Designziele

Designbeschreibung

Dieser isolierte Hochgeschwindigkeits-Unterspannungs- und Überspannungserkennungsschaltkreis ist mit einem doppelten isolierten Fensterkomparator mit einem einstellbaren Schwellenwert (AMC23C14) implementiert. Dieser Schaltkreis wurde für industrielle Feldversorgungsanwendungen entwickelt, bei denen die Controllerseite erkennen muss, ob die Versorgungsspannung des Remote-Moduls in einem gültigen Bereich liegt.

Der AMC23C14 wird aufgrund seiner robusten verstärkten Isolierung mit einem hohen CMTI von 100 kV/μs (Minimum), den einstellbaren Doppelfenster-Komparator-Schwellenwerten, einem großen High-Side-Versorgungsspannungsbereich (3 V bis 27 V) und dem erweiterten industriellen Temperaturbereich (–40 bis +125 Grad Celsius) ausgewählt.

Schaltplan zur Unterspannungs- und Überspannungserkennung

Designhinweise

1. Um Fehler zu minimieren, wählen Sie Präzisionswiderstände für den Spannungsteiler (R₅ und R₆) und den Widerstand zur Schwellenwerteinstellung (R₁).
2. Der AMC23C14 wird über die Feldversorgung mit Strom versorgt und ist durch eine Zenerdiode und einen Shunt-Widerstand gegen Spannungen > 30 V (absolute maximale Versorgungsspannung) geschützt.
3. Wählen Sie den Spannungsteiler und die Widerstände zur Schwellenwerteinstellung anhand des gewünschten Betriebsspannungsbereichs aus.

Designschritte

1. Bestimmen Sie das Spannungsteilerverhältnis, das zum Auslösen des festen internen 300 mV-Schwellenwerts erforderlich ist, wenn das Netzteil die gültige Mindestbetriebsspannung von 20,4 (24 V – 15 %) überschreitet. Größe der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers auf 100 μA einstellen, wenn V_supp die gewünschte Betriebsspannung von 24 V hat.
   $IN=V_{supp}\left(\frac{R_6}{R_5+R_6}\right)$
   $300 mV=20.4 V\left(\frac{R_6}{R_5+R_6}\right)$
   $V_{supp}=100 \mu A\times (R_5+R_6)$
   $24 V=100 \mu A\times (R_5+R_6)$

   Die Lösung des Gleichungssystems ergibt R₅ = 236 kΩ, R₆ = 3,52 kΩ.

   • Wenn man den Analogrechner verwendet https://www.ti.com/tool/ANALOG-ENGINEER-CALC, beträgt der nächste E96-Widerstandswert 237 kΩ und 3,48 kΩ.
2. Verändern Sie den Widerstand zur Schwellenwerteinstellung, um den Komparator mit einstellbarem Schwellenwert auszuspeisen, wenn die Stromversorgung 28,8 V (24 V + 20 %) überschreitet.
   $IN=V_{supp}\left(\frac{R_6}{R_5+R_6}\right)$
   $IN=28.8 V\left(\frac{3.52 k\Omega }{237 k\Omega +3.52 k\Omega }\right)$
   $IN=0.42 V$
   $V_{ref} = IN$
   $R_1=\frac{V_{ref}}{I_{ref}}= \frac{0.42 V}{100 \mu A}=4.2 k\mathrm{\Omega }$
3. Wählen Sie eine 27 V-Zenerdiode, um den AMC23C14 vor Spannungen zu schützen, die über der empfohlenen Betriebsspannung liegen.

Designsimulationen

Die folgenden Abbildungen sind SPICE-Simulationswellenformen der Unter- und Überspannungserkennungsschaltung. Enthalten ist der VDD1-Eingang, in dem die Zenerdiode dargestellt ist, die den VDD1-Eingang vor Spannungen außerhalb seines Betriebsbereichs schützt. SPICE-Simulation des Unterspannungs- und Überspannungserkennungsschaltkreises – Steigend zeigt die Spice-Simulation mit den Ausgangs-Triggerpunkten bei einer steigenden Eingangsspannung. SPICE-Simulation des unter- und Überspannungserkennungsschaltkreises – Fallend zeigt ein ähnliches Bild, jedoch mit den Ausgangs-Triggerpunkten bei einer fallenden Eingangsspannung. Beim Vergleich der beiden Abbildungen unterscheiden sich die Triggerpunkte um 0,3 V, wobei der abfallende Spannungseingang einen niedrigeren Triggerwert hat.

SPICE-Simulation des Unter- und Überspannungserkennungsschaltkreises – Steigend

SPICE-Simulation des Unter- und Überspannungserkennungsschaltkreises – Fallend

Gemessenes Ansprechverhalten

Die folgenden Abbildungen zeigen das gemessene Ausgangssignal des unter- und Überspannungserkennungsschaltkreises beim Vergleich der Ausgänge mit der Spannung V_supp (Kurve 1). Der AMC23C14 verfügt über Open-Drain-Ausgänge, die normalerweise auf bis zu VDD2 gezogen werden und niedrig getrieben werden, wenn die Eingangsspannung die Schwellenspannung jedes Komparators überschreitet. In diesen Messungen können OUT1 (Kurve 3) Übergänge niedrig sein, wenn V_sup 28,8 V überschreitet, und OUT2 Übergänge niedrig, wenn Vsupp 20,8 V überschreitet. Komponentenschwankungen und die Komparator-Hysterese können die Auslöseschwellen beeinflussen, aber in diesem Fall liegt der Auslösepunkt innerhalb von weniger als 1 % der gewünschten Werte. Die Spannungsschwellenwerte variieren leicht, wenn V_supp steigt oder fällt. Die zweite Wellenform zeigt dies mit OUT1-Triggern bei 28,6 V statt 28,8 V.

Erfassung der Wellenform bei zunehmender V_supp

Erfassung der Wellenform bei abnehmender V_supp

Die folgenden Abbildungen zeigen das gemessene Ausgangssignal der unter- und Überspannungserkennungsschaltung beim Vergleich der AMC23C14-Ausgänge mit der VIN-Spannung (Kurve 2). Diese Messungen bestätigen, dass die Auslöseschwellen des Komparators den gewünschten Werten entsprechen, die durch den internen Komparator-Schwellenwert bei 300 mV und den extern eingestellten Schwellenwert bei 420 mV festgelegt werden, wie in der Gleichung in Schritt 2 des Abschnitts Designschritte definiert.

Signalform von IN bei zunehmender V_supp

Signalform von IN bei abnehmender V_sup

Design vorgestellter Baustein

Designreferenzen

Eine umfassende Schaltkreisbibliothek von TI finden Sie in Analog Engineer's Circuit Cookbooks.

Texas Instruments Datenblatt AMC23C14 AMC23C14 Zweifach-Fensterkomparator mit schnellem Ansprechverhalten und verstärkter Isolierung mit einstellbarem Schwellenwert