用于汽車氣囊的超低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器
發(fā)布時間:2016-12-29 來源:Surya Prakash 責任編輯:wenwei
【導讀】隨著汽車不斷增加的電子設(shè)備,電子控制模塊設(shè)計人員面臨的一個重大挑戰(zhàn)是:如何在有限的功率預(yù)算前提下提高產(chǎn)品性能。現(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)計人員必須盡可能降低每個電子系統(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)動機關(guān)閉后,電池一般仍然需要為多個系統(tǒng)的運轉(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省電模式:關(guān)斷微處理器時鐘、通過使能輸入關(guān)斷轉(zhuǎn)換器電路,這是兩個最常見的例子。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)當始終保持工作狀態(tài),無論電源來自發(fā)電機還是電池,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45V的拋負載,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、熱保護和短路保護、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,能夠為前排乘客提供額外的保護,作為電子控制的機械運轉(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。當撞擊的力量足夠大時,這些傳感器靠近它們的觸點,啟動相應(yīng)的電路并對氣囊充氣。沒有激活該系統(tǒng)時,氣囊診斷監(jiān)控器對系統(tǒng)進行監(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,交流電機端子可能脫離與電池端的連接,發(fā)生拋負載。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具有多項優(yōu)勢—例如:超低靜態(tài)電流、寬輸入電壓范圍、高達45V的拋負載保護—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,所需電流不超過200mA?;谶@一考慮,我們需要提高MAX15006/MAX15007的輸出電流,利用一個外部調(diào)整管實現(xiàn)。
提高穩(wěn)壓器的輸出電流
氣囊開啟電路工作時的最小電流為1.2A.。氣囊啟動電路由開關(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)整管能夠擴充線性穩(wěn)壓器的電流驅(qū)動能力。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時可能增大PNP晶體管的熱耗。開始工作時,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,使二極管開始導通。二極管的導通電壓為基極-發(fā)射極之間提供足夠的壓差,使PNP晶體管也進入導通狀態(tài),由此提供負載所需額外電流。R2的作用是補償小電流設(shè)置下二極管較高的動態(tài)電阻。當負載電流小于25mA時,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輸出電容時輸出電壓會不穩(wěn)定,因為晶體管增大了穩(wěn)壓器的gM,這將導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 ∝ gM
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)gM的增加量相應(yīng)增大。gM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近似電路(圖3)進行計算。
圖3. 必須通過計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)整管時穩(wěn)壓器負載電流的變化量。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,負載電流總的變化量為ΔI + K ΔI,即:(1 + K) ΔI。所以,gM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值可通過下式計算:
公式1
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負載串聯(lián)電阻的電壓,也體現(xiàn)了總負載電流的大小。所以,總的負載電流為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負載電流
通道1:輸出電壓
通道2:負載電流正比于1Ω負載串聯(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,負載瞬變電流為150mA
通道1:輸出電壓
通道2:負載電流正比于1Ω負載串聯(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,使汽車電子工程師的工作變得輕松。本文提供的參考設(shè)計只需極少的外部電路,所使用的IC可以滿足更高的負載電流需求,從而拓寬了它們的應(yīng)用領(lǐng)域。
本文來源于Maxim。
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