用于汽車氣囊的超低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器

本文提供的參考設(shè)計(jì)能夠提高線性穩(wěn)壓器MAX15006/MAX15007的輸出電流，滿足汽車氣囊的供電要求。

隨著汽車不斷增加的電子設(shè)備，電子控制模塊設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是：如何在有限的功率預(yù)算前提下提高產(chǎn)品性能?，F(xiàn)如今的汽車包括眾多的電子系統(tǒng)，例如：立體聲和信息娛樂系統(tǒng)、雨刷控制、車燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及氣囊等安全設(shè)施。這些系統(tǒng)需求都依賴于汽車電池供電，設(shè)計(jì)人員必須盡可能降低每個(gè)電子系統(tǒng)的功耗，特別是在汽車熄火以及汽車停放在停車場之后。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，電池一般仍然需要為多個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)供電。為了降低這種情況下的功耗，電源管理模塊引入了幾個(gè)省電模式：關(guān)斷微處理器時(shí)鐘、通過使能輸入關(guān)斷轉(zhuǎn)換器電路，這是兩個(gè)最常見的例子。然而，有些器件和功能—例如：遙控門禁系統(tǒng)(PKE)和安全系統(tǒng)—應(yīng)當(dāng)始終保持工作狀態(tài)，無論電源來自發(fā)電機(jī)還是電池，圖1所示為典型的氣囊電源模塊。

本文介紹的參考設(shè)計(jì)利用MAX15006/MAX15007線性穩(wěn)壓器降低汽車氣囊的靜態(tài)電流。除了超低靜態(tài)電流，這些器件還能夠承受高達(dá)45V的拋負(fù)載，非常適合惡劣的汽車工作環(huán)境。另外，它們還具有低壓差、寬輸入電壓范圍、熱保護(hù)和短路保護(hù)、使能輸入等功能，是汽車氣囊供電模塊的理想選擇。


圖1. 典型的汽車氣囊電源模塊

輔助約束系統(tǒng)(SRS)的操作

氣囊系統(tǒng)或輔助約束系統(tǒng)(SRS)結(jié)合座椅安全帶，能夠?yàn)榍芭懦丝吞峁╊~外的保護(hù)，作為電子控制的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，SRS工作原理如下：除非發(fā)生意外事故，否則的話，系統(tǒng)應(yīng)該處于乘客的視線以外，安裝在汽車上的碰撞和安全監(jiān)測傳感器用于判斷意外事故的發(fā)生。當(dāng)撞擊的力量足夠大時(shí)，這些傳感器靠近它們的觸點(diǎn)，啟動(dòng)相應(yīng)的電路并對氣囊充氣。沒有激活該系統(tǒng)時(shí)，氣囊診斷監(jiān)控器對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，安裝在儀表盤上的指示燈提示系統(tǒng)就緒。

由于診斷監(jiān)控器始終保持工作狀態(tài)，供電器件必須具有非常低的靜態(tài)電流。另外，發(fā)生碰撞時(shí)，交流電機(jī)端子可能脫離與電池端的連接，發(fā)生拋負(fù)載。汽車環(huán)境下，即使在正常工作狀態(tài)下也有可能出現(xiàn)較大的電池電壓變化范圍。

MAX15006/MAX15007具有多項(xiàng)優(yōu)勢—例如：超低靜態(tài)電流、寬輸入電壓范圍、高達(dá)45V的拋負(fù)載保護(hù)—非常適合汽車氣囊的電源模塊。能夠支持最大電流為50mA的絕大多數(shù)應(yīng)用，無需任何外部器件。而有些情況下，氣囊監(jiān)測系統(tǒng)需要的總電流超過100mA；檢查氣囊開啟裝置的就緒狀態(tài)時(shí)，所需電流不超過200mA?；谶@一考慮，我們需要提高M(jìn)AX15006/MAX15007的輸出電流，利用一個(gè)外部調(diào)整管實(shí)現(xiàn)。

提高穩(wěn)壓器的輸出電流

氣囊開啟電路工作時(shí)的最小電流為1.2A.。氣囊啟動(dòng)電路由開關(guān)調(diào)節(jié)器(降壓或升壓轉(zhuǎn)換器)和線性穩(wěn)壓器供電。而監(jiān)控系統(tǒng)(傳感器、ADC、啟動(dòng)裝置就緒檢測等)需要的電源電流大約為150mA，超出了線性穩(wěn)壓器(MAX15006/MAX15007)的供電能力范圍。

利用外部調(diào)整管能夠擴(kuò)充線性穩(wěn)壓器的電流驅(qū)動(dòng)能力。為了提高線性穩(wěn)壓器的輸出電流，按照下圖(圖2)所示將調(diào)整管連接到輸入和輸出之間1，該電路將輸出電流提高到150mA。


圖2. 該電路在MAX15007的外部增加了一個(gè)調(diào)整管，為氣囊監(jiān)測系統(tǒng)提供足夠的輸出電流。

R1選擇1Ω、R3選擇2.2Ω電阻，以保證功耗最小。另外，R1取值小于1Ω時(shí)可能增大PNP晶體管的熱耗。開始工作時(shí)，沒有電流輸出，外部調(diào)整管也不通過任何電流。隨著工作電流的逐漸增加，它將通過二極管產(chǎn)生大約0.6V的壓降，使二極管開始導(dǎo)通。二極管的導(dǎo)通電壓為基極-發(fā)射極之間提供足夠的壓差，使PNP晶體管也進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，由此提供負(fù)載所需額外電流。R2的作用是補(bǔ)償小電流設(shè)置下二極管較高的動(dòng)態(tài)電阻。當(dāng)負(fù)載電流小于25mA時(shí)，外部調(diào)整管斷開。改變電阻值可以提高對該電路的供電電流。

合理選擇輸出電容保證系統(tǒng)穩(wěn)定

由于該電路連接了外部晶體管，使用數(shù)據(jù)資料中規(guī)定的2.2μF輸出電容時(shí)輸出電壓會(huì)不穩(wěn)定，因?yàn)榫w管增大了穩(wěn)壓器的g_M，這將導(dǎo)致單位增益帶寬的提升，產(chǎn)生提升的原因是：

單位增益帶寬 ∝ g_M

為了保持與穩(wěn)定狀況相同的單位增益帶寬，輸出電容需要根據(jù)g_M的增加量相應(yīng)增大。g_M的增加量可通過測量附加電路的電流增益獲得。

外部電路的電流增益可用小信號(hào)近似電路(圖3)進(jìn)行計(jì)算。


圖3. 必須通過計(jì)算外部電路的電流增益決定輸出電容的大小

假定ΔI是沒有外部調(diào)整管時(shí)穩(wěn)壓器負(fù)載電流的變化量。連接外部調(diào)整管后，流過PNP調(diào)整管的電流變化量為K ΔI。因此，由于外部調(diào)整管的存在，負(fù)載電流總的變化量為ΔI + K ΔI，即：(1 + K) ΔI。所以，g_M增加了(1 + K)倍，那么，為了保證相同的單位增益帶寬，輸出電容也應(yīng)該增加(1 + K)倍。

在我們的電路中，K值可通過下式計(jì)算：



考慮到寄生效應(yīng)的影響，所要求的電容值是數(shù)據(jù)資料規(guī)定的最小值的5.45倍。據(jù)此，在輸出端連接了一個(gè)12.2μF的電容，確保系統(tǒng)在增添外部晶體管后保持穩(wěn)定。

圖4和圖5分別給出了通過外部調(diào)整管為負(fù)載提供的150mA固定電流和150mA瞬變電流的情況，通道1表示輸出電壓，通道4表示外部調(diào)整管提供的電流，通道2表示1Ω負(fù)載串聯(lián)電阻的電壓，也體現(xiàn)了總負(fù)載電流的大小。所以，總的負(fù)載電流為150mA，109mA由外部調(diào)整管提供，其余41mA由穩(wěn)壓器IC提供。


圖4. 圖3電路的工作性能，輸出固定的150mA負(fù)載電流

通道1：輸出電壓
通道2：負(fù)載電流正比于1Ω負(fù)載串聯(lián)電阻的電壓
通道4：通過外部調(diào)整管提供的電流



圖5. 圖3電路的工作性能，負(fù)載瞬變電流為150mA

通道1：輸出電壓
通道2：負(fù)載電流正比于1Ω負(fù)載串聯(lián)電阻的電壓
通道4：通過外部調(diào)整管提供的電流

結(jié)論

通過將汽車應(yīng)用的多種需求集成到單片IC，MAX15006/MAX15007可直接用于目前的汽車設(shè)計(jì)，使汽車電子工程師的工作變得輕松。本文提供的參考設(shè)計(jì)只需極少的外部電路，所使用的IC可以滿足更高的負(fù)載電流需求，從而拓寬了它們的應(yīng)用領(lǐng)域。