【導讀】隨著汽車不斷增加的電子設備，電子控制模塊設計人員面臨的一個重大挑戰是：如何在有限的功率預算前提下提高產品性能。現如今的汽車包括眾多的電子系統，例如：立體聲和信息娛樂系統、雨刷控制、車燈驅動系統以及氣囊等安全設施。這些系統需求都依賴于汽車電池供電，設計人員必須盡可能降低每個電子系統的功耗，特別是在汽車熄火以及汽車停放在停車場之后。
汽車發動機關閉后，電池一般仍然需要為多個系統的運轉供電。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：關斷微處理器時鐘、通過使能輸入關斷轉換器電路，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(PKE)和安全系統—應當始終保持工作狀態，無論電源來自發電機還是電池，圖1所示為典型的氣囊電源模塊。
本文介紹的參考設計利用MAX15006/MAX15007線性穩壓器降低汽車氣囊的靜態電流。除了超低靜態電流，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(SRS)的操作
氣囊系統或輔助約束系統(SRS)結合座椅安全帶，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系統，SRS工作原理如下：除非發生意外事故，否則的話，系統應該處于乘客的視線以外，安裝在汽車上的碰撞和安全監測傳感器用于判斷意外事故的發生。當撞擊的力量足夠大時，這些傳感器靠近它們的觸點，啟動相應的電路并對氣囊充氣。沒有激活該系統時，氣囊診斷監控器對系統進行監測，安裝在儀表盤上的指示燈提示系統就緒。
由于診斷監控器始終保持工作狀態，供電器件必須具有非常低的靜態電流。另外，發生碰撞時，交流電機端子可能脫離與電池端的連接，發生拋負載。汽車環境下，即使在正常工作狀態下也有可能出現較大的電池電壓變化范圍。
MAX15006/MAX15007具有多項優勢—例如：超低靜態電流、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的絕大多數應用，無需任何外部器件。而有些情況下，氣囊監測系統需要的總電流超過100mA；檢查氣囊開啟裝置的就緒狀態時，所需電流不超過200mA。基于這一考慮，我們需要提高MAX15006/MAX15007的輸出電流，利用一個外部調整管實現。
提高穩壓器的輸出電流
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調節器(降壓或升壓轉換器)和線性穩壓器供電。而監控系統(傳感器、ADC、啟動裝置就緒檢測等)需要的電源電流大約為150mA，超出了線性穩壓器(MAX15006/MAX15007)的供電能力范圍。
利用外部調整管能夠擴充線性穩壓器的電流驅動能力。為了提高線性穩壓器的輸出電流，按照下圖(圖2)所示將調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整管，為氣囊監測系統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-發射極之間提供足夠的壓差，使PNP晶體管也進入導通狀態，由此提供負載所需額外電流。R2的作用是補償小電流設置下二極管較高的動態電阻。當負載電流小于25mA時，外部調整管斷開。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穩定
由于該電路連接了外部晶體管，使用數據資料中規定的2.2µF輸出電容時輸出電壓會不穩定，因為晶體管增大了穩壓器的gM，這將導致單位增益帶寬的提升，產生提升的原因是：
單位增益帶寬 ∝ gM
為了保持與穩定狀況相同的單位增益帶寬，輸出電容需要根據gM的增加量相應增大。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是沒有外部調整管時穩壓器負載電流的變化量。連接外部調整管后，流過PNP調整管的電流變化量為K ΔI。因此，由于外部調整管的存在，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考慮到寄生效應的影響，所要求的電容值是數據資料規定的最小值的5.45倍。據此，在輸出端連接了一個12.2µF的電容，確保系統在增添外部晶體管后保持穩定。
圖4和圖5分別給出了通過外部調整管為負載提供的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表示外部調整管提供的電流，通道2表示1Ω負載串聯電阻的電壓，也體現了總負載電流的大小。所以，總的負載電流為150mA，109mA由外部調整管提供，其余41mA由穩壓器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負載串聯電阻的電壓
通道4：通過外部調整管提供的電流
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負載串聯電阻的電壓
通道4：通過外部調整管提供的電流
結論
通過將汽車應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計，使汽車電子工程師的工作變得輕松。本文提供的參考設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用領域。
本文來源于Maxim。
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