汽車線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流最小化設(shè)計

摘要： 本文討論降低汽車線性穩(wěn)壓器靜態(tài)電流的相關(guān)問題，并介紹對應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞： 汽車；LDO；RKE；電源

近些年，很多汽車機械功能已經(jīng)被電子電路取代或改進。其結(jié)果是，安裝在每輛汽車上的微處理器數(shù)量迅速上升，進而增大了汽車電池的能量消耗。只要汽車引擎和交流發(fā)電機工作正常，這些電源消耗就不會存在問題。

然而，當(dāng)關(guān)掉引擎，汽車電池必須馬上給各種系統(tǒng)提供所需的全部電流：擋風(fēng)玻璃的雨刷馬達、車窗升降器、調(diào)頻收音機/CD播放器/立體聲音響以及其他在大多數(shù)汽車內(nèi)都能找到的改善舒適環(huán)境的電子系統(tǒng)。即使當(dāng)全部乘客離開汽車后，許多系統(tǒng)為了維持其工作狀態(tài)，仍會消耗一定的電流。盡可能降低這些靜態(tài)電流需要低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器或者是開關(guān)模式與線性穩(wěn)壓器的組合。

交流電機能夠提供的功率

典型的汽車交流電機能夠提供大約3000W的功率，假定輸出電壓為14V，能夠為負載提供200A以上的電流。即使空調(diào)完全打開，汽車調(diào)頻收音機調(diào)到迪斯科模式，交流電機仍能驅(qū)動車內(nèi)任何電子負載組合，無需擔(dān)心靜態(tài)電流問題。但是，如果汽車引擎關(guān)掉，則會出現(xiàn)一些問題。

汽車電池能夠支持所需全部功率，但時間很短！就小型車而言，汽車電池的典型容量大約為50Ah(安時)。理論上,它能在提供1A電流時連續(xù)工作50小時。若電流翻倍，則時間減半。例如，發(fā)動汽車需要幾百安培電流，當(dāng)然時間很短，假定發(fā)動汽車的平均電流為300A，則必須在10分鐘內(nèi)發(fā)動引擎，不然電池就耗盡了。

另一個例子是照明，通常，一輛車有兩個50W的前燈和兩個20W的后燈，共消耗大約140W的能量。如果在離開車子時忘了關(guān)車燈，它們將從12V電池吸取11.5A的電流。假定電池是完全充滿的，那么車燈將在4個小時后自動熄滅。事實上，車燈會在更短的時間內(nèi)熄滅，發(fā)動引擎也不會需要10分鐘。

根據(jù)汽車的尺寸和種類，汽車電池的典型容量從36Ah到100Ah。幾種情況會減少汽車電池的實際容量。例如，外界溫度較低將會減緩電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)。-20℃時，可利用的電池容量只有初始容量的一半。越陳舊的汽車電池，可用容量就越低。經(jīng)常開短途的汽車其電池會比跑長途的汽車電池更快速地放電，通常，汽車需要行駛最少半小時后才能把電池充滿。如果汽車反復(fù)將電池放電到容量的30%，電池的充電次數(shù)大約為500次。因而，短途行駛會更快耗盡電池，并縮短電池壽命。需要每5年更換一次汽車電池。

高壓問題

為了解決電池容量降低或耗盡問題，汽車電子系統(tǒng)(即便是那些沒有常備功能或待機模式的系統(tǒng))需要通過電源減小靜態(tài)電流。小型CMOS線性穩(wěn)壓器是較好的選擇，因為這些器件吸收非常少的靜態(tài)電流。例如，MAX1725只消耗2mA電流。不幸的是，電源必須允許較寬的輸入電壓范圍，以處理甩負載問題。甩負載是指當(dāng)交流電機啟動時在斷開電池瞬間產(chǎn)生的高壓。

因為交流電機控制環(huán)路無法迅速閉合，斷開電池時會產(chǎn)生一個很高的輸出電壓。這個高能脈沖在汽車內(nèi)部的中心地帶會鉗位到一個較低電壓。但汽車廠商仍然會告知他們的供應(yīng)商，在電源輸入端需要留有過壓余量。這個參數(shù)因汽車廠商的不同而不同，一般情況下，轎車的典型峰值為36V，卡車為58V，有時可能會更高。典型的甩負載脈沖持續(xù)十分之幾秒(圖1)。

圖1  典型的甩負載高壓脈沖的最大值(Vs)為36V(轎車)或58V (卡車)，持續(xù)時間(td)為幾百個毫秒

功率耗散和溫度

高輸入電壓會直接引發(fā)下一個問題，線性穩(wěn)壓器不僅能承受特定的高壓，還必須在輸出低電壓、大電流的情況下能夠耗散大量的功率。把汽車的13V典型輸入電壓轉(zhuǎn)化到5V、50mA輸出也許不是很困難，因為只有400mW的功耗，在標(biāo)準(zhǔn)SO-8封裝能夠耗散的最大功率以內(nèi)。但在過壓情況下，36V輸入時功率耗散提高到1.5W。

任何封裝功率耗散能力都會在溫度升高時下降，因此，在較高溫度下耗散如此大的功率勢必存在問題。這種情況下，普通的SO-8封裝芯片會迅速進入熱關(guān)斷狀態(tài)，穩(wěn)壓器可能不被損壞，冷卻后還會再次恢復(fù)，但不滿足實際需求的要求。因為我們需要功能電路一直處于激活狀態(tài)，車載線性穩(wěn)壓器需要先進的封裝提高功率耗散能力。

MAX5084等標(biāo)準(zhǔn)汽車線性穩(wěn)壓器可以工作在整個汽車級溫度范圍，它具備65V輸入范圍，50mA的典型靜態(tài)電流和200mA電流輸出。其6引腳TDFN封裝配合裸露焊盤，能夠在+70℃下連續(xù)耗散1.9W的功率。當(dāng)然，任何封裝的散熱能力都會隨溫度的升高而下降(圖2)，+125℃時，該封裝能夠耗散的功率仍然高于標(biāo)準(zhǔn)SO-8。其它器件特性包括Kelvin檢測選項，可以直接控制負載端的輸出電壓，通過SET引腳設(shè)置3.3V、5V及其它輸出電壓，還可用于使能控制。如果不需要待機功能，可以禁止器件工作，使典型電源電流降至6mA。

圖2 小尺寸、功能強大的汽車線性穩(wěn)壓器

降低常備功能電路的靜態(tài)電流

遙控門禁(RKE)系統(tǒng)的接收器(圖3)需要始終保持工作，以便時刻檢測遙控鑰匙發(fā)出的命令。由于不能關(guān)掉RKE接收器的電源，要求盡可能降低其靜態(tài)電流，特別是待機模式下的電流。一旦RKE喚醒，電路必須提供正常的工作電流。

圖3 典型RKE系統(tǒng)、包括車內(nèi)和鑰匙端電路

我們必須通過降低靜態(tài)電流來優(yōu)化電源的利用 。除了低靜態(tài)電流，對內(nèi)部線性穩(wěn)壓器的要求不算苛刻，只需簡單提供輸入、輸出和接地端，因為接收器一直保持工作，并不需要關(guān)斷和使能控制功能。我們需要密切關(guān)注電源輸出電壓的設(shè)置，一些線性穩(wěn)壓器通過外部電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，但對這種應(yīng)用并不理想，請考慮以下情況。

MAX1470射頻接收器工作在3.3V電壓，為了降低靜態(tài)電流，我們不允許電阻分壓器消耗較大的偏置電流，例如，最大2mA的電流，這樣的話，分壓電阻必須在1.65MW以上?？梢缘玫竭@種芯片電阻，但高阻值會帶來其它問題，例如，分壓器對失真比較敏感，這可能影響線性穩(wěn)壓器輸出電壓的精度。

另外一個使用外部電阻分壓器的缺點是：印刷電路板上污垢、灰塵等其它物質(zhì)的堆積會產(chǎn)生較厚的寄生層。寄生層形成的并聯(lián)阻抗將使得分壓器的高阻日益下降。這種污染的直接后果是輸出電壓緩慢、持續(xù)地變化和靜態(tài)電流的不斷增大。所以，對于固定輸出電壓的線性穩(wěn)壓器而言，內(nèi)置分壓器是首選方案。

基于這些考慮，MAX15006線性穩(wěn)壓器是非常理想的選擇(圖4)，采用6引腳TDFN封裝，可以耗散1.5W功率，且提供3.3V或5V(或其它數(shù)值)的固定輸出電壓。MAX15006的輸入電壓范圍(最大到40V)允許直連汽車電池，空載時的靜態(tài)電流只有9.5μA(典型值)。對于1mA的負載來說，在整個汽車溫度范圍內(nèi)，最大靜態(tài)電流只有19μA，當(dāng)最大負載電流變?yōu)?0mA時，靜態(tài)電流為110μA。因為MAX1470接收器的最大供電電流為10mA以下，所以MAX15006的性能完全符合要求。

圖4  汽車線性穩(wěn)壓器MAX15006只需少量外圍器件，占用極小的電路板面積