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此類信息娛樂(lè)系統(tǒng)的核心是一個(gè)復(fù)雜的微處理器。飛思卡爾 (Freescale)、英特爾 (Intel)、ARM 和其他公司提供了大量的高效率微處理器，此類仍在不斷發(fā)展壯大的微處理器專為給眾多無(wú)線、嵌入式和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供低功耗和高性能處理而設(shè)計(jì)。這些產(chǎn)品的初衷是使原始設(shè)備制造商 (OEM) 能夠開(kāi)發(fā)出體積較小、成本效益性更佳并具有長(zhǎng)電池使用壽命的便攜手持式設(shè)備，同時(shí)提供增強(qiáng)型處理性能以運(yùn)行多功能多媒體應(yīng)用程序。近來(lái)，對(duì)這種高效率和處理性能組合的需求已擴(kuò)展到了非便攜式應(yīng)用領(lǐng)域。因此，汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)及其他嵌入式應(yīng)用也要求類似的效率和處理性能水平。然而在所有的場(chǎng)合中，為了正確地控制和監(jiān)視微處理器的電源系統(tǒng)、并確保這些處理器的全部性能優(yōu)勢(shì)均能得以實(shí)現(xiàn)，高度專用的高性能電源管理伙伴 IC 將是必不可少的。

 

面向汽車應(yīng)用的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kāi)始說(shuō)起，電源管理 IC 面臨著來(lái)自兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)。首先是功率轉(zhuǎn)換，即使在擁有高效率的情況下也必定要消耗一定量的功率。當(dāng)多個(gè) DC-DC 和 LDO 穩(wěn)壓器集成在單個(gè)器件中時(shí)，其組合功率耗散會(huì)相當(dāng)大，輕易就能超過(guò) 1W。諸如 6mm x 6mm 40 引腳 QFN 等典型 PMIC 封裝具有一個(gè) 40°C/W 的熱阻，因而導(dǎo)致結(jié)溫升幅超過(guò) 40°C。如果再把第二項(xiàng)挑戰(zhàn) (即：寬工作環(huán)境溫度) 考慮進(jìn)去，那么 PMIC 的最大結(jié)溫常常超過(guò) 125°C。即使在車身電子中 (而并非引擎罩下)，密封塑料電子控制模塊內(nèi)部的環(huán)境溫度也有可能達(dá)到 95°C。由于這些溫度方面的難題，許多針對(duì) 85°C 甚至 125°C 溫度條件擬訂額定指標(biāo)的 PMIC 都不足以在高溫環(huán)境中持續(xù)操作。

 

如需在高環(huán)境溫度條件下運(yùn)作一個(gè)集成型電源管理器件，則另一個(gè)關(guān)鍵之處是器件必需監(jiān)視其自身的內(nèi)部芯片溫度，并在結(jié)溫即將達(dá)到過(guò)高水平時(shí)發(fā)出報(bào)告，以便系統(tǒng)能夠就如何降低負(fù)載的供電功率做出機(jī)智靈活的決策。系統(tǒng)軟件可通過(guò)關(guān)斷不太關(guān)鍵的功能電路或降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(yùn)行性能來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

 

如今，在汽車儀表板的內(nèi)部擠滿了形形色色的電子線路與零組件。而且，它還有可能被塞進(jìn)了從藍(lán)牙到基于蜂窩電話的網(wǎng)絡(luò)連接等無(wú)線通信功能電路。因此，假如要在這個(gè)散熱條件嚴(yán)重受限的環(huán)境中裝入新的組件，這些新組件就不能產(chǎn)生過(guò)大的熱量或 EMI，這一點(diǎn)很重要。這里的電磁兼容性 (EMC) 要求十分嚴(yán)格，涉及輻射和傳導(dǎo)發(fā)射、輻射和傳導(dǎo)抵抗力或敏感度、以及靜電放電 (ESD)。如欲擁有滿足所有這些要求的能力，那么 PMIC 設(shè)計(jì)的諸多性能方面都將受到影響。其中有些影響是簡(jiǎn)單直接的，比如：DC-DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器必須工作于一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 AM 無(wú)線電頻段的固定頻率。然而，DC-DC 轉(zhuǎn)換器中另一個(gè)常見(jiàn)的輻射發(fā)射源則來(lái)自于其內(nèi)部功率 FET 的開(kāi)關(guān)邊緣速率。

 

當(dāng)今的許多嵌入式系統(tǒng)和先進(jìn)處理器都需要在電源起動(dòng)及施加至各種不同電路時(shí)執(zhí)行受控和精心設(shè)計(jì)的排序。提供系統(tǒng)靈活性和簡(jiǎn)單的排序方法不單能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還將確保系統(tǒng)可靠性并允許單個(gè) PMIC 處理更多的系統(tǒng)，而不僅僅局限于滿足某種特定的處理器要求。

 

概括起來(lái)，汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的主要難題包括：

 

·在功率耗散與多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO 的高集成度之間的權(quán)衡

·監(jiān)測(cè)結(jié)溫

· 輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射抵抗力

·大的電壓瞬變和極端溫度

·管理電源排序

·盡量縮減解決方案尺寸和占板面積

 

歷史上，許多現(xiàn)有的 PMIC 尚未擁有處理這些新式系統(tǒng)和微處理器的必要功率。對(duì)于任何旨在滿足上述汽車電源管理 IC 設(shè)計(jì)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(wěn)壓器和 LDO)、寬工作溫度范圍、電源排序、關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài) I²C 控制和“難以實(shí)現(xiàn)” 的功能構(gòu)件 (例如：降壓-升壓型穩(wěn)壓器)。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。雖然輸入電壓通常取自經(jīng)過(guò)預(yù)先調(diào)節(jié)的系統(tǒng)或電池電壓，但此類 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。

 

LTC®3589-1 和 LTC3589-2 是完整的電源管理解決方案，適合基于 ARM 的處理器和先進(jìn)的便攜式微處理器系統(tǒng)。這些器件包含三個(gè)用于內(nèi)核、存儲(chǔ)器和 SoC 電源軌的同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、一個(gè)用于 I/O 的同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器、和三個(gè)用于低噪聲模擬電源的 250mA LDO 穩(wěn)壓器 (見(jiàn)圖 1)。一個(gè) I2C 串行端口用于控制穩(wěn)壓器使能、輸出電壓電平、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換速率、操作模式及狀態(tài)報(bào)告。穩(wěn)壓器啟動(dòng)的排序操作通過(guò)按期望的次序?qū)⑵漭敵鲞B接至使能引腳或通過(guò) I2C 端口來(lái)完成。系統(tǒng)上電、斷電和復(fù)位功能受控于按鈕接口、引腳輸入或 I2C 接口。電壓監(jiān)視器和有源放電電路可在下一個(gè)使能序列之前確保一個(gè)干凈的斷電，另外，選定的穩(wěn)壓器可以免除用于電源的按鈕控制 (例如，存儲(chǔ)器，當(dāng)其必須在待機(jī)模式中保持運(yùn)行時(shí))。LTC3589 以 8 個(gè)獨(dú)立電源軌、恰當(dāng)?shù)墓β手�、以及�?dòng)態(tài)控制和排序支持 i.MX、PXA 和 OMAP 處理器。其他特點(diǎn)包括諸如 VSTB 引腳等提供的接口信號(hào)，該引腳同時(shí)在多至 4 個(gè)電源軌上于設(shè)定的運(yùn)行和備用輸出電壓之間切換。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm 裸露襯墊 QFN 封裝。

 

 

 LTC3589 能夠解決上述的汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題。LTC3589HUJ PMIC 可提供具 -40°C 至 +150°C 額定結(jié)溫的高溫 (H 級(jí)) 器件選項(xiàng)，其可輕松滿足汽車的高溫工作要求。該 IC 包括一個(gè)專門用于結(jié)溫監(jiān)測(cè)的熱告警標(biāo)記和中斷輸出，同時(shí)還具有一種過(guò)熱停機(jī)保護(hù)功能，可在功率耗散處置不當(dāng)或發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下提供可靠的硬件保護(hù)。

 

LTC3589 PWM 開(kāi)關(guān)頻率特別修整至 2.25MHz (其保證范圍介于 1.8MHz 和 2.6MHz 之間)。另外，也可以將穩(wěn)壓器設(shè)定為強(qiáng)制連續(xù) PWM 操作模式，以阻止執(zhí)行脈沖跳躍或突發(fā)模式 (Burst Mode®操作，即使在輕負(fù)載時(shí)也不例外。這不僅保持了頻率的固定，而且還降低了 DC-DC 輸出電容器上的電壓紋波。)

 

LTC3589 擁有一項(xiàng)特殊的功能，其允許用戶專門為了降低輻射而減緩開(kāi)關(guān)邊緣速率。可通過(guò)選擇合適的邊緣速率以達(dá)到“既滿足輻射標(biāo)準(zhǔn)要求、又可盡量降低開(kāi)關(guān)損耗”的目的，這有助于優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換器效率。LTC3589 中的 3 個(gè)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器均具備該邊緣速率控制功能。

 

此外，還有 4 個(gè)需要關(guān)注的內(nèi)置于 IC 的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以及相關(guān)的電抗器件。一種可行的方法是把 LTC3589 所在的區(qū)域屏蔽起來(lái)以防止 EMI 輻射。除了昂貴和笨重之外，此方法還未能解決由任何有可能連接至電源區(qū)域的導(dǎo)線所造成的污染問(wèn)題。更好的做法是抑制輻射源和消除天線。

 

輻射源抑制通過(guò)采用合理的布局/組件選擇以避免產(chǎn)生射頻能量。必需使用屏蔽式電感器，并將這些電感器布設(shè)在比輸出電容器距離 LTC3589更遠(yuǎn)的地方。這是因?yàn)?AC 電流沿著 LTC3589 → 電感器 → 輸出電容器 → 地 → 返回 LTC3589 的路線循環(huán)流動(dòng)。由此也可以明顯地看到，應(yīng)使用寬闊的走線 (最好是區(qū)域填充) 將輸出電容器的地連接至 LTC3589 的地、以及 PVIN 輸入去耦電容器的地。

 

LTC3589 還提供了幾種用于輻射源抑制的方法。降壓穩(wěn)壓器上的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速率可通過(guò) I²C 在 1ns 至 8ns 之間調(diào)節(jié)。由于這些降壓穩(wěn)壓器是同步型的，因而上升和下降時(shí)間均處于受控狀態(tài)。圖 2 示出了上升和下降時(shí)間為 1ns 時(shí)的開(kāi)關(guān)操作曲線圖。

 

 

 圖 3 為具有 8ns 上升和下降時(shí)間的開(kāi)關(guān)操作曲線圖。由圖可見(jiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間為 8ns 時(shí)，轉(zhuǎn)換操作時(shí)的振鈴極大地減小了。

 

 

 除了開(kāi)關(guān)時(shí)間控制之外，LTC3589 還提供了一些其他的 EMI 抑制方法。降壓穩(wěn)壓器的頻率可在 2.25MHz 至 1.125MHz 的范圍內(nèi)改變。而且，為了最大限度地抑制輸入紋波 (該紋波最終會(huì)通過(guò)電源輸入配線輻射)，降壓穩(wěn)壓器可在兩個(gè)不同的相位時(shí)鐘之間交錯(cuò)運(yùn)作。

 

LTC3589 能提供超過(guò) 10W 的可觀功率。這會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的循環(huán)電流，因此必須為該電流的循環(huán)提供一條不間斷的通路。特別是接地平面中的縫隙，它會(huì)使大的循環(huán)電流圍繞其而流動(dòng)，從而產(chǎn)生縫隙天線。但是，諸如換層等其他障礙物會(huì)給 EMI 特征信號(hào)提供一些能量，故應(yīng)盡量減少。理想情況是，頂層和底層應(yīng)全部 (或大部分) 為接地平面，信號(hào)層則設(shè)在內(nèi)部。這常常是不切實(shí)際的，于是有些設(shè)計(jì)思路自然會(huì)專注于怎樣在布局開(kāi)始之前連接接地平面。例如：把 LTC3589 置于 PCB 上的一角或凸處就不是好主意。這將使得接地平面的正確布線變得非常困難。而且，先進(jìn)行 LTC3589 的高循環(huán)電流區(qū)域的布線是合適的做法，可確保盡可能優(yōu)越的布局。

 

倘若能以輻射源抑制和天線消除原理以計(jì)劃和執(zhí)行 EMI 控制，就可以創(chuàng)建一個(gè)具有優(yōu)良 EMI 性能的滿功率系統(tǒng)，而不會(huì)增加產(chǎn)品成本或重量。

 

LTC3589 完全符合 4kV HBM、200V MM 和 1.5kV CDM 的汽車 ESD 要求，這是在汽車組裝過(guò)程中趨近零缺陷的另一項(xiàng)關(guān)鍵性的要求。此外，該 IC 還具有非常低的待機(jī)電流消耗 (通常為 9μA)，這一特性合乎汽車導(dǎo)航、防盜和安全系統(tǒng)的要求，此類系統(tǒng)必須保持對(duì)用于感知時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的連續(xù)供電。

 

最后，LTC3589 可支持簡(jiǎn)單和有效的電源排序，其可通過(guò)串行通信或引腳搭接 (按照期望的順序?qū)㈦娫摧敵鲭妷哼B接至使能引腳) 來(lái)處理。在內(nèi)部對(duì)每個(gè)使能動(dòng)作進(jìn)行了 200μs 的延遲，以進(jìn)一步錯(cuò)開(kāi)啟動(dòng)序列的時(shí)間。該特性由精準(zhǔn)的低電壓使能門限提供支持，因此排序可以在電源電壓低至 0.55V 的情況下進(jìn)行。另外，還對(duì)每個(gè)電源電壓輸出實(shí)施了軟起動(dòng)，以限制浪涌電流并實(shí)現(xiàn)干凈的電壓轉(zhuǎn)換。每個(gè)穩(wěn)壓器輸出包括一個(gè)內(nèi)部下拉電阻器，該電阻器在穩(wěn)壓器輸出停用時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，以保證受控放電以及下一個(gè)接通序列的低起點(diǎn)。見(jiàn)圖 4。

 

 結(jié)論

與父輩們昔日的座駕相比，如今的汽車取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。簡(jiǎn)單的 AM/FM 收音機(jī)已經(jīng)讓位于最新的技術(shù)成果，例如：衛(wèi)星收音機(jī)、觸摸屏、導(dǎo)航系統(tǒng)、藍(lán)牙、HDTV、集成型蜂窩電話、媒體播放器和視頻游戲系統(tǒng)等。而且，通過(guò)取代分立型電源 IC 組件或過(guò)度集成的傳統(tǒng)大型 PMIC (即：帶有音頻、編解碼器等)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將能夠采用新一代的緊湊型 PMIC，此類 PMIC 集成了關(guān)鍵的電源管理功能，旨在以較小和較簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)新的性能水平。高性能的移動(dòng)處理器通常具有一組獨(dú)特的電源要求，包括多個(gè)大電流和低噪聲電壓軌、可編程排序和動(dòng)態(tài) I²C 調(diào)節(jié)。這些高端處理器最初是為手持式應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，但如今正被部署于非便攜式和嵌入式系統(tǒng) (比如：汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)) 中。