設計目標

設計の説明

この低電圧保護回路は、高精度の基準電圧を内蔵した 1 つのコンパレータを使用して、バッテリ電圧が 2.0V より低下したとき、コンパレータ出力 (OUT) にアラート信号を生成します。この実装の低電圧アラートはアクティブ Low です。バッテリ電圧が 2.0V より低下した場合、コンパレータの出力が LOW になり、出力を監視しているデバイスに対してアラート信号を送ります。コンパレータにはヒステリシスが組み込まれており、バッテリ電圧が 2.034V を上回ると、コンパレータ出力が論理 High 状態に戻ります。この回路は、オープン ドレイン出力のコンパレータを利用して、デジタル論理入力ピンの制御用に出力 High 論理レベルをレベル シフトします。MOSFET スイッチのゲートを駆動する必要があるアプリケーションでは、プッシュプル出力のコンパレータをお勧めします。

デザイン ノート

1. 高精度の基準電圧を内蔵したコンパレータを選択します。
2. レベル シフトのため、オープン ドレイン出力段を持つコンパレータを選択します。
3. 抵抗分圧器の値は、コンパレータへの入力 (IN) がコンパレータの負方向入力スレッショルド電圧 (V_IT-) に達したとき、致命的な低電圧レベルを示すアラートが生成されるように選択します。

設計手順

1. V_BAT が対象の低電圧レベル (V_LOW) である 2.0V に低下したとき、コンパレータへの入力が V_IT- と交差するよう、必要な抵抗分圧器の比を計算します。TLV4021R1 データシートでは、V_IT- は 1.18V です。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{IT}-}=\frac{{\mathrm{R}}_2}{({\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2)}\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{LOW}}$
   $\frac{{\mathrm{R}}_2}{({\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2)}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{IT}-}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{LOW}}}=\frac{1.18 \mathrm{V}}{2.00 \mathrm{V}}=0.59$
2. 低電圧アラート信号がアサートされる電圧レベル V_LOW の値が 2.0V であることを確認します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{LOW}}=\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{IT}-}=\frac{1}{0.59}\times 1.18 \mathrm{V}=2.0 \mathrm{V}$
3. 抵抗分圧器の比 (0.59) を得るための R₁ および R₂ の値を選択します。次の式、またはオンライン ツール「Voltage Divider Calculator」(分圧器カリキュレータ) を使用します。
   次の式を使用する場合、R₂ に MΩ 範囲の値を選択して、R1 を計算します。この例では、R₂ に値 1.54M が選択されています。
   ${\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_2\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{LOW}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{IT}-}}-1\right)= 1.54 \mathrm{M\Omega }\left(\frac{2 \mathrm{V}}{1.18 \mathrm{V}}-1\right)=1.07 \mathrm{M\Omega }$
4. 抵抗分圧器を通過する電流が、コンパレータの入力バイアス電流の最低でも 100 倍であることを確認します。抵抗の値をさらに大きくして、抵抗分圧器の誤差を大きく増やすことなく、回路の消費電力を最小化することもできます。
5. 低電圧アラート信号がデアサートされる (論理 High 値に戻る) バッテリ電圧 V_HIGH を計算します。バッテリ電圧が 2.0V レベルより低下したとき、または最初の起動時に上昇するとき、コンパレータ入力は、出力が論理 High に復帰する正方向入力スレッショルド電圧である V_IT+ を超える必要があります。TLV4021R1 データシートでは、V_IT+ は 1.20V です。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{HIGH}}=\frac{ {\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{IT}+}=\frac{1.07 \mathrm{M\Omega }+1.54 \mathrm{M\Omega }}{1.54 \mathrm{M\Omega }}\times 1.20\mathrm{V}=2.034 \mathrm{V}$
   

設計シミュレーション

DC シミュレーション結果

過渡シミュレーション結果

参考資料

テキサス・インスツルメンツ、『コンパレータ回路によるハイサイド電流センシング』、アナログ エンジニア回路

設計で使用されているコンパレータ

設計の代替コンパレータ