汽車信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計借助多輸出電源管理 IC 而簡化

背景

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

這些處理器的初衷是：幫助 OEM 制造商開發(fā)出體積較小、成本效益性更佳并具有長電池使用壽命的便攜手持式設(shè)備，同時提供更高的計算性能以運行功能豐富的多媒體應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。相關(guān)的例子包括汽車信息娛樂系統(tǒng)和其他的嵌入式應(yīng)用，它們均需要相似的效率和處理性能。在所有的場合中，都必需采用一種高度專用的高性能電源管理 IC (PMIC) 來正確地控制和監(jiān)視微處理器的電源，以便獲得此類處理器的所有性能優(yōu)勢。此外，隨著汽車車載電子裝備不斷地大幅增加，作為車內(nèi)各種控制系統(tǒng)之“主力”的微處理器的使用量也大為增多。信息娛樂系統(tǒng)囊括了大量旨在改善駕駛體驗的功能。觸摸屏、藍牙通信、數(shù)字及高清晰度電視 (HDTV)、衛(wèi)星無線電、CD/DVD/MP3 播放器、全球定位系統(tǒng) (GPS) 導(dǎo)航和視頻游戲系統(tǒng)已經(jīng)在汽車內(nèi)部營造了一個成熟完備的娛樂中心!

汽車 PMIC 挑戰(zhàn)

面向汽車應(yīng)用的電子系統(tǒng)設(shè)計頗具挑戰(zhàn)性，究其原因是很多的，包括寬工作溫度范圍、嚴(yán)格的 EMC 和瞬態(tài)要求、以及汽車 OEM 制造商所要求的高質(zhì)量水準(zhǔn)。我們從寬工作溫度范圍開始討論，電源管理 IC 面臨著來自兩個方面的挑戰(zhàn)。首先，電源轉(zhuǎn)換 (即使在高效率的情況下) 必定會將一些功率作為熱量消耗掉。當(dāng)把幾個 DC-DC 和 LDO 穩(wěn)壓器集成在單個器件之中時，其組合功率耗散會相當(dāng)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 33°C/W 的熱阻，可導(dǎo)致結(jié)溫升幅超過 60°C。如果再加上寬環(huán)境工作溫度范圍這個額外的難題，PMIC 的最大結(jié)溫常常會超過 125°C。即使是在汽車車身電子設(shè)備中 (不是引擎罩下)，密封式塑料電子控制模塊內(nèi)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(guī)格在 85°C 甚至 125°C 的 PMIC 都不足以在高溫環(huán)境中持續(xù)運作。

在高環(huán)境溫度場合中運作集成型電源管理器件的另一個關(guān)鍵點是：器件應(yīng)能自行監(jiān)視其芯片溫度并在其結(jié)溫變得過高時進行報告，這樣系統(tǒng)控制器就能機智靈活地決定是否降低負(fù)載的供電功率。通過關(guān)斷不太重要的功能電路或者調(diào)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(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)。

現(xiàn)今汽車儀表盤的內(nèi)部環(huán)境中擠滿了形形色色的電子線路與組件。而從藍牙到基于蜂窩電話的網(wǎng)絡(luò)連接等無線電裝置的加入則使這種狀況雪上加霜。因此，假如要在這個散熱條件嚴(yán)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)生過多的熱量或 EMI，這一點是十分必要。這里的電磁兼容性 (EMC) 要求十分嚴(yán)格，其涵蓋了輻射和傳導(dǎo)發(fā)射、輻射和傳導(dǎo)抵抗力或敏感性、以及靜電放電 (ESD)。如欲擁有滿足這些要求的能力，那么 PMIC 設(shè)計的性能方面將受到影響。其中有些影響是簡單直接的，比如：DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器必須在遠遠超出 AM 無線電頻段的某個固定頻率上運作。然而，DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的另一個常見的輻射發(fā)射源則來自于其內(nèi)部功率 MOSFET 的開關(guān)邊緣速率。必須對這些邊緣速度進行控制以減少輻射發(fā)射。當(dāng)今的許多嵌入式系統(tǒng)和先進處理器都需要在電源上電及施加至各種不同的電路時執(zhí)行受控和精心設(shè)計的排序。提供系統(tǒng)靈活性及簡單的排序方法不僅可使系統(tǒng)設(shè)計更加容易，而且還能提高系統(tǒng)可靠性并允許由單個 PMIC 來應(yīng)對更加廣泛的系統(tǒng)，而不僅僅局限于滿足某種特定處理器的要求。

概括起來，汽車信息娛樂系統(tǒng)設(shè)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(nèi)置多個開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器) 之間實現(xiàn)平衡

l 先進的納米技術(shù)處理器和 FPGA 所要求的準(zhǔn)確輸出電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載階躍響應(yīng)

l 監(jiān)視結(jié)溫

l 對于輻射及傳導(dǎo)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(tǒng)和微處理器所需的功率。對于任何旨在滿足上述汽車電源管理 IC 設(shè)計限制條件的解決方案來說，其必須同時具備高集成度 (包括高電流開關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO)、寬工作溫度范圍、電源排序、關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài) I2C 控制和“難以實現(xiàn)的”功能構(gòu)件。此外，具有高開關(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(zhǔn)確、快速響應(yīng)穩(wěn)壓器相組合，可滿足 45nm 型處理器苛刻的電壓容差。雖然輸入電壓通常取自經(jīng)過預(yù)先調(diào)節(jié)的 5V 或 3.3V 系統(tǒng)電源軌或電池電壓，但此類電源 IC 還必須擁有適應(yīng)嚴(yán)苛汽車環(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便攜式微處理器系統(tǒng)。LTC3676 / LTC3676-1 包含 4 個用于內(nèi)核、存儲器、I/O 和片上系統(tǒng) (SoC) 電源軌的同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 (各能提供高達 2.5A 電流)，以及 3 個用于低噪聲模擬電源的 300mA 線性穩(wěn)壓器。LTC3676-1