Как сделать формирователи сигналов датчиков MAX1452/MAX1455 малочувствительными к недостаткам источника питания

Описание

В состав микросхем MAX1452/MAX1455
входят цепи сброса при включении питания,
гарантирующие, что все цифровые цепи будут установлены в надлежащее состояние после включения питания или после его кратковременных перебоев. Цепи сброса непрерывно контролируют напряжение питания
и удерживают цифровые логические цепи
в исходном состоянии до тех пор, пока напряжение питания не достигнет допустимого рабочего уровня. MAX1452/MAX1455 работают
от двух источников питания: V_DD, предназначенного для питания всех цифровых и аналоговых цепей, и V_DDF , который обеспечивает питание встроенного ЭППЗУ. При работе
на системном уровне V_DD и V_DDF соединяются между собой либо напрямую, либо через
резистор (как описано далее).

В типовой схеме применения на входе V_DDF
включается внешняя RC-цепь (сопротивление
между V_DD и V_DDF и конденсатор между входом V_DDF и цепями общего провода). Необходимость использования RC-цепи вызвана
тем, что по соображениям экономичности
и компактности источник питания V_DD микросхемы обычно имеет ограниченный выходной ток, который не позволяет поддерживать напряжение питания V_DD на допустимом уровне во время работы встроенного
ЭППЗУ. В результате при производстве и/или
работе устройства могут возникнуть недопустимые перебои напряжения питания микросхемы. Одним из результатов таких перебоев является включение микросхемы в неправильном режиме работы: вместо необходимого аналогового режима работы микросхема
включается в цифровом режиме. Обычно это
вызвано тем, что подача напряжения питания V_DDF значительно запаздывает относительно напряжения V_DD. Это приводит к нестабильному считыванию регистра управления устройством во флэш-памяти. Вторым
результатом могут стать выходные шумы,
вызванные проникновением пульсаций напряжения питания V_DD на выход устройства.
И, наконец, после выполнения операции записи может быть нарушен процесс перезарядки ячеек ЭППЗУ. Конечно, ни одна из
этих проблем не возникает, если используется источник питания с достаточным запасом
по выходному току.

История вопроса

В состав микросхем MAX1452/MAX1455
входит ЭППЗУ, предназначенное для хранения калибровочных коэффициентов и информации о конфигурации устройства. В зависимости от режима работы ЭППЗУ ток, потребляемый от источника питания V_DDF,
может меняться от 7 до 25 мА. В активном состоянии ЭППЗУ может работать в одном из
трех рабочих режимов: чтение, запись и стирание. При разработке устройства для его калибровки и тестирования (в цифровом режиме) используются как режим записи, так
и режим стирания. После окончания производства устройство блокируется (переключается в аналоговый режим работы), и в дальнейшем могут выполняться только операции
чтения ЭППЗУ. Необходимо отметить, что
большие уровни потребляемого тока, связанные с операциями записи и стирания, возникают только в процессе производства, и нет
никакой необходимости учитывать их при
нормальной работе готового устройства.

В процессе производства, во время калибровки и тестирования устройства, от источника питания V_DDF может поступать ток,
достигающий 25 мА. При операции стирания потребляемый ток составляет 25 мА на
протяжении 1 мкс, после чего он снижается
до 16 мА и продолжает протекать на протяжении 5 мс. При каждой операции записи
на протяжении 1 мкс потребляемый ток составляет 25 мА, после чего на протяжении
следующих 80 мкс потребляемый ток не превышает 16 мА.

В нормальном режиме работы каждые
10 мс выполняются 10 циклов чтения, они
предназначены для загрузки или обновления
регистров калибровочных коэффициентов
и регистра состояния. При каждом цикле чтения на протяжении 1 мкс потребляемый ток
составляет 7 мА, после чего в течение 1 мкс
ток не потребляется. При следовании таких
10-кратных пакетов операций чтения с периодичностью 1 мс средний потребляемый ток
на выводе V_DDF составляет незначительную
величину.

В устройствах, использующих микросхемы MAX1452/MAX1455, источник питания
должен обеспечивать нагрузочную способность, необходимую для выполнения операций с ЭППЗУ (особенно при работе в режиме выходной токовой петли 4–20 мА).
При недостаточном выходном токе напряжения питания V_DD и V_DDF могут опуститься
ниже минимального значения 4,5 В, гарантирующего сохранение работоспособности
устройства.

При выполнении операций чтения внутреннего ЭППЗУ на выводе V_DDF возникают
пульсации напряжения. При маломощном
источнике питания эти пульсации могут проникать на вывод V_DD и привести к повышенному значению выходного шума. Поскольку
цепи питания V_DD и V_DDF на кристалле микросхемы разделены и используют отдельные
выводы корпуса, становится возможным применять для фильтрации напряжения питания внешнюю RC-цепь, позволяющую снизить проникновения нежелательных пульсаций напряжения на вывод V_DD. Однако при
выборе номиналов элементов RC-фильтра
необходимо удовлетворить противоречивые
требования. С одной стороны, сопротивление резистора R должно быть достаточно велико, чтобы предотвратить проникновение
пульсаций потребляемого тока при выполнении операций чтения ЭППЗУ на вывод V_DD.
С другой стороны, сопротивление R должно
быть достаточно мало, чтобы напряжение на
выводе V_DDF при включении устройства не
сильно отставало от напряжения на выводе
V_DD и не приводило бы к проблемам при запуске устройства. Конечно, правильный выбор значения емкости конденсатора C не менее важен, и существует некоторое оптимальное сочетание значений R и C. Но даже это
оптимальное соотношение не соответствует
всем противоречивым условиям.

Добавление диода
для устранения недостатков,
вызванных использованием
маломощного источника питания

Рисунок. Типовая схема применения MAX1452 с дополнительным диодом Шоттки, позволяющим избежать проблем,
связанных с напряжением питания на выводе VDDF

Чтобы для фильтрации пульсаций напряжения питания можно было использовать
RC-цепь и устранить связанные с ее использованием недостатки, достаточно добавить
в схему диод Шоттки, включенный между
выводами V_DD и V_DDF параллельно резистору RC-фильтра (рисунок). Прямое падение
напряжения на диоде Шоттки должно быть
меньше падения напряжения на паразитном
диоде между выводами V_DD и GND. Но падение напряжения должно быть достаточно велико, чтобы при нормальной работе он не
проводил ток даже при максимальной рабочей температуре. В качестве такого диода был
проверен диод Шоттки BAT54 с прямым падением напряжения 300 мВ при температуре
+25 °С. Такой диод, включенный между выводами V_DD и V_DDF обеспечивает следующие
преимущества:

• Решение проблем при запуске устройства.
  Напряжение на выводе V_DDF достаточно
  точно соответствует напряжению на выводе V_DD: они отличаются не более чем на
  значение прямого падения напряжения на
  диоде (<300 мВ). Следовательно, когда напряжение на выводе V_DD достигает уровня
  отключения цепей сброса при подаче напряжения питания, напряжение на выводе V_DDF уже достигнет уровня, необходимого для безошибочного считывания регистра управления, и обеспечивается старт
  устройства в правильном режиме.
• Снижение выходного шума. При добавлении диода становится возможным значительно увеличить емкость конденсатора
  фильтра C (для обеспечения питания V_DDF
  при операциях чтения ЭППЗУ необходимо значение емкости не менее 0,47 мкФ)
  и сопротивление резистора R (обычно 1 кОм).
  Большая постоянная времени может использоваться без присущих ей проблем,
  связанных с запуском устройства. Независимо от постоянной времени RC-фильтра напряжения на выводах V_DD и V_DDF не могут
  отличаться более чем на значение прямого
  падения напряжения на диоде (<300 мВ).
  Без использования диода слишком большое значение емкости C привело бы к значительной задержке подачи напряжения
  питания V_DDF при старте устройства и к связанным с этим проблемам запуска. Однако слишком малое значение C привело бы
  к значительным пульсациям напряжения
  на выводе V_DD, вызывающим увеличение
  шумов на выходе микросхемы.
• Улучшенные условия перезарядки ячеек
  ЭППЗУ. Это вызвано тем, что при напряжении питания V_DD = 5 В напряжение на
  выводе V_DDF всегда остается выше минимального допустимого значения 4,5 В.

За дополнительной информацией обращайтесь к официальным дистрибьюторам Maxim
в России (www.maxim-ic.ru/contact).