航天级 100krad 窗口比较器电路

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设计目标

输入电源	比较器输出状态 (OUT)		辐射
工作范围	26V ≤ V_in ≤ 30V	V_in < 26V 或 V_in > 30V	电离总剂量 (TID)	针对 LET 的 SEL 抗扰度
20 V 至 36 V	V_out = V_pu	V_out = GND	100krad (Si)	85MeV·cm²/mg

设计说明

本应用简介展示了如何部署电压窗口比较器电路来监测 28V 电源轨，这是小型飞行器中常见的航天器总线电压。此宽单电源窗口比较器电路采用一个双路集电极开路比较器和 3 个电阻器来设定窗口电压。并联稳压器 TL1431-SP 用于从输入电压提供参考电压。因此，该电路的输入部分只使用一个单电源。之所以使用 LM193AQML-SP 是因为它具有集电极开路输出、符合辐射规范并包含两个通道。每当输入电压 V_in 位于比较窗口（26V 至 30V）内时，该电路的输出 V_OUT 都为高电平。每当 Vin 超出比较窗口时，V_OUT 都会下拉至 GND。

设计说明

选择具有集电极开路输出级的高电压比较器。
选择具有低输入偏移电压的比较器，以优化精度。
计算电阻分压器的值，以便每当 V₁ 超过 V_REF 时，V_OUT 变高，每当 V₂ 超过 V_REF 时，V_OUT变高。
计算 R5，使得并联稳压器在整个操作范围内都在灌电流规格内。

设计步骤

选择具有集电极开路输出级的高压比较器，可以在尽可能高的电源电压下工作。在该设计中，最高输入/电源电压为 36V。
为窗口比较器确定适当的基准电平 V_REF。TL1431-SP 内部基准电压为2.5V，便于计算。如果将其他基准电压与 TL1431-SP 配合使用，则需要在并联稳压器的阴极和阳极之间放置一个分压器，并将 V_REF 放置在两个电阻器之间。
通过将V_REF 与工作电压范围相关联，计算 V_IN 和 V_REF 之间电阻器 R₅ 的值。确保 R₅ 的大小能够保证并联稳压器可以为整个工作范围提供足够的偏置。偏置TL1431-SP 所需的电流 I_Bias 必须介于 1mA 和 100mA 之间。这里选择了 4.7kΩ 的电阻器，因为它在整个工作电压范围内将偏置电流保持在此范围内。
$I_{Bias (Min)} = \frac{V_{in (Min)} - V_{Ref}}{R_{5}} = \frac{20 V - 2.5 V}{4.7 kΩ} = 3.72 mA$
$I_{Bias (Max)} = \frac{V_{in (Max)} - V_{Ref}}{R_{5}} = \frac{36 V - 2.5 V}{4.7 kΩ} = 7.12 mA$
此设计中可以使用 350Ω 到 16kΩ 之间的值。已考虑将偏置电流降至最低，同时从最小规格1mA提供一些缓冲。如果发现V_REF 有噪声，可以在节点和 GND 之间放置一个去耦电容器来滤除噪声。
顶部比较器的正输入 V₁ 和底部比较器的负输入 V₂ 可以通过分压与 V_in关联：
$V_{1} = V_{in} (\frac{R_{2} + R_{3}}{R_{1} + R_{2} + R_{3}}), V_{2} = V_{in} (\frac{R_{3}}{R_{1} + R_{2} + R_{3}})$
当V₁ 超过 V_REF 输出高电平时，窗口比较器跳闸，当 V₂ 超过 V_REF 输出低电平时，窗口比较器再次跳闸。如果 V₁ 小于 V_REF，则比较器为低电平。在此设计中，当V_in 等于 26V 时，窗口比较器跳闸变高，当V_in 等于 30V 时，窗口比较器跳闸变低；这两种情况下，V_REF 都等于 2.5V。
$2.5 = 26 (\frac{R_{2} + R_{3}}{R_{1} + R_{2} + R_{3}}) \to 10.4 = \frac{R_{1} + R_{2} + R_{3}}{R_{2} + R_{3}}$
$2.5 = 30 (\frac{R_{3}}{R_{1} + R_{2} + R_{3}}) \to 12 = \frac{R_{1} + R_{2} + R_{3}}{R_{3}}$
对步骤 4中的两个公式 (R₁+R₂+R₃) 求解，并将其中一个公式代入另一个公式。
$10.4 R_{2} + 10.4 R_{3} = R_{1} + R_{2} + R_{3}$
$12 R_{3} = R_{1} + R_{2} + R_{3}$
$12 R_{3} = 10.4 R_{2} + 10.4 R_{3}$
$10.4 R_{2} = 1.6 R_{3} \to 6.5 R_{2} = R_{3}$
利用步骤5 步得到的关系式，求解 R₁ 和 R₂ 之间的关系。
$12 (6.5 R_{2}) = R_{1} + R_{2} + 6.5 R_{2}$
$78 R_{2} = R_{1} + 7.5 R_{2} \to 70.5 R_{2} = R_{1}$
利用步骤 5 和步骤 6 推导出的公式，相应地调整电阻器 R₁、R₂ 和 R₃ 的大小。在此设计中，R₂ 设为 2.55kΩ，这意味着 R₁ 和 R₃ 分别为 179.775kΩ 和 16.575kΩ。这些电阻器的大小是根据分压器上的电流消耗（在工作条件内约为 100μA 至 180μA）来选择的。
选择容差为 5% 的电阻器作为上拉电阻器 R₄，用于将窗口比较器的输出上拉至 V_PU。该组件要足够大，以确保比较器吸取的电流不大，但又要足够小，以确保比较器输出高电平时消耗的漏电流不会导致太大的压降。
步骤 7中获得的值调整为1%的电阻容差， R₁、R₂ 和 R₃ 分别为 178kΩ、2.55kΩ 和 16.5kΩ。由于这些变化，比较窗口会发生偏移，在过压条件下提前跳闸，欠压条件下延后跳闸。在直流仿真结果中，比较窗口位于 25.8595V 和 29.856V 之间。

设计仿真

直流仿真结果

瞬态仿真结果

参考资料：

SPICE 仿真文件：http://www.ti.com/cn/lit/zip/snom708.

设计特色比较器

LM193QML-SP
V_S	2 V 至 36V
V_inCM	0 V 至 34.5 V
V_OUT	集电极开路
V_OS	5mV
I_Q	200 μA/channel
t_PD(HL)	2.50μs
TID 辐射批次验收测试 (RLAT)/RHA	100krad(Si)
TID 特性（无 ELDRS）	100krad(Si)
针对 LET 的 SEL 抗扰度	SEL 抗扰度（双极工艺）
http://www.ti.com.cn/product/cn/LM193QML-SP

设计特色并联基准

TL1431-SP
V_KA	2.5 V 至 36 V
I_KA	1 mA 至 100mA
V_I(ref)	2.5V
初始精度	0.4%
TID	100krad(Si)
针对 LET 的 SEL 抗扰度	SEL 抗扰度（双极工艺）
www.ti.com.cn/product/cn/TL1431-SP

设计备用比较器

	TLV1704-SEP	LM139AQML-SP
V_S	2.2V 至 36V	2 V 至 36V
V_inCM	轨到轨	0 V 至 34 V
V_OUT	集电极开路，轨到轨	集电极开路
V_OS	500µV	2mV
I_Q	55µA/通道	200 μA/通道
t_PD(HL)	460ns	2.50μs
TID 特性（无 ELDRS）	30krad(Si)	100krad(Si)
TID 辐射批次验收测试 (RLAT)/RHA	20krad(Si)	100krad(Si)
针对 LET 的 SEL 抗扰度	43MeV·cm²/mg	SEL 抗扰度（双极工艺）
	https://www.ti.com.cn/product/cn/TLV1704-SEP	https://www.ti.com.cn/product/cn/LM139AQML-SP