此類信息娛樂系統(tǒng)的核心是一個復雜的微處理器。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線、嵌入式和網(wǎng)絡應用提供低功耗和高性能處理而設計。這些產(chǎn)品的初衷是使原始設備制造商 (OEM) 能夠開發(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備，同時提供增強型處理性能以運行多功能多媒體應用程序。近來，對這種高效率和處理性能組合的需求已擴展到了非便攜式應用領域。因此，汽車信息娛樂系統(tǒng)及其他嵌入式應用也要求類似的效率和處理性能水平。然而在所有的場合中，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)勢均能得以實現(xiàn)，高度專用的高性能電源管理伙伴 IC 將是必不可少的。

 

面向汽車應用的電子系統(tǒng)設計頗具挑戰(zhàn)性，究其原因是很多的，包括寬工作溫度范圍、嚴格的 EMC 和瞬態(tài)要求、以及汽車 OEM制造商所要求的高質量水準。我們從寬工作溫度范圍開始說起，電源管理 IC 面臨著來自兩個方面的挑戰(zhàn)。首先是功率轉換，即使在擁有高效率的情況下也必定要消耗一定量的功率。當多個 DC-DC 和 LDO 穩(wěn)壓器集成在單個器件中時，其組合功率耗散會相當大，輕易就能超過 1W。諸如 6mm x 6mm 40 引腳 QFN 等典型 PMIC 封裝具有一個 40°C/W 的熱阻，因而導致結溫升幅超過 40°C。如果再把第二項挑戰(zhàn) (即：寬工作環(huán)境溫度) 考慮進去，那么 PMIC 的最大結溫常常超過 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部的環(huán)境溫度也有可能達到 95°C。由于這些溫度方面的難題，許多針對 85°C 甚至 125°C 溫度條件擬訂額定指標的 PMIC 都不足以在高溫環(huán)境中持續(xù)操作。

 

如需在高環(huán)境溫度條件下運作一個集成型電源管理器件，則另一個關鍵之處是器件必需監(jiān)視其自身的內部芯片溫度，并在結溫即將達到過高水平時發(fā)出報告，以便系統(tǒng)能夠就如何降低負載的供電功率做出機智靈活的決策。系統(tǒng)軟件可通過關斷不太關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)絡通信) 的運行性能來實現(xiàn)上述目標。

 

如今，在汽車儀表板的內部擠滿了形形色色的電子線路與零組件。而且，它還有可能被塞進了從藍牙到基于蜂窩電話的網(wǎng)絡連接等無線通信功能電路。因此，假如要在這個散熱條件嚴重受限的環(huán)境中裝入新的組件，這些新組件就不能產(chǎn)生過大的熱量或 EMI，這一點很重要。這里的電磁兼容性 (EMC) 要求十分嚴格，涉及輻射和傳導發(fā)射、輻射和傳導抵抗力或敏感度、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 設計的諸多性能方面都將受到影響。其中有些影響是簡單直接的，比如：DC-DC 開關穩(wěn)壓器必須工作于一個遠遠超出 AM 無線電頻段的固定頻率。然而，DC-DC 轉換器中另一個常見的輻射發(fā)射源則來自于其內部功率 FET 的開關邊緣速率。

 

當今的許多嵌入式系統(tǒng)和先進處理器都需要在電源起動及施加至各種不同電路時執(zhí)行受控和精心設計的排序。提供系統(tǒng)靈活性和簡單的排序方法不單能簡化系統(tǒng)設計，還將確保系統(tǒng)可靠性并允許單個 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，汽車信息娛樂系統(tǒng)設計人員所面臨的主要難題包括：

 

·在功率耗散與多個開關穩(wěn)壓器和 LDO 的高集成度之間的權衡

·監(jiān)測結溫

· 輻射發(fā)射和傳導發(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。對于任何旨在滿足上述汽車電源管理 IC 設計限制條件的解決方案來說，其必須同時具備高集成度 (包括高電流開關穩(wěn)壓器和 LDO)、寬工作溫度范圍、電源排序、關鍵參數(shù)的動態(tài) I²C 控制和“難以實現(xiàn)” 的功能構件 (例如：降壓-升壓型穩(wěn)壓器)。此外，具有高開關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)過預先調節(jié)的系統(tǒng)或電池電壓，但此類 IC 還必須擁有適應嚴苛汽車環(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 的處理器和先進的便攜式微處理器系統(tǒng)。這些器件包含三個用于內核、存儲器和 SoC 電源軌的同步降壓型 DC/DC 轉換器、一個用于 I/O 的同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器、和三個用于低噪聲模擬電源的 250mA LDO 穩(wěn)壓器 (見圖 1)。一個 I2C 串行端口用于控制穩(wěn)壓器使能、輸出電壓電平、動態(tài)電壓調節(jié)和轉換速率、操作模式及狀態(tài)報告。穩(wěn)壓器啟動的排序操作通過按期望的次序將其輸出連接至使能引腳或通過 I2C 端口來完成。系統(tǒng)上電、斷電和復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使能序列之前確保一個干凈的斷電，另外，選定的穩(wěn)壓器可以免除用于電源的按鈕控制 (例如，存儲器，當其必須在待機模式中保持運行時)。LTC3589 以 8 個獨立電源軌、恰當?shù)墓β手?、以及動態(tài)控制和排序支持 i.MX、PXA 和 OMAP 處理器。其他特點包括諸如 VSTB 引腳等提供的接口信號，該引腳同時在多至 4 個電源軌上于設定的運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系統(tǒng)設計難題。LTC3589HUJ PMIC 可提供具 -40°C 至 +150°C 額定結溫的高溫 (H 級) 器件選項，其可輕松滿足汽車的高溫工作要求。該 IC 包括一個專門用于結溫監(jiān)測的熱告警標記和中斷輸出，同時還具有一種過熱停機保護功能，可在功率耗散處置不當或發(fā)生嚴重故障的情況下提供可靠的硬件保護。

 

LTC3589 PWM 開關頻率特別修整至 2.25MHz (其保證范圍介于 1.8MHz 和 2.6MHz 之間)。另外，也可以將穩(wěn)壓器設定為強制連續(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，即使在輕負載時也不例外。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 擁有一項特殊的功能，其允許用戶專門為了降低輻射而減緩開關邊緣速率?？赏ㄟ^選擇合適的邊緣速率以達到“既滿足輻射標準要求、又可盡量降低開關損耗”的目的，這有助于優(yōu)化功率轉換器效率。LTC3589 中的 3 個降壓型開關穩(wěn)壓器均具備該邊緣速率控制功能。

 

此外，還有 4 個需要關注的內置于 IC 的開關穩(wěn)壓器以及相關的電抗器件。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)域的導線所造成的污染問題。更好的做法是抑制輻射源和消除天線。

 

輻射源抑制通過采用合理的布局/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在比輸出電容器距離 LTC3589更遠的地方。這是因為 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。由此也可以明顯地看到，應使用寬闊的走線 (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)壓器上的開關轉換速率可通過 I²C 在 1ns 至 8ns 之間調節(jié)。由于這些降壓穩(wěn)壓器是同步型的，因而上升和下降時間均處于受控狀態(tài)。圖 2 示出了上升和下降時間為 1ns 時的開關操作曲線圖。

 

 

 圖 3 為具有 8ns 上升和下降時間的開關操作曲線圖。由圖可見，當轉換時間為 8ns 時，轉換操作時的振鈴極大地減小了。

 

 

 除了開關時間控制之外，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 的范圍內改變。而且，為了最大限度地抑制輸入紋波 (該紋波最終會通過電源輸入配線輻射)，降壓穩(wěn)壓器可在兩個不同的相位時鐘之間交錯運作。

 

LTC3589 能提供超過 10W 的可觀功率。這會導致相當大的循環(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，它會使大的循環(huán)電流圍繞其而流動，從而產(chǎn)生縫隙天線。但是，諸如換層等其他障礙物會給 EMI 特征信號提供一些能量，故應盡量減少。理想情況是，頂層和底層應全部 (或大部分) 為接地平面，信號層則設在內部。這常常是不切實際的，于是有些設計思路自然會專注于怎樣在布局開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劃和執(zhí)行 EMI 控制，就可以創(chuàng)建一個具有優(yōu)良 EMI 性能的滿功率系統(tǒng)，而不會增加產(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，這是在汽車組裝過程中趨近零缺陷的另一項關鍵性的要求。此外，該 IC 還具有非常低的待機電流消耗 (通常為 9μA)，這一特性合乎汽車導航、防盜和安全系統(tǒng)的要求，此類系統(tǒng)必須保持對用于感知時間的實時時鐘電路的連續(xù)供電。

 

最后，LTC3589 可支持簡單和有效的電源排序，其可通過串行通信或引腳搭接 (按照期望的順序將電源輸出電壓連接至使能引腳) 來處理。在內部對每個使能動作進行了 200μs 的延遲，以進一步錯開啟動序列的時間。該特性由精準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 的情況下進行。另外，還對每個電源電壓輸出實施了軟起動，以限制浪涌電流并實現(xiàn)干凈的電壓轉換。每個穩(wěn)壓器輸出包括一個內部下拉電阻器，該電阻器在穩(wěn)壓器輸出停用時進入工作狀態(tài)，以保證受控放電以及下一個接通序列的低起點。見圖 4。

 

 結論

與父輩們昔日的座駕相比，如今的汽車取得了長足的進步。簡單的 AM/FM 收音機已經(jīng)讓位于最新的技術成果，例如：衛(wèi)星收音機、觸摸屏、導航系統(tǒng)、藍牙、HDTV、集成型蜂窩電話、媒體播放器和視頻游戲系統(tǒng)等。而且，通過取代分立型電源 IC 組件或過度集成的傳統(tǒng)大型 PMIC (即：帶有音頻、編解碼器等)，系統(tǒng)設計人員將能夠采用新一代的緊湊型 PMIC，此類 PMIC 集成了關鍵的電源管理功能，旨在以較小和較簡單的解決方案來實現(xiàn)新的性能水平。高性能的移動處理器通常具有一組獨特的電源要求，包括多個大電流和低噪聲電壓軌、可編程排序和動態(tài) I²C 調節(jié)。這些高端處理器最初是為手持式應用而開發(fā)的，但如今正被部署于非便攜式和嵌入式系統(tǒng) (比如：汽車信息娛樂系統(tǒng)) 中。