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汽车线性稳压器的静态电流最小化设计

发布时间:2020-07-01 02:17:25 阅读: 来源:热收缩带厂家

摘要:本文讨论降低汽车线性稳压器静态电流的相关问题,并介绍对应的解决方案。关键词:汽车;LDO;RKE;电源

近些年,很多汽车机械功能已经被电子电路取代或改进。其结果是,安装在每辆汽车上的微处理器数量迅速上升,进而增大了汽车电池的能量消耗。只要汽车引擎和交流发电机工作正常,这些电源消耗就不会存在问题。然而,当关掉引擎,汽车电池必须马上给各种系统提供所需的全部电流:挡风玻璃的雨刷马达、车窗升降器、调频收音机/CD播放器/立体声音响以及其他在大多数汽车内都能找到的改善舒适环境的电子系统。即使当全部乘客离开汽车后,许多系统为了维持其工作状态,仍会消耗一定的电流。尽可能降低这些静态电流需要低静态电流的线性稳压器或者是开关模式与线性稳压器的组合。交流电机能够提供的功率典型的汽车交流电机能够提供大约3000W的功率,假定输出电压为14V,能够为负载提供200A以上的电流。即使空调完全打开,汽车调频收音机调到迪斯科模式,交流电机仍能驱动车内任何电子负载组合,无需担心静态电流问题。但是,如果汽车引擎关掉,则会出现一些问题。汽车电池能够支持所需全部功率,但时间很短!就小型车而言,汽车电池的典型容量大约为50Ah(安时)。理论上,它能在提供1A电流时连续工作50小时。若电流翻倍,则时间减半。例如,发动汽车需要几百安培电流,当然时间很短,假定发动汽车的平均电流为300A,则必须在10分钟内发动引擎,不然电池就耗尽了。另一个例子是照明,通常,一辆车有两个50W的前灯和两个20W的后灯,共消耗大约140W的能量。如果在离开车子时忘了关车灯,它们将从12V电池吸取11.5A的电流。假定电池是完全充满的,那么车灯将在4个小时后自动熄灭。事实上,车灯会在更短的时间内熄灭,发动引擎也不会需要10分钟。根据汽车的尺寸和种类,汽车电池的典型容量从36Ah到100Ah。几种情况会减少汽车电池的实际容量。例如,外界温度较低将会减缓电池内部化学物质的反应。-20℃时,可利用的电池容量只有初始容量的一半。越陈旧的汽车电池,可用容量就越低。经常开短途的汽车其电池会比跑长途的汽车电池更快速地放电,通常,汽车需要行驶最少半小时后才能把电池充满。如果汽车反复将电池放电到容量的30%,电池的充电次数大约为500次。因而,短途行驶会更快耗尽电池,并缩短电池寿命。需要每5年更换一次汽车电池。高压问题为了解决电池容量降低或耗尽问题,汽车电子系统(即便是那些没有常备功能或待机模式的系统)需要通过电源减小静态电流。小型CMOS线性稳压器是较好的选择,因为这些器件吸收非常少的静态电流。例如,MAX1725只消耗2mA电流。不幸的是,电源必须允许较宽的输入电压范围,以处理甩负载问题。甩负载是指当交流电机启动时在断开电池瞬间产生的高压。因为交流电机控制环路无法迅速闭合,断开电池时会产生一个很高的输出电压。这个高能脉冲在汽车内部的中心地带会钳位到一个较低电压。但汽车厂商仍然会告知他们的供应商,在电源输入端需要留有过压余量。这个参数因汽车厂商的不同而不同,一般情况下,轿车的典型峰值为36V,卡车为58V,有时可能会更高。典型的甩负载脉冲持续十分之几秒(图1)。

图1 典型的甩负载高压脉冲的最大值(Vs)为36V(轿车)或58V (卡车),持续时间(td)为几百个毫秒功率耗散和温度高输入电压会直接引发下一个问题,线性稳压器不仅能承受特定的高压,还必须在输出低电压、大电流的情况下能够耗散大量的功率。把汽车的13V典型输入电压转化到5V、50mA输出也许不是很困难,因为只有400mW的功耗,在标准SO-8封装能够耗散的最大功率以内。但在过压情况下,36V输入时功率耗散提高到1.5W。任何封装功率耗散能力都会在温度升高时下降,因此,在较高温度下耗散如此大的功率势必存在问题。这种情况下,普通的SO-8封装芯片会迅速进入热关断状态,稳压器可能不被损坏,冷却后还会再次恢复,但不满足实际需求的要求。因为我们需要功能电路一直处于激活状态,车载线性稳压器需要先进的封装提高功率耗散能力。MAX5084等标准汽车线性稳压器可以工作在整个汽车级温度范围,它具备65V输入范围,50mA的典型静态电流和200mA电流输出。其6引脚TDFN封装配合裸露焊盘,能够在+70℃下连续耗散1.9W的功率。当然,任何封装的散热能力都会随温度的升高而下降(图2),+125℃时,该封装能够耗散的功率仍然高于标准SO-8。其它器件特性包括Kelvin检测选项,可以直接控制负载端的输出电压,通过SET引脚设置3.3V、5V及其它输出电压,还可用于使能控制。如果不需要待机功能,可以禁止器件工作,使典型电源电流降至6mA。

图2 小尺寸、功能强大的汽车线性稳压器降低常备功能电路的静态电流遥控门禁(RKE)系统的接收器(图3)需要始终保持工作,以便时刻检测遥控钥匙发出的命令。由于不能关掉RKE接收器的电源,要求尽可能降低其静态电流,特别是待机模式下的电流。一旦RKE唤醒,电路必须提供正常的工作电流。

图3 典型RKE系统、包括车内和钥匙端电路我们必须通过降低静态电流来优化电源的利用 。除了低静态电流,对内部线性稳压器的要求不算苛刻,只需简单提供输入、输出和接地端,因为接收器一直保持工作,并不需要关断和使能控制功能。我们需要密切关注电源输出电压的设置,一些线性稳压器通过外部电阻分压器设置输出电压,但对这种应用并不理想,请考虑以下情况。MAX1470射频接收器工作在3.3V电压,为了降低静态电流,我们不允许电阻分压器消耗较大的偏置电流,例如,最大2mA的电流,这样的话,分压电阻必须在1.65MW以上。可以得到这种芯片电阻,但高阻值会带来其它问题,例如,分压器对失真比较敏感,这可能影响线性稳压器输出电压的精度。另外一个使用外部电阻分压器的缺点是:印刷电路板上污垢、灰尘等其它物质的堆积会产生较厚的寄生层。寄生层形成的并联阻抗将使得分压器的高阻日益下降。这种污染的直接后果是输出电压缓慢、持续地变化和静态电流的不断增大。所以,对于固定输出电压的线性稳压器而言,内置分压器是首选方案。基于这些考虑,MAX15006线性稳压器是非常理想的选择(图4),采用6引脚TDFN封装,可以耗散1.5W功率,且提供3.3V或5V(或其它数值)的固定输出电压。MAX15006的输入电压范围(最大到40V)允许直连汽车电池,空载时的静态电流只有9.5μA(典型值)。对于1mA的负载来说,在整个汽车温度范围内,最大静态电流只有19μA,当最大负载电流变为50mA时,静态电流为110μA。因为MAX1470接收器的最大供电电流为10mA以下,所以MAX15006的性能完全符合要求。

图4 汽车线性稳压器MAX15006只需少量外围器件,占用极小的电路板面积

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