摘 要： 提出了一種用于汽車氣囊的電源管理模塊參考設計，利用MAX15006/MAX15007線性穩壓器降低汽車氣囊的靜態電流，滿足其供電要求。
關鍵詞： 線性穩壓器；氣囊；電源管理
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隨著汽車中電子設備的不斷增加，電子控制模塊設計人員面臨著一個重大挑戰，即如何在有限的功率預算前提下提高產品性能。現代汽車嵌入了諸多電子系統，例如立體聲和信息娛樂系統、雨刷控制系統、車燈驅動系統以及氣囊等安全設施，這些系統都依賴于汽車電池供電。因此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的功耗。
汽車發動機關閉后，電池仍然需要為多個系統的運轉供電。為了降低該情況下的功耗，電源管理模塊引入了省電模式，最常見的有關斷微處理器時鐘與通過使能輸入關斷轉換器電路2種模式。然而，有些器件和功能，無論其供電電源來自發電機還是電池，都應當始終保持工作狀態。例如遙控門禁系統(PKE)和安全系統，圖1所示為典型的氣囊電源模塊。
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本文介紹的參考設計利用MAX15006/MAX15007線性穩壓器降低汽車氣囊的靜態電流。這些器件不僅可以實現超低靜態電流，還能夠承受高達45 V的拋負載，非常適合應用于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。
輔助約束系統(SRS)的操作
氣囊系統或輔助約束系統結合座椅安全帶，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，系統都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；系統未激活時，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在工作狀態，因此供電器件必須具有非常低的靜態電流。此外，發生碰撞時，交流電機端子可能脫離與電池端的連接，出現拋負載現象，導致汽車環境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45 V的拋負載保護，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的絕大多數應用。考慮到某些情況下，氣囊監測系統需要的總電流超過100 mA，例如檢查氣囊開啟裝置的就緒狀態時，所需電流接近200 mA，因此需要提高MAX15006/MAX15007的輸出電流，可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1.2 A。氣囊啟動電路由開關型穩壓器(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150 mA，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，按照圖2所示的電路將調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，將通過二極管產生大約0.6 V的壓降，使二極管開始導通。二極管的導通電壓為基極—發射基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25 mA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，使用數據手冊中規定輸出電容為2.2 μF時，輸出電壓會不穩定，這是因為外部晶體管增大了穩壓器的gM，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進行計算，如圖3所示。
假定ΔI為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KΔI。因此，由于外部調整管的存在，負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：
考慮到寄生效應的影響，最終選用的電容值是數據手冊規定的最小值的5.45倍。據此，在輸出端連接了一個12.2 μF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表示外部調整管提供的電流，通道2表示1 Ω負載串聯電阻的電壓，體現了總負載電流的大小。所以，總的負載電流為150 mA，其中109 mA由外部調整管提供，其余41 mA由穩壓器IC提供。
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，從而拓寬了其應用領域。