图1. 包含5V和12V器件的1-Wire总线
保护电路要求
合适的保护电路需要满足以下几项要求:- 对1-Wire总线形成非常低的负载
- 不妨碍1-Wire EPROM编程
- 适当保护5V 1-Wire器件
- 维持完整的通信信号幅值
基本原理
图2所示为非常简单的保护电路。齐纳二极管U1限制Q1的栅极电压,R1限制通过U1的电流。Q1为n沟道MOSFET,配制成源极跟随器,栅极电压减去一个小的偏移电压后达到1-Wire从器件的IO电压。为维持完整的通信信号幅值,偏移电压应尽可能低。具有负偏压的耗尽型MOSFET非常适合这一应用。对Supertex® DN3135进行测试,测得其偏压为-1.84V (数据资料参数VGS(OFF))。由此,要求栅极电压VG为3.16V,决定了U1的门限电压。图2. 保护电路原理图
不幸的是,晶体管的偏移电压随器件、温度的不同而变化。“-1.84V”电压可能变化成-3.5V至室温下-1.5V之间的任何值。这种变化使得很难找到合适的齐纳二极管。此外,低压齐纳二极管指标通常为5mA下的指标,该电流将会影响1-Wire EPROM的编程电压。例如,如果工作于100µA,压降则远远低于规定门限。此时,可能选择并联型基准(与齐纳二极管非常相似)更合适,可以在电流非常小的条件下达到门限电压。例如,3.3V供电的MaximLM4040,只需67µA电流就能可靠地达到反向击穿电压。根据1-Wire总线在5V时达到67µA电流的要求,可计算得到:R1 = (5V - 3.3V)/67µA = 25.4kΩ。1-Wire总线上大约10个从器件消耗的电流为67µA,这是1-Wire主控器件(例如DS2480B)可以接受的。现在,我们检查12V编程脉冲器件通过R1的电流:
1-Wire EPROM的编程电流规定为10mA。额外增加1/3mA的负载不会产生任何问题。因此,图2所示电路在MOSFET偏移电压接近-1.8V时能够工作,但并不保证如此。实际应用中,最好提供可调节门限的保护电路。
I(R1) = (12V - 3.3V)/25.4kΩ = 343µA (式1)
利用电流源实现可调节门限 图3电路使用电流源(U1)设置Q1的最大栅极电压。理想电流源所提供的电流不受其两端电压的影响。给定电流IOUT时,可通过选择不同的R1调节栅极电压。
图3. 利用电流源改进保护电路
NXP® PSSI2021SAY是一款通用的单芯片电流源(图4)。器件具有4个端子,分别称为VS、IOUT、GND和REXT。如果安装了REXT,则与内部48kΩ标称电阻并联。
图4. 改进后的保护电路
根据产品数据资料,IOUT计算如下:
式中,REXT = 10kΩ,REXT并联内部48kΩ电阻,根据PSSI2021SAY数据资料,典型电流为(61.7 + 15)µA = 76.7µA。输出电流在一定程度上取决于供电电压VS,尤其供电电压小于5V的条件下。测试中,3.75V下,电流达到了76.7µA。12V时,电流为94µA。由于芯片设计简单,这种结果也在接受范围之内。
IOUT = 0.617/REXT(Ω) + 15µA (式2)
采用REXT = 10kΩ、R1 = 39kΩ,对图4所示电路进行测试。1-Wire适配器为Maxim的DS9097U-E25。图5和图6所示为1-Wire适配器信号(顶部曲线)和受保护从器件的信号(下部曲线)。编程脉冲(图6)在受保护从器件上引起±3V尖峰,持续时间约为10µs。编程脉冲期间,受保护从器件的电压升至6V,可能存在潜在危险。
图5. 通信波形:适配器(上部)、受保护从器件(下部)。图4所示电路未造成1-Wire信号失真。
图6. 编程脉冲:适配器(上部)、受保护从器件(下部)。
PSSI2021SAY的缺点是消耗的电源电流相当高。12V时,包括IOUT的15µA,电流高达370µA。除了可调节功能,采用PSSI2021SAY电路并不比图2方案更好。
基于带隙基准和分立电流源实现可调门限 PSSI2021SAY数据资料介绍了电路的基本原理,主要缺点是其内部基准电压,该基准由两个串联二极管的正向导通电压提供。如果使用带隙基准代替正偏二极管,可以获得更好的性能。图7所示电路等效于PSSI2021SAY,耗流更小,一旦带隙基准达到其正常工作电流,电流几乎与电压无关。
图7. 带有带隙基准的保护电路
晶体管Q2、带隙基准U1及电阻R2、R3代替PSSI2021SAY。R3选择100kΩ,带隙基准在IO为2.2V时达到其最小工作电流。IO为5V时,流过U1的电流为38µA;IO电压为12V时,电流为108µA。
根据基尔霍夫定律,可以得到以下关系式:
对于通用pnp晶体管,例如2N3906,VEB在室温及低集电极电流下的典型值为0.6V。已知VBG为1.235V,所以该式可分解为:
VBG = IE × R2 + VEB (式3)
为了达到与PSSI2021SAY电路相同的标称电流(76.7µA),计算得到R2为8.2kΩ。Q1与图2相同时,VG必须为3.2V。忽略Q2的基极电流,IC等于IE。可计算R1:
R2 = (VBG - VEB)/IE = (1.235V - 0.6V)/IE = 0.635V/IE (式4)
为降低1-Wire主控的总体负载,需降低电流源的输出电流,将R1和R2增大4倍(R2 = 33kΩ,R1 = 160kΩ),使电流降至19µA,形成的最大栅极电压为3.08V。实际应用中,需要调节R1,以补偿MOSFET的VGS(OFF)容差。如果1- Wire从器件的电压严格匹配V(IO),则认为找到了合适的数值。
R1 = VG/IC = 3.2V/76.7µA = 41.7kΩ (式5)
用National Semiconductor®的LM385代替Linear Technology®的LT1004 (市场上不常见),对图7电路进行测试。1-Wire适配器为Maxim DS9097U-E25。图8和图9所示为1-Wire适配器信号(上部曲线)和受保护从器件的信号(下部曲线)。编程脉冲(图9)在从器件上产生约10µs的尖峰(2V上升,1.5V下降)。该电路与图4相比,能够获得更好的性能。编程脉冲期间,受保护从器件的电压仅上升至5V电平。
图8. 没有C1时的通信波形:适配器信号(上部)、受保护从器件(下部)。
图9. 没有C1时的编程脉冲:适配器信号(上部)、受保护从器件(下部)。
为了减小编程脉冲引起的尖峰,安装100pF C1。图10和图11为测试结果。通信波形发生轻微失真。尖峰幅值减小(1.4V上升,1.2V下降)。相对于图9,电压不会低于3V。Q1源极至GND之间的5.1V低功耗齐纳二极管,例如BZX84,可箝位上升尖峰,但不影响下降尖峰。
图10. 安装C1时的通信波形:适配器信号(上部)、受保护从器件(下部)。
图11. 安装C1。编程脉冲:适配器信号(下部)、受保护从器件(上部)。
保护门限
图7电路可承受的IO与GND之间的最大电压由以下因素决定:- U1的最大安全电流
- Q2的VCE击穿电压
- Q1的VGD和VDS击穿电压
总结
如果能够保护5V器件不受编程脉冲的冲击,则可以在同一总线上使用1-Wire EPROM和5V 1-Wire器件。图2所示简单保护电路一定条件下可以起到保护作用,但MOSFET的栅极至源极关断电压的变化范围很宽,所以并非最佳选择,需要采用“匹配”的晶体管和并联基准。图4所示电路可调节补偿MOSFET的容限,但对1-Wire主控器件形成了较大负载。由于PSSI2021SAY耐压高达75V,该电路具有高达75V的保护能力。图7所示电路的功能类似于图4,但可获得更好的性能,对1-Wire主控器件形成的负载也低得多。其保护电压为40V,受限于Q2。通过选择具有较高VCE击穿电压的晶体管,可提高保护水平。
上一篇:创新器件有效应对电路保护挑战
下一篇:可程控核能谱信号放大器设计
推荐阅读最新更新时间:2023-10-18 16:32
Vishay线上图书馆
- 选型-汽车级表面贴装和通孔超快整流器
- 你知道吗?DC-LINK电容在高湿条件下具有高度稳定性
- microBUCK和microBRICK直流/直流稳压器解决方案
- SOP-4小型封装光伏MOSFET驱动器VOMDA1271
- 使用薄膜、大功率、背接触式电阻的优势
- SQJQ140E车规级N沟道40V MOSFET
- MathWorks 和 NXP 合作推出用于电池管理系统的 Model-Based Design Toolbox
- 意法半导体先进的电隔离栅极驱动器 STGAP3S为 IGBT 和 SiC MOSFET 提供灵活的保护功能
- 全新无隔膜固态锂电池技术问世:正负极距离小于0.000001米
- 东芝推出具有低导通电阻和高可靠性的适用于车载牵引逆变器的最新款1200 V SiC MOSFET
- 【“源”察秋毫系列】 下一代半导体氧化镓器件光电探测器应用与测试
- 采用自主设计封装,绝缘电阻显著提高!ROHM开发出更高电压xEV系统的SiC肖特基势垒二极管
- 艾迈斯欧司朗发布OSCONIQ® C 3030 LED:打造未来户外及体育场照明新标杆
- 氮化镓取代碳化硅?PI颠覆式1700V InnoMux2先来打个样
- 从隔离到三代半:一文看懂纳芯微的栅极驱动IC
- CGD和Qorvo将共同革新电机控制解决方案
- 是德科技 FieldFox 手持式分析仪配合 VDI 扩频模块,实现毫米波分析功能
- 贸泽开售可精确测量CO2水平的 英飞凌PASCO2V15 XENSIV PAS CO2 5V传感器
- 玩法进阶,浩亭让您的PCB板端连接达到新高度!
- 长城汽车研发新篇章:固态电池技术引领未来
- 纳芯微提供全场景GaN驱动IC解决方案
- 解读华为固态电池新专利,2030 叫板宁德时代?
- 让纯电/插混车抓狂?中企推全球首款-40℃可放电增混电池,不怕冷
- 智驾域控知多少:中低端车型加速上车,行泊一体方案占主体
- Foresight推出六款先进立体传感器套件 彻底改变工业和汽车3D感知