用于汽车气囊的超低静态电流线性稳压器

摘要：本文提供的参考设计能够提高线性稳压器MAX15006/MAX15007的输出电流，满足汽车气囊的供电要求。

概述

随着汽车不断增加的电子设备，电子控制模块设计人员面临的一个重大挑战是：如何在有限的功率预算前提下提高产品性能。现如今的汽车包括众多的电子系统，例如：立体声和信息娱乐系统、雨刷控制、车灯驱动系统以及气囊等安全设施。这些系统需求都依赖于汽车电池供电，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。

汽车发动机关闭后，电池一般仍然需要为多个系统的运转供电。为了降低这种情况下的功耗，电源管理模块引入了几个省电模式：关断微处理器时钟、通过使能输入关断转换器电路，这是两个最常见的例子。然而，有些器件和功能—例如：遥控门禁系统(PKE)和安全系统—应当始终保持工作状态，无论电源来自发电机还是电池，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。除了超低静态电流，这些器件还能够承受高达45V的抛负载，非常适合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。


图1. 典型的汽车气囊电源模块

辅助约束系统(SRS)的操作

气囊系统或辅助约束系统(SRS)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，否则的话，系统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。没有激活该系统时，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工作状态，供电器件必须具有非常低的静态电流。另外，发生碰撞时，交流电机端子可能脱离与电池端的连接，发生抛负载。汽车环境下，即使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45V的抛负载保护—非常适合汽车气囊的电源模块。能够支持最大电流为50mA的绝大多数应用，无需任何外部器件。而有些情况下，气囊监测系统需要的总电流超过100mA；检查气囊开启装置的就绪状态时，所需电流不超过200mA。基于这一考虑，我们需要提高MAX15006/MAX15007的输出电流，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1.2A.。气囊启动电路由开关调节器(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150mA，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，按照下图(图2)所示将调整管连接到输入和输出之间¹，该电路将输出电流提高到150mA。


图2. 该电路在MAX15007的外部增加了一个调整管，为气囊监测系统提供足够的输出电流。

R1选择1Ω、R3选择2.2Ω电阻，以保证功耗最小。另外，R1取值小于1Ω时可能增大PNP晶体管的热耗。开始工作时，没有电流输出，外部调整管也不通过任何电流。随着工作电流的逐渐增加，它将通过二极管产生大约0.6V的压降，使二极管开始导通。二极管的导通电压为基极-发射极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25mA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，使用数据资料中规定的2.2µF输出电容时输出电压会不稳定，因为晶体管增大了稳压器的g_M，这将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 ∝ g_M

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g_M的增加量相应增大。g_M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(图3)进行计算。


图3. 必须通过计算外部电路的电流增益决定输出电容的大小

假定ΔI是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K ΔI。因此，由于外部调整管的存在，负载电流总的变化量为ΔI + K ΔI，即：(1 + K) ΔI。所以，g_M增加了(1 + K)倍，那么，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。

在我们的电路中，K值可通过下式计算：



考虑到寄生效应的影响，所要求的电容值是数据资料规定的最小值的5.45倍。据此，在输出端连接了一个12.2µF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150mA固定电流和150mA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1Ω负载串联电阻的电压，也体现了总负载电流的大小。所以，总的负载电流为150mA，109mA由外部调整管提供，其余41mA由稳压器IC提供。


图4. 图3电路的工作性能，输出固定的150mA负载电流

通道1：输出电压
通道2：负载电流正比于1Ω负载串联电阻的电压
通道4：通过外部调整管提供的电流



图5. 图3电路的工作性能，负载瞬变电流为150mA

通道1：输出电压
通道2：负载电流正比于1Ω负载串联电阻的电压
通道4：通过外部调整管提供的电流

结论

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，从而拓宽了它们的应用领域。