要約

このアプリケーションノートは、設計者が正しい外付け部品を選択し、自動車用アンテナ検出回路の性能目標を満たす上で役立ちます。文中の計算式では、MAX16913/MAX16913Aリモートアンテナ電流検出アンプおよびスイッチに重要な外付け部品の指定方法について詳しく説明しています。文中の計算式を利用する事により、デバイスの動作範囲とアナログ出力電圧の精度も算定することができます。計算例を示して説明します。

はじめに

MAX16913/MAX16913A (図1)は、車載アプリケーションでリモート無線アンテナにファントム電源を供給する、高精度な電流検出アンプ(CSA)およびスイッチです。さらに、MAX16913/MAX16913Aは、短絡保護、電流制限保護、オープン負荷検出の各機能を提供します。設計技術者は、これらのアンテナ検出回路が性能目標を満たすように、設計時に正しい外付け部品を選択する必要があります。

アンテナアプリケーションでCSAおよびスイッチを利用する場合、設計者は、オープン負荷、正常動作、短絡、電流制限の動作範囲を算定しなければならないことがよくあります(図2)。さらに、CSAのアナログ出力電圧の精度も検証する必要があります。

図1. MAX16913AリモートアンテナCSAおよびスイッチの標準動作回路

図2. これらのCSAの動作範囲

このアプリケーションノートでは、オープン負荷スレッショルド(検出範囲)の許容誤差を設定するため、検出抵抗と抵抗分圧器の計算式を説明します。外付け部品とMAX16913/MAX16913Aの両方の許容誤差を考慮した上で、性能を最大限に引き出すため適切な許容誤差範囲を計算します。計算式はこちらで入手できます。以下に計算例を説明します。

必要な検出抵抗の計算

理論的には、最大動作電流によって電流検出抵抗R_SENSの両端にフルスケール検出電圧が生じます(図1)。INとSENS間の差動電圧が最小フルスケール検出電圧(87mV)*を超えないように、R_SENSの最大値を計算します。

しかし、抵抗には必ず許容誤差があるため、実際の抵抗値が定格許容誤差だけ高くなり、デバイスが短絡を誤検出する可能性があります。抵抗の定格許容誤差を考慮に入れて、公称最大抵抗値を次のように計算することができます。

短絡電流検出範囲の計算

公称検出抵抗を選択しました。次に、短絡検出時の検出抵抗を流れる電流の標準値は、次のように計算することができます。

しかし、V_SCとR_SENSが相関関係のない(最小値と最大値が互いに無関係に変化する)許容誤差を持つため、追加的な誤差を考慮する必要があります。そのため、ワーストケースの短絡電流検出範囲は、次のとおりです。

電流制限範囲の計算

短絡電流検出範囲の場合と同様、電流制限範囲の標準値は、次のとおりです。

V_LIMとR_SENSの許容誤差に相関関係がないことを考慮して、検出抵抗を通じたワーストケースの電圧制限範囲は、次のように計算することができます。

オープン負荷検出範囲の計算

この手順は、MAX16913とMAX16913Aで異なります。

MAX16913の場合

MAX16913のオープン負荷検出スレッショルド(アクティブローOL)は、内部的にV_OLT = 0.66Vに設定されます*。1Ωの抵抗器を使用した場合の対応する電流範囲は、10mA (min)、20mA (typ)、30mA (max)とデータシートに規定されています。これらの値には、オープン負荷コンパレータ、ゲインアンプ、および外付け検出抵抗(1Ω)の許容誤差が含まれています。

別の検出抵抗を使用してオープン負荷検出範囲を算定するには、まず与えられた電流レベルを電圧に変換する必要があります。

オープン負荷電流スレッショルドの許容誤差と検出抵抗の許容誤差も考慮して、オープン負荷検出の電流範囲を計算します。

ワーストケースのオープン負荷検出範囲は、I_OL(MIN)とI_OL(MAX)の間になります。

MAX16913Aの場合

MAX16913Aのオープン負荷スレッショルドは、REF、OLT、GND間の抵抗分圧器を使用して、外部で調整することができます。そのため、最初の作業は、外付け抵抗分圧器を指定することです。

外付け抵抗分圧器の指定
まず、次の式を使用して、OLTピンで必要とされる電圧を選択し、目的の公称OLスレッショルドを設定します(OLTピン位置、図1)。

V_OLT(V) = I_OLT(A) × R_SENS(Ω) × A_V(V/V) + 0.133 × V_REF

R₂/R₁ = V_OLT/(V_REF × (1 - V_OLT/V_REF))

オープン負荷スレッショルド電圧範囲の算定
R1とR2の基準抵抗値を定義しました。次に、V_REFと抵抗R1およびR2の許容誤差に相関関係がないことを考慮して、オープン負荷ピンのワーストケースの電圧範囲V_OLTwは、次のように計算することができます。

ワーストケースのオープン負荷電流検出範囲の算定
これまでに、V_OLTw(MIN)とV_OLTw(MAX)を計算しました。次に、REF出力電圧V_REF、検出抵抗R_{SENS_P(NOM)}、および利得AVの許容誤差を考慮して、オープン負荷検出(アクティブローOL)時のワーストケースの電流範囲は、次のように計算することができます。

A_OUT電圧測定によるR_SENS電流の評価

A_OUTの精度

特定の検出抵抗R_SENSと、それを流れる一定の電流I_SENSを使用して、電流検出アンプの出力A_OUT (マイクロコントローラのアナログ-デジタルコンバータ(ADC)など)で測定したワーストケースの電圧値範囲を計算することができます。A_{OUT_Z}と検出抵抗R_SENSの相関関係のない許容誤差も考慮します。したがって、次の結果が得られます。

V_AOUT(MIN)(V) = A_{OUT_Z(MIN)}(V) + A_V(MIN)(V/V) × R_SENS(MIN)(Ω) × I_SENS(A)

V_AOUT(MAX)(V) = A_{OUT_Z(MAX)}(V) + A_V(MAX)(V/V) × R_SENS(MAX)(Ω) × I_SENS(A)

言い換えると、検出した電流から、V_AOUT(MIN)とV_AOUT(MAX)間におけるワーストケースのA_OUT電圧の変化が求められます。

上記のワーストケースの電圧レベルを選択し、それらの電圧から電流を逆算するマイクロコントローラのソフトウェアを使用して、次のように計算することができます。

したがって、アナログ出力電圧を使用して、検出抵抗を流れる特定の電流を測定すると、マイクロコントローラのADCでは、I_{EVALUATED(MIN)}とI_{EVALUATED(MAX)}の間で電流値が得られます。

電流測定の許容誤差I_TOLは、次のとおりです。

計算例

これらの計算例では、正常動作範囲(I_{LOAD(FULL-SCALE)})の上端が100mAであるアンテナのファントム電源アプリケーションを仮定しています。その場合、必要な検出抵抗の最大値は、次のとおりです。

次に、短絡検出の標準電流値は、次のように計算することができます。

V_AOUT(MIN)(V) = A_{OUT_Z(MIN)}(V) + A_V(MIN)(V/V) × R_SENS(MIN)(Ω) × I_SENS(A) = 340mV + 12.87(V/V) × 0.837Ω × 100mA = 1.417V

V_AOUT(MAX)(V) = A_{OUT_Z(MAX)}(V) + A_V(MAX)(V/V) × R_SENS(MAX)(Ω) × I_SENS(A) = 460mV + 13.13(V/V) × 0.853Ω × 100mA = 1.58V