CS8140/1是5V，500mA线性调节器，带启动和看门狗

特征

■5V±4%，500mA输出电压

■与μP兼容的控制功能看门狗启用

■低压差（1.25V@500mA）

■低静态电流（7mA@500mA）

■低噪音、低漂移

■低电流睡眠模式（IQ=250μA）

■故障保护

-热关机

-短路

-60V峰值瞬态

-电压

说明

CS8140是一个5V看门狗调节器，带有保护电路和三个逻辑控制功能，允许微处理器控制自己的电源。CS8140设计用于汽车、开关电源、后调节器和电池供电系统。

调压器的基本性能特征包括低噪声、低漂移、5V±4%的精确输出电压、低压降（1.25V@IOUT=500mA）和低静态电流（7mA@IOUT=500mA）。板上短路、热保护和过电压保护使得在特别恶劣的工作环境中使用该调节器成为可能。

看门狗逻辑功能监控来自微处理器或其他信号源的输入信号（WDI）。当信号频率超出外部可编程窗口极限时，产生一个信号（）。外部电容器（CDELAY）对看门狗win  dow频率限制以及上电复位（POR）和延迟。那个该功能由以下三种情况之一激活：看门狗信号超出其预设限值；输出电压超出调节范围超过4.5%；或IC处于通电顺序。信号与车辆识别号（VIN）无关，可靠度低至VOUT=1V。

启用功能与看门狗一起控制调节器的功耗。CS8140的输出级及其伴随电路是通过将使能引线设置为高电平来启用的。当low limits（low limits）时，low（导联）信号进入low limits（low limits）时，low（导联）调节器进入low limits（启动外窗调节器）模式。CS8140中控制功能的独特组合使微处理器能够控制其自身的断电顺序：即，它使微处理器在断电前能够灵活地执行管理功能。

CS8141具有与CS8140相同的功能，只是CS8141只响应低于预设看门狗频率阈值的输入信号（WDI）。

方块图

典型性能特征

术语定义

跌落电压

输入输出电压差，当输入电压进一步降低时，电路停止调节。当输出电压从14V输入时的标称值下降100毫伏时，电压跌落取决于负载电流和结温。

输入电压

输入端子相对于地的直流电压。

线路调节

输入电压变化时输出电压的变化。测量是在低功耗条件下进行的，或者使用脉冲技术，使得平均芯片温度不受显著影响。

负荷调节

在恒定芯片温度下，由于负载电流的变化而引起的输出电压的变化。

静态电流

正输入电流中不产生正负载电流的部分。调节器接地导线电流。

纹波抑制

峰值输入纹波电压与峰值输出纹波电压之比。

电流限制

可以传送到输出端的峰值电流。

电路描述

电压基准和输出电路

精密电压基准

输出电压的调节依赖于集成电路中精确的带隙基准电压。通过在反馈回路中添加误差放大器，输出电压在温度和电源变化范围内保持在-4%以内。

输出级

复合PNP-NPN输出结构（图1）提供500mA（最小）的输出电流，同时保持较低的压降（1.25V）和很少的静态电流（7mA）。

NPN通流器件防止了输出级的深度饱和，这反过来又通过防止过多电流被IC使用和耗散来提高IC的效率。

输出级保护

输出级受到过电压、短路和热失控条件的保护（图2）。

如果输入电压上升到30V以上（例如，甩负荷），则输出关闭。此响应保护内部电路并使IC能够经受意外的电压瞬变。

使用发射极感应方案，通过NPN通晶体管的电流量被监控。反馈电路确保输出电流不会超过预设的限制。

如果功率器件的结温超过180℃。由于功率晶体管是集成电路的主要热源，热关机是防止芯片过热的有效手段。

调节器控制功能

CS8140不同于所有其他线性调节器在其独特的组合控制功能。

看门狗和启用功能

VOUT由逻辑函数ENABLE和Watchdog控制（表1）。

图3：看门狗和启用函数的时序图

3a:VOUT当看门狗保持在高位并且启用=高。

3b:VOUT当看门狗保持在低位并且启用=高。

3c:VOUT当看门狗太慢并且ENABLE=HIGH时。

3d:VOUT当看门狗太快并且启用=高。

3e:WDI在正常运行后保持在高水平；启用=低。

3f:WDI在正常运行时间后保持低或太慢；启用=低。

3g:WDI频率在正常运行一段时间后上升到频率上限以上；启用=低（仅适用于CS8140）。

只要ENABLE高或ENABLE低且看门狗信号正常，VOUT将为5V（典型值）。如果ENABLE（启用）低且看门狗信号超出可编程限制，则输出晶体管关闭，IC进入休眠模式。只有IC中的使能电路保持通电，静态电流为250 a。

看门狗监视输入的WDI信号的频率。如果信号落在WDI窗口之外，则在复位导线（图3）处产生频率可编程脉冲串，直到在该导线处重新出现正确的看门狗输入信号（ENABLE=HIGH）。

看门狗功能的窗口阈值下限和上限由CDELAY的值设置。根据CS8140的以下方程式确定限值：

对于CS8141，下限由上述（a）中的方程式确定。

电容器CDELAY还可以确定复位信号的频率和上电复位（POR）延迟时间。

重置复位功能

当看门狗信号超出其预设窗口（图3）、调节器处于通电状态（图4a）或当VOUT降至低于VOUT-4.5%超过2μs时（图4b），该功能激活。

如果看门狗信号超出预设的电压和频率窗口，则在引线处产生频率可编程脉冲串（图3），直到正确的看门狗输入信号重新出现在引线上。脉冲持续时间由CDELAY根据以下等式确定：

复位电路波形并显示延迟

如果存在欠压情况，复位导线上的电压变低，延迟电容器CDELAY放电。保持低电平，直到输出处于调节状态，CDELAY上的电压超过开关阈值上限，并且看门狗输入信号在其设置的窗口限值内（图4）。输出调节后的延迟为：

延时电路也用外盖CDELAY编程。

复位电路的输出是集电极开路NPN.重置为了避免延迟，比较器的操作延迟都是由延迟控制的。

申请须知

CS8140设计实例

CS8140以其独特的集成线性调节器和控制功能：使能和看门狗，为微处理器电源提供了单一的IC解决方案。复位延迟、复位持续时间和看门狗频率限值均由单个电容器决定。对于一个特定的微处理器，最重要的要求通常是复位延迟（也称为上电复位）。电容器的选择满足了这一要求，复位持续时间和看门狗频率也随之变化。

重置延迟由以下公式给出：

必须假定最小延迟为200ms。

根据CS8140数据表，由于调节器，复位延迟具有±37%公差。

假设电容器公差为±10%。

最接近的标准值为0.82μF。

使用0.82μF的最小和最大延迟为220ms和586ms。

申请须知

复位脉冲的持续时间由以下公式给出：

由于IC，公差为±50%，电容公差为±10%。

复位脉冲的持续时间从3.69ms到13.5ms。

看门狗信号可以用频率或时间来表示。从程序员的角度来看，时间更有用，因为他们必须确保一个看门狗信号每秒连续发出几次。

最大和最小看门狗时间由以下公式给出：

由于CS8140，公差为±20%。

电容器公差为±10%：

必须编写软件，使看门狗信号至少每76毫秒到达一次，但不比每41毫秒快（图5）。

CS8141与CS8140相同，只是CS8141的看门狗频率较低门槛值使用这个部分的设计者只需要关心tWDI（下部），如图6所示。

节能和智能功能

节能是使用集成微处理器控制功能的调节器的另一个好处。使用图8所示的CS8140或CS8141，微处理器可以控制自己的断电顺序。瞬时接触开关迅速为C1至R1充电。

当C1上的电压达到3.95V（启用阈值）时，输出接通，VOUT上升到5V。经过CDelay确定的延迟时间后，在复位输出处产生频率可编程的复位脉冲串。脉冲序列继续，直到正确的看门狗信号出现在WDI导线上。C1现在通过使能导线的输入阻抗（约150k‰）放电，使能信号消失。只要CS8140继续接收正确的看门狗信号，输出电压就保持在5V。

微处理器可以通过终止它的看门狗信号来关闭自己的电源。当微处理器完成它的内务处理或关机软件程序时，它停止发送看门狗信号。作为响应，调节器产生一个复位信号并进入休眠模式，此时VOUT降至0V，从而关闭微处理器。

稳定性考虑

图7中的输出或补偿电容C2有助于确定线性调节器的三个主要特性：启动延迟、负载瞬态响应和回路稳定性。

电容器的值和类型应基于成本、可用性、尺寸和温度限制。钽或铝电解电容器是最好的，因为几乎零ESR的薄膜或陶瓷电容器会导致不稳定。铝电解电容器是最便宜的解决方案，但是，如果电路在低温（-25℃到-40℃）下工作，电容器的值和ESR都会有很大的变化。电容器制造商的数据表通常提供此信息。

图7中的输出电容器C2的值应该适用于大多数应用，但是它不一定是优化的解决方案。

为了确定特定应用的C2可接受值，从推荐值的钽电容器开始，然后寻找更便宜的替代部件。

第1步：将带有推荐值的钽电容器的完整电路放置在最低规定工作温度的环境室中，并用示波器监测输出。与电容器串联的十进箱将模拟铝电容器的较高ESR。把十进位箱放在试验箱外面，较长导线所增加的小电阻可以忽略不计。

第2步：当输入电压达到最大值时，缓慢地将负载电流从零增加到满载，同时观察输出是否有任何振荡。如果没有观察到振荡，电容器足够大，以确保在稳态条件下的稳定设计。

应用程序关系图

第3步：使用十进位箱从零开始增加电容器的ESR，并改变负载电流，直到出现振荡。记录引起最大振荡的负载电流和ESR值。这表示调节器在低温下的最坏情况负载条件。

第4步：维持步骤3中设置的最坏情况负载条件，并改变输入电压，直到振荡增加。此点表示最坏情况下的输入电压条件。

第5步：如果电容器足够，对下一个较小值的电容器重复步骤3和4。较小的电容器通常成本更低，占用的板空间也更少。如果输出在预期的工作条件范围内振荡，用下一个较大的标准电容值重复步骤3和4。

第6步：通过切换不同频率的负载来测试负载的瞬态响应，以模拟其真实的工作环境。改变ESR以减少响铃。

第7步：从环境室中取出装置，并用热风枪加热IC。按照步骤5中的说明改变负载电流，以测试是否存在任何振荡。

一旦发现具有最大ESR的最小电容值，应添加安全系数，以考虑电容器的公差和调节器性能的任何变化。大多数优质铝电解电容器的公差为+/-20%，因此应将发现的最小值至少增加50%，以允许该公差加上低温下发生的变化。电容器的ESR应小于上述步骤3中最大允许ESR的50%。

单输出线性稳压器的功耗计算

单个输出调节器（图9）的最大功耗为：

其中：VIN（max）是最大输入电压，VOUT（min）是最小输出电压，IOUT（max）是应用的最大输出电流，以及IQ是调节器在IOUT时消耗的静态电流（max）。

一旦已知PD（max）的值，可以计算RQJA的最大允许值：

RQJA的值可以与数据表的包装部分中的值进行比较。RQJA小于公式2中计算值的包装将使模具温度保持在150°C以下。

在某些情况下，任何封装都不足以散热IC产生的热量，因此需要外部散热片。

散热器

散热片有效地增加了封装的表面积，以改善从集成电路到周围空气中的热量流动。

在IC和外部环境之间的热流路径中的每种材料都会有一个热阻。与串联电阻一样，这些电阻相加可确定RQJA的值：

其中：RQJC=结-壳热电阻，RQCS=外壳到散热器的热电阻，以及RQSA=散热器对环境的热阻。

RQJC出现在数据表的包部分。和RQJA一样，它也是一个包类型的函数。RQCS和RQSA是封装类型、散热器和它们之间的接口的函数。

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