摘 要： 提出了一種用于汽車氣囊的電源管理模塊參考設(shè)計，利用MAX15006/MAX15007線性穩(wěn)壓器降低汽車氣囊的靜態(tài)電流，滿足其供電要求。
關(guān)鍵詞： 線性穩(wěn)壓器；氣囊；電源管理
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隨著汽車中電子設(shè)備的不斷增加，電子控制模塊設(shè)計人員面臨著一個重大挑戰(zhàn)，即如何在有限的功率預(yù)算前提下提高產(chǎn)品性能?，F(xiàn)代汽車嵌入了諸多電子系統(tǒng)，例如立體聲和信息娛樂系統(tǒng)、雨刷控制系統(tǒng)、車燈驅(qū)動系統(tǒng)以及氣囊等安全設(shè)施，這些系統(tǒng)都依賴于汽車電池供電。因此設(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的功耗。
汽車發(fā)動機(jī)關(guān)閉后，電池仍然需要為多個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)供電。為了降低該情況下的功耗，電源管理模塊引入了省電模式，最常見的有關(guān)斷微處理器時鐘與通過使能輸入關(guān)斷轉(zhuǎn)換器電路2種模式。然而，有些器件和功能，無論其供電電源來自發(fā)電機(jī)還是電池，都應(yīng)當(dāng)始終保持工作狀態(tài)。例如遙控門禁系統(tǒng)(PKE)和安全系統(tǒng)，圖1所示為典型的氣囊電源模塊。
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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。這些器件不僅可以實現(xiàn)超低靜態(tài)電流，還能夠承受高達(dá)45 V的拋負(fù)載，非常適合應(yīng)用于惡劣的汽車工作環(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。
輔助約束系統(tǒng)(SRS)的操作
氣囊系統(tǒng)或輔助約束系統(tǒng)結(jié)合座椅安全帶，能夠為前排乘客提供額外的保護(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，系統(tǒng)都應(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，這些傳感器靠近它們的觸點(diǎn)，啟動相應(yīng)的電路并對氣囊充氣；系統(tǒng)未激活時，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)控器始終保持在工作狀態(tài)，因此供電器件必須具有非常低的靜態(tài)電流。此外，發(fā)生碰撞時，交流電機(jī)端子可能脫離與電池端的連接，出現(xiàn)拋負(fù)載現(xiàn)象，導(dǎo)致汽車環(huán)境在正常工作狀態(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(dá)45 V的拋負(fù)載保護(hù)，非常適合用作汽車氣囊的電源模塊。它無需任何外部器件即可支持最大電流為50 mA的絕大多數(shù)應(yīng)用?？紤]到某些情況下，氣囊監(jiān)測系統(tǒng)需要的總電流超過100 mA，例如檢查氣囊開啟裝置的就緒狀態(tài)時，所需電流接近200 mA，因此需要提高M(jìn)AX15006/MAX15007的輸出電流，可利用一個外部調(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1.2 A。氣囊啟動電路由開關(guān)型穩(wěn)壓器(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150 mA，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)動能力。為了提高線性穩(wěn)壓器的輸出電流，按照圖2所示的電路將調(diào)整管連接到輸入和輸出之間，可將輸出電流提高到150 mA。
圖中，R1為1 Ω電阻，R3為2.2 Ω電阻，以保證功耗最小。另外，R1取值小于1 Ω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)整管也無任何電流通過。隨著工作電流的逐漸增加，將通過二極管產(chǎn)生大約0.6 V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)射基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態(tài)電阻。當(dāng)負(fù)載電流小于25 mA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)手冊中規(guī)定輸出電容為2.2 μF時，輸出電壓會不穩(wěn)定，這是因為外部晶體管增大了穩(wěn)壓器的gM，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∝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進(jìn)行計算，如圖3所示。
假定ΔI為沒有外部調(diào)整管時穩(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KΔI。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+KΔI，即：(1+K)ΔI，所以，gM增加了(1+K)倍。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。
電路中，K值可通過下式計算：
考慮到寄生效應(yīng)的影響，最終選用的電容值是數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的最小值的5.45倍。據(jù)此，在輸出端連接了一個12.2 μF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150 mA固定電流和150 mA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1 Ω負(fù)載串聯(lián)電阻的電壓，體現(xiàn)了總負(fù)載電流的大小。所以，總的負(fù)載電流為150 mA，其中109 mA由外部調(diào)整管提供，其余41 mA由穩(wěn)壓器IC提供。
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(fù)載電流需求，從而拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。