《电子技术应用》
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用于汽车气囊的超低静态电流线性稳压器

2009-09-02
作者:Surya Prakash

  摘 要: 提出了一种用于汽车气囊的电源管理模块参考设计,利用MAX15006/MAX15007线性稳压器降低汽车气囊的静态电流,满足其供电要求。
  关键词: 线性稳压器;气囊;电源管理

 

  随着汽车中电子设备的不断增加,电子控制模块设计人员面临着一个重大挑战,即如何在有限的功率预算前提下提高产品性能。现代汽车嵌入了诸多电子系统,例如立体声和信息娱乐系统、雨刷控制系统、车灯驱动系统以及气囊等安全设施,这些系统都依赖于汽车电池供电。因此设计人员必须尽可能降低每个电子系统的功耗,特别是在汽车熄火以及汽车停放在停车场之后的功耗。
  汽车发动机关闭后,电池仍然需要为多个系统的运转供电。为了降低该情况下的功耗,电源管理模块引入了省电模式,最常见的有关断微处理器时钟与通过使能输入关断转换器电路2种模式。然而,有些器件和功能,无论其供电电源来自发电机还是电池,都应当始终保持工作状态。例如遥控门禁系统(PKE)和安全系统,图1所示为典型的气囊电源模块。

 

  本文介绍的参考设计利用MAX15006/MAX15007线性稳压器降低汽车气囊的静态电流。这些器件不仅可以实现超低静态电流,还能够承受高达45 V的抛负载,非常适合应用于恶劣的汽车工作环境。另外,它们还具有低压差、宽输入电压范围、热保护和短路保护、使能输入等功能,是汽车气囊供电模块的理想选择。
辅助约束系统(SRS)的操作
  气囊系统或辅助约束系统结合座椅安全带,能够为前排乘客提供额外的保护。作为电子控制的机械运转系统,SRS工作原理如下:除非发生意外事故,系统都应该处于乘客的视线以外;安装在汽车上的碰撞和安全监测传感器用于判断意外事故的发生。当撞击的力量足够大时,这些传感器靠近它们的触点,启动相应的电路并对气囊充气;系统未激活时,气囊诊断监控器对系统进行监测,安装在仪表盘上的指示灯提示系统就绪。
  由于诊断监控器始终保持在工作状态,因此供电器件必须具有非常低的静态电流。此外,发生碰撞时,交流电机端子可能脱离与电池端的连接,出现抛负载现象,导致汽车环境在正常工作状态下也有可能出现较大的电池电压变化范围。
  MAX15006/MAX15007具有多项优势,例如超低静态电流、宽输入电压范围、高达45 V的抛负载保护,非常适合用作汽车气囊的电源模块。它无需任何外部器件即可支持最大电流为50 mA的绝大多数应用。考虑到某些情况下,气囊监测系统需要的总电流超过100 mA,例如检查气囊开启装置的就绪状态时,所需电流接近200 mA,因此需要提高MAX15006/MAX15007的输出电流,可利用一个外部调整管实现。
提高稳压器的输出电流
  气囊开启电路工作时的最小电流为1.2 A。气囊启动电路由开关型稳压器(降压或升压转换器)和线性稳压器供电。而监控系统(传感器、ADC、启动装置就绪检测等)需要的电源电流大约为150 mA,超出了线性稳压器(MAX15006/MAX15007)的供电能力范围。
  利用外部调整管能够扩充线性稳压器的电流驱动能力。为了提高线性稳压器的输出电流,按照图2所示的电路将调整管连接到输入和输出之间,可将输出电流提高到150 mA。

  图中,R1为1 Ω电阻,R3为2.2 Ω电阻,以保证功耗最小。另外,R1取值小于1 Ω时可能增大PNP晶体管的热耗。开始工作时,没有电流输出,外部调整管也无任何电流通过。随着工作电流的逐渐增加,将通过二极管产生大约0.6 V的压降,使二极管开始导通。二极管的导通电压为基极—发射基之间提供足够的压差,使PNP晶体管也进入导通状态,由此提供负载所需额外电流。R2的作用是补偿小电流设置下二极管较高的动态电阻。当负载电流小于25 mA时,外部调整管断开。改变电阻值可以提高对该电路的供电电流。
合理选择输出电容保证系统稳定
  由于该电路连接了外部晶体管,使用数据手册中规定输出电容为2.2 μF时,输出电压会不稳定,这是因为外部晶体管增大了稳压器的gM,导致单位增益带宽的提升,产生提升的原因是:
    单位增益带宽∝gM
  为了保持与稳定状况相同的单位增益带宽,输出电容需要根据gM的增加量相应增大。gM的增加量可通过测量附加电路的电流增益获得。
  外部电路的电流增益可用小信号近似电路进行计算,如图3所示。


  假定ΔI为没有外部调整管时稳压器负载电流的变化量。连接外部调整管后,流过PNP调整管的电流变化量为KΔI。因此,由于外部调整管的存在,负载电流总的变化量为ΔI+KΔI,即:(1+K)ΔI,所以,gM增加了(1+K)倍。为了保证相同的单位增益带宽,输出电容也应该增加(1+K)倍。
  电路中,K值可通过下式计算:
  
  考虑到寄生效应的影响,最终选用的电容值是数据手册规定的最小值的5.45倍。据此,在输出端连接了一个12.2 μF的电容,确保系统在增添外部晶体管后保持稳定。
  图4和图5分别给出了通过外部调整管为负载提供的150 mA固定电流和150 mA瞬变电流的情况,通道1表示输出电压,通道4表示外部调整管提供的电流,通道2表示1 Ω负载串联电阻的电压,体现了总负载电流的大小。所以,总的负载电流为150 mA,其中109 mA由外部调整管提供,其余41 mA由稳压器IC提供。


  通过将汽车应用的多种需求集成到单片IC,MAX15006/MAX15007可直接用于目前的汽车设计,使汽车电子工程师的工作变得轻松。本文提供的参考设计只需极少的外部电路,所使用的IC可以满足更高的负载电流需求,从而拓宽了其应用领域。

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