汽車(chē)信息娛樂(lè )系統設計借助多輸出電源管理 IC 而簡(jiǎn)化

背景

隨著(zhù)產(chǎn)品外形的不斷縮小，對于其功能和特性的要求持續提高。再者，用于為這些產(chǎn)品供電的精細數字 IC (例如：微處理器 [μP] 和微控制器 [μC] 或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 [FPGA]) 的業(yè)界發(fā)展趨勢是：繼續降低其工作電壓，同時(shí)增加其電流量。微處理器是導入設計時(shí)最常用的此類(lèi) IC 之一，而且諸如 Freescale、Intel、NVIDIA、Samsung 和 ARM 等供應商推出了越來(lái)越多的高效率型產(chǎn)品。這些產(chǎn)品設計用于為眾多的無(wú)線(xiàn)、嵌入式和網(wǎng)絡(luò )應用提供低功耗和高性能處理。

這些處理器的初衷是：幫助 OEM 制造商開(kāi)發(fā)出體積較小、成本效益性更佳并具有長(cháng)電池使用壽命的便攜手持式設備，同時(shí)提供更高的計算性能以運行功能豐富的多媒體應用程序。然而，這種對于高效率和高處理性能組合的需求已經(jīng)擴展到了非便攜式應用領(lǐng)域。相關(guān)的例子包括汽車(chē)信息娛樂(lè )系統和其他的嵌入式應用，它們均需要相似的效率和處理性能。在所有的場(chǎng)合中，都必需采用一種高度專(zhuān)用的高性能電源管理 IC (PMIC) 來(lái)正確地控制和監視微處理器的電源，以便獲得此類(lèi)處理器的所有性能優(yōu)勢。此外，隨著(zhù)汽車(chē)車(chē)載電子裝備不斷地大幅增加，作為車(chē)內各種控制系統之“主力”的微處理器的使用量也大為增多。信息娛樂(lè )系統囊括了大量旨在改善駕駛體驗的功能。觸摸屏、藍牙通信、數字及高清晰度電視 (HDTV)、衛星無(wú)線(xiàn)電、CD/DVD/MP3 播放器、全球定位系統 (GPS) 導航和視頻游戲系統已經(jīng)在汽車(chē)內部營(yíng)造了一個(gè)成熟完備的娛樂(lè )中心!

汽車(chē) PMIC 挑戰

面向汽車(chē)應用的電子系統設計頗具挑戰性，究其原因是很多的，包括寬工作溫度范圍、嚴格的 EMC 和瞬態(tài)要求、以及汽車(chē) OEM 制造商所要求的高質(zhì)量水準。我們從寬工作溫度范圍開(kāi)始討論，電源管理 IC 面臨著(zhù)來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面的挑戰。首先，電源轉換 (即使在高效率的情況下) 必定會(huì )將一些功率作為熱量消耗掉。當把幾個(gè) DC-DC 和 LDO 穩壓器集成在單個(gè)器件之中時(shí)，其組合功率耗散會(huì )相當大，輕而易舉地就能接近 2W 或更高。典型的 PMIC 封裝 (比如：6mm x 6mm 40 引腳、裸露襯墊 QFN) 具有一個(gè) 33°C/W 的熱阻，可導致結溫升幅超過(guò) 60°C。如果再加上寬環(huán)境工作溫度范圍這個(gè)額外的難題，PMIC 的最大結溫常常會(huì )超過(guò) 125°C。即使是在汽車(chē)車(chē)身電子設備中 (不是引擎罩下)，密封式塑料電子控制模塊內部的環(huán)境溫度亦可達到 95°C。由于這些溫度方面的難題，許多規格在 85°C 甚至 125°C 的 PMIC 都不足以在高溫環(huán)境中持續運作。

在高環(huán)境溫度場(chǎng)合中運作集成型電源管理器件的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：器件應能自行監視其芯片溫度并在其結溫變得過(guò)高時(shí)進(jìn)行報告，這樣系統控制器就能機智靈活地決定是否降低負載的供電功率。通過(guò)關(guān)斷不太重要的功能電路或者調低處理器和其他高功率功能電路 (例如：顯示器和網(wǎng)絡(luò )通信) 的運行性能，操作系統軟件能夠實(shí)現上述目標。

現今汽車(chē)儀表盤(pán)的內部環(huán)境中擠滿(mǎn)了形形色色的電子線(xiàn)路與組件。而從藍牙到基于蜂窩電話(huà)的網(wǎng)絡(luò )連接等無(wú)線(xiàn)電裝置的加入則使這種狀況雪上加霜。因此，假如要在這個(gè)散熱條件嚴重受限的環(huán)境中裝入任何新的組件，那么這些新組件就不能產(chǎn)生過(guò)多的熱量或 EMI，這一點(diǎn)是十分必要。這里的電磁兼容性 (EMC) 要求十分嚴格，其涵蓋了輻射和傳導發(fā)射、輻射和傳導抵抗力或敏感性、以及靜電放電 (ESD)。如欲擁有滿(mǎn)足這些要求的能力，那么 PMIC 設計的性能方面將受到影響。其中有些影響是簡(jiǎn)單直接的，比如：DC-DC 開(kāi)關(guān)穩壓器必須在遠遠超出 AM 無(wú)線(xiàn)電頻段的某個(gè)固定頻率上運作。然而，DC-DC 轉換器中的另一個(gè)常見(jiàn)的輻射發(fā)射源則來(lái)自于其內部功率 MOSFET 的開(kāi)關(guān)邊緣速率。必須對這些邊緣速度進(jìn)行控制以減少輻射發(fā)射。當今的許多嵌入式系統和先進(jìn)處理器都需要在電源上電及施加至各種不同的電路時(shí)執行受控和精心設計的排序。提供系統靈活性及簡(jiǎn)單的排序方法不僅可使系統設計更加容易，而且還能提高系統可靠性并允許由單個(gè) PMIC 來(lái)應對更加廣泛的系統，而不僅僅局限于滿(mǎn)足某種特定處理器的要求。

概括起來(lái)，汽車(chē)信息娛樂(lè )系統設計人員所面臨的主要難題包括：

l 在功率耗散與高集成度 (內置多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器和線(xiàn)性穩壓器) 之間實(shí)現平衡

l 先進(jìn)的納米技術(shù)處理器和 FPGA 所要求的準確輸出電壓調節和負載階躍響應

l 監視結溫

l 對于輻射及傳導噪聲的耐受力，并產(chǎn)生很低的輻射

l 大的電壓瞬變和極端溫度

l 管理啟動(dòng)和停機期間的電源排序

l 盡量縮減解決方案的尺寸和占板面積

一款簡(jiǎn)單的解決方案

歷史上，很多 PMIC 都不具備用于處理這些新式系統和微處理器所需的功率。對于任何旨在滿(mǎn)足上述汽車(chē)電源管理 IC 設計限制條件的解決方案來(lái)說(shuō)，其必須同時(shí)具備高集成度 (包括高電流開(kāi)關(guān)穩壓器和 LDO)、寬工作溫度范圍、電源排序、關(guān)鍵參數的動(dòng)態(tài) I2C 控制和“難以實(shí)現的”功能構件。此外，具有高開(kāi)關(guān)頻率的器件還可縮減外部組件的尺寸，而陶瓷電容器則能降低輸出紋波。這種低紋波與準確、快速響應穩壓器相組合，可滿(mǎn)足 45nm 型處理器苛刻的電壓容差。雖然輸入電壓通常取自經(jīng)過(guò)預先調節的 5V 或 3.3V 系統電源軌或電池電壓，但此類(lèi)電源 IC 還必須擁有適應嚴苛汽車(chē)環(huán)境的能力，包括輻射發(fā)射抑制。

一款高功率的電源管理解決方案

LTC3676 / LTC3676-1 是完整的電源管理解決方案，適合于 Freescale i.MX6 處理器、基于 ARM 的處理器和其他的先進(jìn)便攜式微處理器系統。LTC3676 / LTC3676-1 包含 4 個(gè)用于內核、存儲器、I/O 和片上系統 (SoC) 電源軌的同步降壓型 DC/DC 轉換器 (各能提供高達 2.5A 電流)，以及 3 個(gè)用于低噪聲模擬電源的 300mA 線(xiàn)性穩壓器。LTC3676-1