适合有源天线系统并内置保护和诊断功能的坚固、低噪声、稳定型电源

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作者:Sam Rankin 和 Steve Knoth  凌力尔特公司


引言
汽车信息娱乐系统 (见图 2) 时代的到来标志着汽车采用简单车载收音机 (比如图 1 中 Mercedes 汽车所配备的仪表板) 的日子一去不复返了。历史悠久的 AM/FM 收音机在信息娱乐控制板上仍然保有一席之地,但它如今与数字音频广播 (DAB)、数字和高清晰度电视 (HDTV)、卫星无线电、集成蜂窝电话、CD/DVD/MP3 播放器、全球定位系统 (GPS) 导航及视频游戏系统组合在一起。
在汽车仪表板的背后对这种信息资源提供支持的是有源天线系统。随着汽车信息娱乐中心复杂性的攀升,用于将音乐和数据馈入信息娱乐中心所需的有源天线数量有所增加。一部汽车平均拥有 3~5 个有源天线系统的情况目前是比比皆是,它们用于组合型 AM、FM、DAB、HDTV、卫星广播、交通警示、蜂窝电话、WiMAX 和 GPS 装置 —— 有时,为了改善接收质量,每个频段会采用多个天线。这些有源天线系统中的敏感电路需要具备针对严酷汽车环境的保护和隔离能力,以及一种用于向主机系统提供天线状态和诊断反馈的方法。

 
图 1:老式的汽车仪表板;一个用于 AM/FM 接收的无源天线

 
图 2:新式的汽车仪表板;高性能、有源多天线系统

LT3050 是一款创新型稳压器,具有精准的电流限值和诊断功能。它兼具凌力尔特线性稳压器所共有的坚固性能、可靠性和耐用性,并拥有一组适合有源天线系统的增强型功能,包括:
■ 可编程电流限值
■ 软起动
■ 开路检测
■ 输出电流监视器
■ 集电极开路故障信号

LT3050 是单片 IC 解决方案,过去,为了满足汽车天线系统中苛刻的保护要求组合以及所需的诊断功能,设计师不得不进行复杂的电流检测放大器、运算放大器和分立元件及其他 IC 的布局。而有了 LT3050 之后,就免除了上述的布局工作。
在满负载条件下,LT3050 可提供高达 100mA 的连续输出电流和一个 340mV 的典型压差电压。该 IC 具有一个 2V 至 45V 的宽输入电压范围,并提供了低至 0.6V 的可调输出电压。单个电容器同时提供了超低噪声操作 (在 10Hz 至 100kHz 的大带宽范围内输出噪声仅为 30μVRMS) 和基准软起动功能,从而消除了接通期间的大浪涌电流和输出电压过冲。LT3050 的输出电压容差具有很高的准确度,在整个电压、负载和温度范围内达 ±2%。LT3050 的低工作静态电流 (50μA) 使其能够连续处于空闲状态,电池电量消耗极少,停机模式中的消耗电流下降至 <μA。该 IC 分别采用 12 引脚 2mm x 3mm DFN 封装和 12 引脚耐热性能增强型 MSOP 封装,因而提供了紧凑的占板面积。

具保护和诊断功能的单片 IC 天线电源
作为许多有源天线电压电源的起始点,12V 汽车电池与这些系统所需要的低噪声、稳定型电源相去甚远。除了噪声之外,这种 12V“电源”还有可能遭受反向电池情况或负载突降 (在这些场合中,电压会在 –36V 至 80V 的范围内变化,甚至出现尖峰) 的影响。LT3050 在该苛刻的电气环境中对其自身和天线均实施了保护,同时提供了一个稳定的低噪声输出电压。当在天线电源本身的内部发生短路时,LT3050 还可利用一个准确和可编程的电流限值来对有源天线电源电路加以保护。汽车环境中的散热状况同样具有挑战性,因而要求凭借坚固的过热保护功能来使电源在 -40ºC 至 125ºC 的温度范围内保持稳定。
除了这些棘手的保护要求以外,LT3050 还简化了所需的诊断信息收集以报告天线状态。可编程开路检测功能电路负责监视天线电源电流以防止其降至一个规定的最小工作条件值以下。可编程短路检测功能电路则用于监视天线电源电流以避免其超过一个规定的最大值,并通过限制电流来保护天线及其电源。此外,一个模拟电流监视器还将产生一个与天线电源电流成比例的信号。这便于用作一个诊断输入,或用于向系统发出指示信号以告知所安装的天线类型。

一个准确、稳定和低噪声电源中的保护功能
    LT3050 可产生一个用于有源天线系统的稳定的低噪声电源,可隔离并保护天线系统免受具有高噪声和易变的 12V 汽车电源的不良影响。该 IC 能够承受 ±50V 的输入电压和反向电池情况 (可能产生自 12V 电源) 以及至 ±50V 的输出反转 (见图 3)。

 
图 3:LT3050 针对负载突降情况的瞬态响应 (AC 耦合)

    LT3050 拥有卓越的电源噪声抑制性能,因而有效地将天线电源与 12V 电源线上的噪声或者来自某个中间降压型稳压器的噪声隔离开来 (见图 4)。单个电容器提供了基准软起动和噪声旁路功能,从而实现了一个可编程启动时间和超低噪声操作。

 
图 4:LT3050 纹波抑制

    通过允许用户设定低至最大负载之 110% 的电流限值而不影响正常操作期间的负载调节性能,一个精准的可编程电流限值提供了额外的保护作用。此外,凭借后备式电流限制、电流限制折返、以及具迟滞的坚固型热停机功能的组合,当存在来自一个 50V 输入电源的无限期输出短路时,IC 不会受损。输出可以被拉至输入以上达 50V,而流入输入端的电流极小且不会损坏 IC。

诊断功能
LT3050 可向汽车的控制系统提供诊断信息。如果检测到开路或短路情况、或者 IC 进入热停机模式,则一个能够吸收 100μA 电流的集电极开路故障指示器将确定其电平。LT3050 还具有一个集成电流监视器,该电流监视器通过 IMON 引脚提供大约为输出电流1/100 的电流,以在天线系统监视和保护中使用。请参见图 5 中的方框图。只需在 IMON 和 GND 之间连接一个电阻器,便可产生一个与输出电流成比例的参考于地的电压。
可编程短路检测和电流限值在 IMAX 引脚上提供,而且该限值一旦设定,则其在整个电压和温度范围内的波动幅度将小于 5%。IMAX 引脚是一个特别设计的电流反射镜器件的集电极,可提供大约为输出电流 1/200 的电流。该引脚同时也是精准限流放大器的输入端。在 IMAX 和 GND 之间连接一个电阻器 (RI (MAX)),用于设定短路检测和可编程电流限制门限。限流放大器电路执行两项功能。第一项功能是:如果 IMAX 引脚电压达到 600mV,则它将确定集电极开路 /FAULT 引脚逻辑电平。第二项功能是:它将调节输出驱动电流以使 IMAX引脚电压不超过 600mV,从而将输出电流限制为 0.6V•200/RI (MAX)。

 
图 5:LT3050 方框图

可编程开路检测门限在 IMIN 引脚上提供。IMIN 引脚是一个特别设计的电流反射镜器件的集电极,可提供大约为输出电流 1/200 的电流。该引脚同时也是参考于 600mV 内部基准的开路检测比较器的输入端。在 IMIN 和 GND 之间连接一个电阻器,用于设定开路检测门限。如果 IMIN 引脚电压降至 600mV 以下,则比较器将发生跳变且 /FAULT 引脚电平被确定。该比较器采用了少量迟滞以防止发生 /FAULT 引脚干扰。
图 6 示出了一种典型的 LT3050 应用电路配置 —— 用作一个有源天线电源。为直观起见,电流限值、开路故障门限值、输出电压等是任意选择的。在本例中,由 11.3k 的 IMIN 电阻器将开路检测门限设定为 10mA。1.15k 的 IMAX 电阻器将短路故障门限和电流限值设定为 100mA (需要采用一个 10nF 的 IMAX 电容器,以实现限流放大器的稳定性)。当输出电流等于 100mA 时,3k 的 IMON电阻器将提供一个 3V 全标度信号。10nF 的 REF/BYP 电容器实现了一个 5.5ms 的软起动时间和低噪声操作。
 
图 6:LT3050 有源天线电源电路

结论
由于汽车信息娱乐组件变得越来越复杂,因此有源天线系统的数目也有所增加。这些有源天线系统中的敏感电路需要针对严酷汽车环境的保护和隔离功能、和诊断反馈以报告天线状态。
凭借诸如可编程电流限值、软起动、开路检测、输出电流监视器和集电极开路故障信号等特点,LT3050 有源天线电源和诊断线性稳压器解决了有源天线设计难题。LT3050 还具有一个宽输入电压范围、低静态电流、大带宽范围内的低输出噪声、高输出电压准确度、低压差电压以及承受输入和输出电压反转的能力。
LT3050 的稳定性和低噪声输出也有益于最终用户,可利用较干净和更加可靠的天线发送/接收信号来提升现代汽车的信息娱乐体验。