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ZHCAAR3 April 2021 LM193QML-SP , TL1431-SP

設(shè)計(jì)目標(biāo)

輸入電源	比較器輸出狀態(tài) (OUT)		輻射
工作范圍	26V ≤ V_in ≤ 30V	V_in < 26V 或 V_in > 30V	電離總劑量 (TID)	針對 LET 的 SEL 抗擾度
20 V 至 36 V	V_out = V_pu	V_out = GND	100krad (Si)	85MeV·cm²/mg

設(shè)計(jì)說明

本應(yīng)用簡介展示了如何部署電壓窗口比較器電路來監(jiān)測 28V 電源軌，這是小型飛行器中常見的航天器總線電壓。此寬單電源窗口比較器電路采用一個(gè)雙路集電極開路比較器和 3 個(gè)電阻器來設(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 都會下拉至 GND。

設(shè)計(jì)說明

選擇具有集電極開路輸出級的高電壓比較器。
選擇具有低輸入偏移電壓的比較器，以優(yōu)化精度。
計(jì)算電阻分壓器的值，以便每當(dāng) V₁ 超過 V_REF 時(shí)，V_OUT 變高，每當(dāng) V₂ 超過 V_REF 時(shí)，V_OUT變高。
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

選擇具有集電極開路輸出級的高壓比較器，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。
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。
通過將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)。
$I_{Bias (Min)} = \frac{V_{in (Min)} - V_{Ref}}{R_{5}} = \frac{20 V - 2.5 V}{4.7 kΩ} = 3.72 mA$
$I_{Bias (Max)} = \frac{V_{in (Max)} - V_{Ref}}{R_{5}} = \frac{36 V - 2.5 V}{4.7 kΩ} = 7.12 mA$
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)去耦電容器來濾除噪聲。
頂部比較器的正輸入 V₁ 和底部比較器的負(fù)輸入 V₂ 可以通過分壓與 V_in關(guān)聯(lián)：
$V_{1} = V_{in} (\frac{R_{2} + R_{3}}{R_{1} + R_{2} + R_{3}}), V_{2} = V_{in} (\frac{R_{3}}{R_{1} + R_{2} + R_{3}})$
當(dāng)V₁ 超過 V_REF 輸出高電平時(shí)，窗口比較器跳閘，當(dāng) V₂ 超過 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。
$2.5 = 26 (\frac{R_{2} + R_{3}}{R_{1} + R_{2} + R_{3}}) \to 10.4 = \frac{R_{1} + R_{2} + R_{3}}{R_{2} + R_{3}}$
$2.5 = 30 (\frac{R_{3}}{R_{1} + R_{2} + R_{3}}) \to 12 = \frac{R_{1} + R_{2} + R_{3}}{R_{3}}$
對步驟 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。
$10.4 R_{2} + 10.4 R_{3} = R_{1} + R_{2} + R_{3}$
$12 R_{3} = R_{1} + R_{2} + R_{3}$
$12 R_{3} = 10.4 R_{2} + 10.4 R_{3}$
$10.4 R_{2} = 1.6 R_{3} \to 6.5 R_{2} = R_{3}$
利用步驟5 步得到的關(guān)系式，求解 R₁ 和 R₂ 之間的關(guān)系。
$12 (6.5 R_{2}) = R_{1} + R_{2} + 6.5 R_{2}$
$78 R_{2} = R_{1} + 7.5 R_{2} \to 70.5 R_{2} = R_{1}$
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）來選擇的。
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)消耗的漏電流不會導(dǎo)致太大的壓降。
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，比較窗口會發(fā)生偏移，在過壓條件下提前跳閘，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：

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

設(shè)計(jì)特色比較器

LM193QML-SP
V_S	2 V 至 36V
V_inCM	0 V 至 34.5 V
V_OUT	集電極開路
V_OS	5mV
I_Q	200 μA/channel
t_PD(HL)	2.50μs
TID 輻射批次驗(yàn)收測試 (RLAT)/RHA	100krad(Si)
TID 特性（無 ELDRS）	100krad(Si)
針對 LET 的 SEL 抗擾度	SEL 抗擾度（雙極工藝）
http://www.apartmentvenezia.com/product/cn/LM193QML-SP

設(shè)計(jì)特色并聯(lián)基準(zhǔn)

TL1431-SP
V_KA	2.5 V 至 36 V
I_KA	1 mA 至 100mA
V_I(ref)	2.5V
初始精度	0.4%
TID	100krad(Si)
針對 LET 的 SEL 抗擾度	SEL 抗擾度（雙極工藝）
www.apartmentvenezia.com/product/cn/TL1431-SP

設(shè)計(jì)備用比較器

	TLV1704-SEP	LM139AQML-SP
V_S	2.2V 至 36V	2 V 至 36V
V_inCM	軌到軌	0 V 至 34 V
V_OUT	集電極開路，軌到軌	集電極開路
V_OS	500μV	2mV
I_Q	55μA/通道	200 μA/通道
t_PD(HL)	460ns	2.50μs
TID 特性（無 ELDRS）	30krad(Si)	100krad(Si)
TID 輻射批次驗(yàn)收測試 (RLAT)/RHA	20krad(Si)	100krad(Si)
針對 LET 的 SEL 抗擾度	43MeV·cm²/mg	SEL 抗擾度（雙極工藝）
	http://www.apartmentvenezia.com/product/cn/TLV1704-SEP	http://www.apartmentvenezia.com/product/cn/LM139AQML-SP