汽車(chē)線(xiàn)性穩壓器的靜態(tài)電流最小化設計

摘要： 本文討論降低汽車(chē)線(xiàn)性穩壓器靜態(tài)電流的相關(guān)問(wèn)題，并介紹對應的解決方案。

關(guān)鍵詞： 汽車(chē)；LDO；RKE；電源

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

然而，當關(guān)掉引擎，汽車(chē)電池必須馬上給各種系統提供所需的全部電流：擋風(fēng)玻璃的雨刷馬達、車(chē)窗升降器、調頻收音機/CD播放器/立體聲音響以及其他在大多數汽車(chē)內都能找到的改善舒適環(huán)境的電子系統。即使當全部乘客離開(kāi)汽車(chē)后，許多系統為了維持其工作狀態(tài)，仍會(huì )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(xiàn)性穩壓器或者是開(kāi)關(guān)模式與線(xiàn)性穩壓器的組合。

交流電機能夠提供的功率

典型的汽車(chē)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。即使空調完全打開(kāi)，汽車(chē)調頻收音機調到迪斯科模式，交流電機仍能驅動(dòng)車(chē)內任何電子負載組合，無(wú)需擔心靜態(tài)電流問(wèn)題。但是，如果汽車(chē)引擎關(guān)掉，則會(huì )出現一些問(wèn)題。

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

另一個(gè)例子是照明，通常，一輛車(chē)有兩個(gè)50W的前燈和兩個(gè)20W的后燈，共消耗大約140W的能量。如果在離開(kāi)車(chē)子時(shí)忘了關(guān)車(chē)燈，它們將從12V電池吸取11.5A的電流。假定電池是完全充滿(mǎn)的，那么車(chē)燈將在4個(gè)小時(shí)后自動(dòng)熄滅。事實(shí)上，車(chē)燈會(huì )在更短的時(shí)間內熄滅，發(fā)動(dòng)引擎也不會(huì )需要10分鐘。

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

高壓?jiǎn)?wèn)題

為了解決電池容量降低或耗盡問(wèn)題，汽車(chē)電子系統(即便是那些沒(méi)有常備功能或待機模式的系統)需要通過(guò)電源減小靜態(tài)電流。小型CMOS線(xiàn)性穩壓器是較好的選擇，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(wèn)題。甩負載是指當交流電機啟動(dòng)時(shí)在斷開(kāi)電池瞬間產(chǎn)生的高壓。

因為交流電機控制環(huán)路無(wú)法迅速閉合，斷開(kāi)電池時(shí)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)很高的輸出電壓。這個(gè)高能脈沖在汽車(chē)內部的中心地帶會(huì )鉗位到一個(gè)較低電壓。但汽車(chē)廠(chǎng)商仍然會(huì )告知他們的供應商，在電源輸入端需要留有過(guò)壓余量。這個(gè)參數因汽車(chē)廠(chǎng)商的不同而不同，一般情況下，轎車(chē)的典型峰值為36V，卡車(chē)為58V，有時(shí)可能會(huì )更高。典型的甩負載脈沖持續十分之幾秒(圖1)。

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

功率耗散和溫度

高輸入電壓會(huì )直接引發(fā)下一個(gè)問(wèn)題，線(xiàn)性穩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(chē)的13V典型輸入電壓轉化到5V、50mA輸出也許不是很困難，因為只有400mW的功耗，在標準SO-8封裝能夠耗散的最大功率以?xún)?。但在過(guò)壓情況下，36V輸入時(shí)功率耗散提高到1.5W。

任何封裝功率耗散能力都會(huì )在溫度升高時(shí)下降，因此，在較高溫度下耗散如此大的功率勢必存在問(wèn)題。這種情況下，普通的SO-8封裝芯片會(huì )迅速進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，穩壓器可能不被損壞，冷卻后還會(huì )再次恢復，但不滿(mǎn)足實(shí)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(chē)載線(xiàn)性穩壓器需要先進(jìn)的封裝提高功率耗散能力。

MAX5084等標準汽車(chē)線(xiàn)性穩壓器可以工作在整個(gè)汽車(chē)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(pán)，能夠在+70℃下連續耗散1.9W的功率。當然，任何封裝的散熱能力都會(huì )隨溫度的升高而下降(圖2)，+125℃時(shí)，該封裝能夠耗散的功率仍然高于標準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(guò)SET引腳設置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(chē)線(xiàn)性穩壓器

降低常備功能電路的靜態(tài)電流

遙控門(mén)禁(RKE)系統的接收器(圖3)需要始終保持工作，以便時(shí)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、包括車(chē)內和鑰匙端電路

我們必須通過(guò)降低靜態(tài)電流來(lái)優(yōu)化電源的利用 。除了低靜態(tài)電流，對內部線(xiàn)性穩壓器的要求不算苛刻，只需簡(jiǎn)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置，一些線(xiàn)性穩壓器通過(guò)外部電阻分壓器設置輸出電壓，但對這種應用并不理想，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(huà)，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(huì )帶來(lái)其它問(wèn)題，例如，分壓器對失真比較敏感，這可能影響線(xiàn)性穩壓器輸出電壓的精度。

另外一個(gè)使用外部電阻分壓器的缺點(diǎn)是：印刷電路板上污垢、灰塵等其它物質(zhì)的堆積會(huì )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(xiàn)性穩壓器而言，內置分壓器是首選方案。

基于這些考慮，MAX15006線(xiàn)性穩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(chē)電池，空載時(shí)的靜態(tài)電流只有9.5μA(典型值)。對于1mA的負載來(lái)說(shuō)，在整個(gè)汽車(chē)溫度范圍內，最大靜態(tài)電流只有19μA，當最大負載電流變?yōu)?0mA時(shí)，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(chē)線(xiàn)性穩壓器MAX15006只需少量外圍器件，占用極小的電路板面積