Michael Krickl är civilingenjör i elektroteknik och började på Maxim som applikationsingenjör 1992. Efter elva år gick han över till Texas Instruments, där han ansvarade för att marknadsföra kretsar för power management. År 2005 började han återigen på Maxim som regionalt ansvarigt för företagets affärsområde System Power Management.

Många mekaniska funktioner i bilar har på senare år ersatts eller förändrats med elektroniska kretsar. En konsekvens har blivit en snabb ökning av antalet styrkretsar per bil, vilket lett till en motsvarande ökning av det totala strömuttaget från bilens batteri.

Så länge bilmotorn är igång och generatorn fungerar bra är denna strömförbrukning försumbar. Men när du stänger av motorn måste bilbatteriet genast leverera all ström som krävs för olika delsystem som exempelvis vindrutetorkarmotorn, fönsterhissarna, bilstereon och de komfortsystem som nu finns i de flesta bilar.

Även när alla passagerare har lämnat bilen drar många system en viss ström så att de är redo när de behövs nästa gång. För att dessa viloströmmar ska bli så låga som möjligt behöver man linjära regulatorer med låg viloström samt kombinationer av linjära och switchade regulatorer. I den här artikeln diskuteras problemet och några lösningar.

Generatorn i en genomsnittsbil kan ge ungefär 3000 watt. Om vi antar att utspänningen är 14 V klarar den ett strömuttag på mer än 200 A. Även med luftkonditioneringen på för fullt och bilstereon på diskoteknivå har generatorn kapacitet att försörja varje kombination av elektriska belastningar i bilen. Ingen behöver bekymra sig om viloströmmarna. Men vad händer när motorn är avstängd?

Bilbatteriet kan ge all effekt som behövs - en kort stund. Den viktigaste specifikationen för ett bilbatteri är dess kapacitet i amperetimmar (Ah).

Batteriet i små bilar ger vanligtvis runt 50 Ah. I teorin innebär det att man kan ta ut 1 A i 50 timmar. Om strömmen dubblas, minskar tiden till hälften. När bilen startas drar den flera hundra ampere, men bara under en kort stund. Om vi antar att det genomsnittliga strömuttaget är 300 A under start bör du ha ungefär 10 minuter på dig att starta bilen innan batteriet är tomt.

Ett annat exempel är belysningen. Normalt har en bil två strålkastare fram på vardera 50 W och två bakljus på vardera 20 W. Tillsammans förbrukar de ungefär 140 W.

Om du glömmer att släcka belysningen när du lämnar bilen drar den cirka 11,5 A från ett vanligt system på 12 V. Om vi antar att batteriet är fulladdat dröjer det ungefär fyra timmar tills strålkastarna slocknar av sig själv. I praktiken slutar de att lysa tidigare än så.

Vanliga bilbatterier kan endast ge mellan 36 Ah och 100 Ah beroende på bilens storlek och typ, men flera faktorer minskar den tillgängliga kapaciteten hos ett bilbatteri. Lägre utomhustemperatur bromsar exempelvis den interna kemiska reaktionen. Endast hälften av den ursprungliga kapaciteten är tillgänglig vid -20 grader C.

Gamla bilbatterier har mindre tillgänglig kapacitet och batteriet i en bil som oftast körs korta sträckor laddas ur snabbare än i bilar som främst används för långresor. En bil måste normalt köras minst en halv timme för att batteriet ska laddas för fullt.

Antalet laddningscykler är ungefär 500 för en bil som ofta laddar ur sitt batteri, men endast till 30 procent. Det innebär att korta sträckor tömmer batteriet snabbare och förkortar livslängden. Du måste räkna med att byta ut bilbatteriet vart femte år.

Tänk dig en kall vinter med temperaturer under noll flera veckor i sträck. Du kör till flygplatsen med en fyra år gammal bil som mest används för stadstrafik, därifrån åker du på semester till varmare breddgrader under tre veckor.

När du kommer tillbaka startar nog inte bilen. Batterikapaciteten har minskat, och det beror inte bara på stadskörningen, den långa parkeringstiden och de låga temperaturerna. Andra, dolda energitjuvar, har varit igång. De funktioner som alltid är tillslagna i en modern bil drar batteriström hela tiden, exempelvis stöldskydd, larmsystem, centrallås och övervakningen av däcktrycket. Dessutom "lyssnar" vissa noder ständigt på CAN-bussen så att de kan reagera direkt när en åtgärd krävs. Beroende på tillverkare och antalet noder kan alla små separata viloströmmar orsaka ett uttag på flera milliampere, kanske till och med så mycket som 100 mA, från batteriet.

Tänk nu på bilen på flygplatsen: kallt väder, stadstrafik och ålder hade förmodligen redan satt ned den tillgängliga kapaciteten till häften av det nominella värdet så att batteriet bara hade 25 Ah kvar när bilen parkerades. Om den ständiga viloströmmen är så låg som 25 mA förloras 12,6 Ah på 21 dagar. Denna mängd försvinner från batteriet medan bilen är parkerad, vilket minskar återstoden till en fjärdedel av ursprungskapaciteten. Det kan innebära att kapaciteten inte räcker för att starta en kall motor.

För att detta problem inte ska uppstå behöver bilelektroniken - även den som inte alltid är tillslagen eller i standby - strömförsörjningslösningar som gör viloströmmen så låg som möjligt. Små linjära regulatorer av CMOS-typ tycks vara en bra idé eftersom en del sådana kretsar drar mycket lite viloström. MAX1725 drar exempelvis endast 2 µA.

Men strömförsörjningen måste också ha ett brett inspänningsområde som kan hantera bortkopplingspulsen, en kortvarig men kraftig överspänning, som uppstår när batteriet kopplas bort då generatorn är igång. Eftersom generatorns styrslinga inte är tillräckligt snabb för att slutas avges en högspänningspuls när batterispänningen tas bort.

Denna högenergipuls dras normalt ned till en än lägre spänning på någon central plats i bilen, men biltillverkarna anger också för sina leverantörer vilken återstående överspänning som kan förväntas på ingångarna till deras strömförsörjningar. Denna uppgift är olika för olika biltillverkare, men ett vanligt toppvärde är 36 V i personbilar och 58 V i lastbilar. För vissa är det ännu högre. Varaktigheten för en typisk bortkopplingspuls är flera tiondelar av en sekund.

Dessa höga inspänningar leder oss direkt till nästa punkt som måste beaktas. Den linjära regulatorn måste även avleda en hög effekt när den avger en hög belastningsström vid låg utspänning. Att omvandla en bils typiska 13 V till 5 V med en belastning på 50 mA kanske inte är så besvärligt - det handlar bara om 400 mW, vilket ligger inom märkvärdet för en standard SO8-kapsel. Vid den överspänning som beskrivs ovan ökar dock effekten vid 36 V till mer än 1,5 W.

En regulatorkrets i en vanlig SO8-kapsel blir snabbt överhettad. Regulatorn kan överleva och återuppta driften när den har svalnat, men det hjälper inte eftersom vi måste hålla funktionen igång. Linjära regulatorer för bilar behöver avancerade kapslar som kan avleda hög effekt.

En vanlig linjär regulator för bilar som exempelvis MAX5084 från Maxim är skapad för drift inom temperaturområdet för bilar. Den har ett inspänningsområde på 65 V, viloström på 50 µA och en garanterad utgångsström på 200 mA. Den 6-poliga TDFN-kapseln kan avleda upp till 1,9 W vid 70 grader C, men (liksom för alla kapslar) denna förmåga försämras vid högre temperaturer (figur 1). Vid +125 grader C kan dock denna kapsel fortfarande avleda mer effekt än en standard SO8-kapsel vid rumstemperatur.

Andra egenskaper är en temperaturavkänning som styr utspänningen direkt på belastningen, en SET-ingång som ger andra utspänningar än de vanliga 3,3 V och 5 V, samt en Enable-funktion. Om standby-funktionen inte behövs kan du stänga av kretsen, vilket sänker den typiska matningsströmmen till 6 µA.

Mottagaren till centrallåset (figur 2) måste alltid vara aktiv så att den när som helst kan känna av kommandon från fjärrkontrollen i nyckeln. Det är inte möjligt att stänga av strömförsörjningen till ett centrallås så dess kretsar bör dra så lite ström som möjligt i vila. Men de ska försörjas med en normal arbetsström så snart de behövs.

Vi måste därför optimera strömförsörjningen när det gäller viloströmmen. Bortsett från låg viloström ställs det inte så stränga krav på den linjära regulatorn. Den ska helt enkelt ha en ingång, en utgång och ett jordningsben.

Shutdown- och Enable-funktioner behövs inte eftersom mottagaren alltid ska vara igång. Men vi måste titta noga på hur utspänningen ställs in. För många linjära regulatorer ställs utspänningen in med ett externt delningsmotstånd, men det är förmodligen ingen bra lösning i detta fall.

Tänk på följande: RF-mottagaren MAX1470 arbetar med matningsspänningen 3,3 V och för att säkerställa dess låga viloström kan vi inte tillåta en hög förspänningsström i delningsmotståndet. För en högsta ström på 2 µA måste motståndets resistans vara minst 1,65 Mohm. Det värdet kan åstadkommas med ett chipmotstånd, men höga värden har andra nackdelar. De gör motståndet känsligt för distorsion som kan påverka den linjära regulatorns utspänning.

En annan stor nackdel med att använda externa delningsmotstånd är att biltillverkarna förväntar sig att det bildas ett parasitskikt på kretskortet av olja, smuts, damm, förångad plast och andra partiklar. Därmed kommer delningsmotståndets höga impedans att minska med tiden eftersom parasitskiktet skapar parallellresistanser. Den direkta konsekvensen av denna förorening är en långsam men ständig förändring av utspänningen och en stadigt ökande viloström. Linjära regulatorer med fast utspänning och interna delningsmotstånd är därför att föredra.

Med tanke på dessa överväganden är den linjära regulatorn MAX15006 ett bra val (figur 3). Dess lilla 6-poliga TDFN-kapsel kan avleda 1,5 W och den har fast utspänning på 3,3 V eller 5 V (andra spänningar man fås på begäran). Dess inspänningsområde (upp till 40 V) gör att den kan anslutas direkt till bilbatteriet, men den största fördelen är en mycket låg viloström utan belastning på 9,5 µA. För en belastning på 1 mA är viloströmmen inom biltemperaturområdet endast 19 µA, och den ökar till 110 µA vid en maximal belastningsström på 50 mA. Prestanda är därmed acceptabelt eftersom den högsta matningsströmmen för mottagaren MAX1470 i vårt exempel är klart under 10 mA.

För att spara kortplats och pengar undviker konstruktörerna ibland att använda switchade strömförsörjningar, även när tillämpningen ställer mycket stora krav på den linjära regulatorns avledningsförmåga. Tänk dig till exempel en elektrisk styrenhet som kräver en matningsspänning på 5 V. En sådan enhet innehållet normalt en styrenhet, en givare och en CAN-drivning eller något annat bussgränssnitt och har lite analoga kretsar anslutna. Den kan tänkas dra 150 mA ström vid full drift.

En linjär regulator med en nominell inspänning på 13 V kan därför behöva avleda 1,2 W och det värdet kan stiga snabbt till 4 W under en bortkopplingspuls. För att hantera den nominella spänning på 26 V som förekommer i lastbilar måste regulatorn avleda mer än 3 W kontinuerligt. För dessa tillämpningar har en annan linjär regulator (MAX5087) utvecklats för utgångsströmmar på upp till 400 mA. Den är också inrymd i en större 56-polig QFN-kapsel på 8 5 8 mm som kan avleda upp till 3,8 W (figur 4).

För tillämpningar som kräver vissa "underhållsfunktioner" är den linjära regulatorn MAX6791 det bästa valet. Dess 20-poliga QFN-kapsel kan avleda 2,7 W och en av dess båda linjära regulatorer kan alstra en andra matningsspäning, till exempel 3,3 V för en processor och 5 V för en CAN-mottagare. Andra funktioner är en watchdog med programmerbart triggfönster, reset vid tillslag, en komparator för strömavbrott och övervakning av en extra matningsspänning samt drivlogik för en extern MOSFET (som kan ersätta en klumpig och effektkrävande skyddsdiod).