(shù)ENABLE和Watchdog控制（表1）。

圖3：看門狗和啟用函數(shù)的時序圖

3a:VOUT當(dāng)看門狗保持在高位并且啟用=高。

3b:VOUT當(dāng)看門狗保持在低位并且啟用=高。

3c:VOUT當(dāng)看門狗太慢并且ENABLE=HIGH時。

3d:VOUT當(dāng)看門狗太快并且啟用=高。

3e:WDI在正常運(yùn)行后保持在高水平；啟用=低。

3f:WDI在正常運(yùn)行時間后保持低或太慢；啟用=低。

3g:WDI頻率在正常運(yùn)行一段時間后上升到頻率上限以上；啟用=低（僅適用于CS8140）。

只要ENABLE高或ENABLE低且看門狗信號正常，VOUT將為5V（典型值）。如果ENABLE（啟用）低且看門狗信號超出可編程限制，則輸出晶體管關(guān)閉，IC進(jìn)入休眠模式。只有IC中的使能電路保持通電，靜態(tài)電流為250 a。

看門狗監(jiān)視輸入的WDI信號的頻率。如果信號落在WDI窗口之外，則在復(fù)位導(dǎo)線（圖3）處產(chǎn)生頻率可編程脈沖串，直到在該導(dǎo)線處重新出現(xiàn)正確的看門狗輸入信號（ENABLE=HIGH）。

看門狗功能的窗口閾值下限和上限由CDELAY的值設(shè)置。根據(jù)CS8140的以下方程式確定限值：

對于CS8141，下限由上述（a）中的方程式確定。

電容器CDELAY還可以確定復(fù)位信號的頻率和上電復(fù)位（POR）延遲時間。

重置復(fù)位功能

當(dāng)看門狗信號超出其預(yù)設(shè)窗口（圖3）、調(diào)節(jié)器處于通電狀態(tài)（圖4a）或當(dāng)VOUT降至低于VOUT-4.5%超過2μs時（圖4b），該功能激活。

如果看門狗信號超出預(yù)設(shè)的電壓和頻率窗口，則在引線處產(chǎn)生頻率可編程脈沖串（圖3），直到正確的看門狗輸入信號重新出現(xiàn)在引線上。脈沖持續(xù)時間由CDELAY根據(jù)以下等式確定：

復(fù)位電路波形并顯示延遲

如果存在欠壓情況，復(fù)位導(dǎo)線上的電壓變低，延遲電容器CDELAY放電。保持低電平，直到輸出處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，CDELAY上的電壓超過開關(guān)閾值上限，并且看門狗輸入信號在其設(shè)置的窗口限值內(nèi)（圖4）。輸出調(diào)節(jié)后的延遲為：

延時電路也用外蓋CDELAY編程。

復(fù)位電路的輸出是集電極開路NPN.重置為了避免延遲，比較器的操作延遲都是由延遲控制的。

申請須知

CS8140設(shè)計實例

CS8140以其獨(dú)特的集成線性調(diào)節(jié)器和控制功能：使能和看門狗，為微處理器電源提供了單一的IC解決方案。復(fù)位延遲、復(fù)位持續(xù)時間和看門狗頻率限值均由單個電容器決定。對于一個特定的微處理器，最重要的要求通常是復(fù)位延遲（也稱為上電復(fù)位）。電容器的選擇滿足了這一要求，復(fù)位持續(xù)時間和看門狗頻率也隨之變化。

重置延遲由以下公式給出：

必須假定最小延遲為200ms。

根據(jù)CS8140數(shù)據(jù)表，由于調(diào)節(jié)器，復(fù)位延遲具有±37%公差。

假設(shè)電容器公差為±10%。

最接近的標(biāo)準(zhǔn)值為0.82μF。

使用0.82μF的最小和最大延遲為220ms和586ms。

申請須知

復(fù)位脈沖的持續(xù)時間由以下公式給出：

由于IC，公差為±50%，電容公差為±10%。

復(fù)位脈沖的持續(xù)時間從3.69ms到13.5ms。

看門狗信號可以用頻率或時間來表示。從程序員的角度來看，時間更有用，因為他們必須確保一個看門狗信號每秒連續(xù)發(fā)出幾次。

最大和最小看門狗時間由以下公式給出：

由于CS8140，公差為±20%。

電容器公差為±10%：

必須編寫軟件，使看門狗信號至少每76毫秒到達(dá)一次，但不比每41毫秒快（圖5）。

CS8141與CS8140相同，只是CS8141的看門狗頻率較低門檻值使用這個部分的設(shè)計者只需要關(guān)心tWDI（下部），如圖6所示。

節(jié)能和智能功能

節(jié)能是使用集成微處理器控制功能的調(diào)節(jié)器的另一個好處。使用圖8所示的CS8140或CS8141，微處理器可以控制自己的斷電順序。瞬時接觸開關(guān)迅速為C1至R1充電。

當(dāng)C1上的電壓達(dá)到3.95V（啟用閾值）時，輸出接通，VOUT上升到5V。經(jīng)過CDelay確定的延遲時間后，在復(fù)位輸出處產(chǎn)生頻率可編程的復(fù)位脈沖串。脈沖序列繼續(xù)，直到正確的看門狗信號出現(xiàn)在WDI導(dǎo)線上。C1現(xiàn)在通過使能導(dǎo)線的輸入阻抗（約150k‰）放電，使能信號消失。只要CS8140繼續(xù)接收正確的看門狗信號，輸出電壓就保持在5V。

微處理器可以通過終止它的看門狗信號來關(guān)閉自己的電源。當(dāng)微處理器完成它的內(nèi)務(wù)處理或關(guān)機(jī)軟件程序時，它停止發(fā)送看門狗信號。作為響應(yīng)，調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個復(fù)位信號并進(jìn)入休眠模式，此時VOUT降至0V，從而關(guān)閉微處理器。

穩(wěn)定性考慮

圖7中的輸出或補(bǔ)償電容C2有助于確定線性調(diào)節(jié)器的三個主要特性：啟動延遲、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和回路穩(wěn)定性。

電容器的值和類型應(yīng)基于成本、可用性、尺寸和溫度限制。鉭或鋁電解電容器是最好的，因為幾乎零ESR的薄膜或陶瓷電容器會導(dǎo)致不穩(wěn)定。鋁電解電容器是最便宜的解決方案，但是，如果電路在低溫（-25℃到-40℃）下工作，電容器的值和ESR都會有很大的變化。電容器制造商的數(shù)據(jù)表通常提供此信息。

圖7中的輸出電容器C2的值應(yīng)該適用于大多數(shù)應(yīng)用，但是它不一定是優(yōu)化的解決方案。

為了確定特定應(yīng)用的C2可接受值，從推薦值的鉭電容器開始，然后尋找更便宜的替代部件。

第1步：將帶有推薦值的鉭電容器的完整電路放置在最低規(guī)定工作溫度的環(huán)境室中，并用示波器監(jiān)測輸出。與電容器串聯(lián)的十進(jìn)箱將模擬鋁電容器的較高ESR。把十進(jìn)位箱放在試驗箱外面，較長導(dǎo)線所增加的小電阻可以忽略不計。

第2步：當(dāng)輸入電壓達(dá)到最大值時，緩慢地將負(fù)載電流從零增加到滿載，同時觀察輸出是否有任何振蕩。如果沒有觀察到振蕩，電容器足夠大，以確保在穩(wěn)態(tài)條件下的穩(wěn)定設(shè)計。

應(yīng)用程序關(guān)系圖

第3步：使用十進(jìn)位箱從零開始增加電容器的ESR，并改變負(fù)載電流，直到出現(xiàn)振蕩。記錄引起最大振蕩的負(fù)載電流和ESR值。這表示調(diào)節(jié)器在低溫下的最壞情況負(fù)載條件。

第4步：維持步驟3中設(shè)置的最壞情況負(fù)載條件，并改變輸入電壓，直到振蕩增加。此點(diǎn)表示最壞情況下的輸入電壓條件。

第5步：如果電容器足夠，對下一個較小值的電容器重復(fù)步驟3和4。較小的電容器通常成本更低，占用的板空間也更少。如果輸出在預(yù)期的工作條件范圍內(nèi)振蕩，用下一個較大的標(biāo)準(zhǔn)電容值重復(fù)步驟3和4。

第6步：通過切換不同頻率的負(fù)載來測試負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，以模擬其真實的工作環(huán)境。改變ESR以減少響鈴。

第7步：從環(huán)境室中取出裝置，并用熱風(fēng)槍加熱IC。按照步驟5中的說明改變負(fù)載電流，以測試是否存在任何振蕩。

一旦發(fā)現(xiàn)具有最大ESR的最小電容值，應(yīng)添加安全系數(shù)，以考慮電容器的公差和調(diào)節(jié)器性能的任何變化。大多數(shù)優(yōu)質(zhì)鋁電解電容器的公差為+/-20%，因此應(yīng)將發(fā)現(xiàn)的最小值至少增加50%，以允許該公差加上低溫下發(fā)生的變化。電容器的ESR應(yīng)小于上述步驟3中最大允許ESR的50%。

單輸出線性穩(wěn)壓器的功耗計算

單個輸出調(diào)節(jié)器（圖9）的最大功耗為：

其中：VIN（max）是最大輸入電壓，VOUT（min）是最小輸出電壓，IOUT（max）是應(yīng)用的最大輸出電流，以及IQ是調(diào)節(jié)器在IOUT時消耗的靜態(tài)電流（max）。

一旦已知PD（max）的值，可以計算RQJA的最大允許值：

RQJA的值可以與數(shù)據(jù)表的包裝部分中的值進(jìn)行比較。RQJA小于公式2中計算值的包裝將使模具溫度保持在150°C以下。

在某些情況下，任何封裝都不足以散熱IC產(chǎn)生的熱量，因此需要外部散熱片。

散熱器

散熱片有效地增加了封裝的表面積，以改善從集成電路到周圍空氣中的熱量流動。

在IC和外部環(huán)境之間的熱流路徑中的每種材料都會有一個熱阻。與串聯(lián)電阻一樣，這些電阻相加可確定RQJA的值：

其中：RQJC=結(jié)-殼熱電阻，RQCS=外殼到散熱器的熱電阻，以及RQSA=散熱器對環(huán)境的熱阻。

RQJC出現(xiàn)在數(shù)據(jù)表的包部分。和RQJA一樣，它也是一個包類型的函數(shù)。RQCS和RQSA是封裝類型、散熱器和它們之間的接口的函數(shù)。

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