背景信息

汽車信息娛樂系統(tǒng)日益流行，持續(xù)激增?，F(xiàn)代技術進步，例如衛(wèi)星廣播、觸摸屏、導航系統(tǒng)、藍牙、高清電視、集成式手機、媒體播放器和視頻游戲系統(tǒng)，都提升了駕駛體驗。全球每年生產超過 5000 萬量汽車，其中大部分都有某些類型的集成式信息娛樂系統(tǒng)。從電源角度來看，基本的信息娛樂控制臺可能需要幾個低壓電源軌，總電流達到幾安培，而一流的控制臺可能需要更多電源軌。傳統(tǒng)上，這些電壓軌和電流由很多分立式電源穩(wěn)壓器 IC 或者大型和過度集成的電源管理集成電路 (PMIC) 提供。不過，這類大型 PMIC 提供的電壓軌常常多于所需，占用面積很大，而且對某些軌的供電常常不足。因此，需要能提供解決方案占板面積很小的多輸出 IC，而且這類 IC 要提供很多可配置和供電適度的電壓軌。此外，如果這類 IC 能以各種不同的方式配置，以適應在開發(fā)過程中可能出現(xiàn)的電源要求的變化，就會有更大的優(yōu)勢。由于創(chuàng)新性電路設計，這類 IC 現(xiàn)在已經變成現(xiàn)實了。

信息娛樂系統(tǒng)的電源設計挑戰(zhàn)

汽車應用的電子系統(tǒng)設計富有挑戰(zhàn)性，這有很多原因：空間高度受限，工作溫度范圍必須很寬，必須最大限度地降低噪聲，必須容許電池瞬態(tài)，質量必須很高。既然集成度必須很高，那么就需要高效節(jié)能的組件。今天的汽車儀表板上有各種電子系統(tǒng)，相當擁擠，再加上很高的環(huán)境工作溫度，所以溫度監(jiān)視成了關鍵要求，尤其是涉及電源管理組件的工作溫度時。如果能向系統(tǒng)控制器報警，通知控制器發(fā)生了過熱情況，就可以通過軟件關閉少量電路功能，或者降低處理器性能以及顯示器、網絡通信等其他大功率組件的性能，以此減輕過熱問題。

今天的汽車儀表板常常擠滿了大量噪聲源和溫度敏感源，例如無線電、藍牙、GPS 和基于手機的網絡連接。因此，至關重要的是，這個環(huán)境中的所有電路 (包括電源) 都不能產生過多的熱量或 EMI。在很多情況下，都有嚴格的電磁兼容性 (EMC) 要求，其中涵蓋了輻射與傳導噪聲、抗輻射與傳導性或輻射與傳導敏感性以及靜電放電 (ESD)。在一個可能的 PMIC 設計中，要符合所有這些要求，就會牽涉很多性能問題。有些要求是簡單易懂的，例如要求 DC-DC 開關穩(wěn)壓器以 AM 無線電頻段以外的固定頻率工作。然而，還有一些要求難以滿足，例如調節(jié)內部功率 FET 的轉換率，以最大限度地降低 DC-DC 轉換器開關節(jié)點轉換引起的輻射噪聲。

此外，今天很多嵌入式系統(tǒng)和先進的處理器在電源啟動和加到各種不同的電路上時，都要求受控和精心設計的排序。排序方法要簡單并能為系統(tǒng)提供靈活性，這樣才不僅能使系統(tǒng)設計更容易，而且能確保系統(tǒng)可靠性，并允許單個 PMIC 滿足更多的系統(tǒng)要求，而不僅是特定處理器的要求。

“功能蔓延”指的是即產品規(guī)格 (例如：輸入和輸出電壓以及輸出電流等) 隨著開發(fā)周期的推進而發(fā)生的變化，這會嚴重破壞 IC 及相關分立組件的選擇。當電路板布局確定后，要改變系統(tǒng)的性能規(guī)格時，在最好的情況下，也許通過更換可調輸出轉換器上的幾個電阻器，就可以微調電壓了。在最壞情況下，因為新的輸出電流要求超過了已采用 IC 的開關電流額定值，也許需要用管腳引出線不兼容的 IC 替換幾個 IC。由于電路板的重新設計和重新布局，這將大量導致成本增加及時間延遲。因此需要高度專業(yè)化、高性能、可配置的電源管理 IC，以恰當管理電源系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的所有性能優(yōu)勢都得以實現(xiàn)，并為不可避免的電源系統(tǒng)更改提供靈活性。直到現(xiàn)在為止，還沒有單個 IC 能完成這種任務。

總之，汽車信息娛樂系統(tǒng)設計師面臨的主要 IC 設計挑戰(zhàn)包括以下各項：

在項目開發(fā)階段更改設計要求 (電壓和電流值)[!--empirenews.page--]

很多系統(tǒng)需要大量 <5V 的軌

在開發(fā)工作結束之前，每個軌的電流要求常常是未知的 (例如，F(xiàn)PGA 有不受軟件影響的 ICC)

每次修改之后，類似應用在 DC/DC 電流要求上可能有很大差別

符合 ISO26262 規(guī)范要求，該規(guī)范旨在降低與軟件有關的風險，以在汽車中實現(xiàn)安全功能

平衡功耗和多個開關穩(wěn)壓器的高集成度

抵抗從瞬態(tài)到冷車發(fā)動情況的各種嚴酷電壓變化

監(jiān)視電源 IC 芯片溫度

最大限度地減小解決方案尺寸和占板面積

最大限度地降低 EMI 和噪聲輻射

一種簡單的解決方案

過去，多種多輸出 PMIC 不具備應對這類新式系統(tǒng)的靈活性。上面概述了要滿足汽車電源管理 IC 設計限制的任何解決方案都必須：集成度很高;包括具備低壓能力、提供中等電流的降壓型開關穩(wěn)壓器;有很寬的工作溫度范圍;有很高的靈活性。設計師所需要的是多通道、可配置 DC/DC 轉換器以應對所有這些問題，采用單個器件提供高集成度和可配置性，同時滿足大量應用需求。

靈活的 8 通道降壓型穩(wěn)壓器

LTC3375 是一款高集成度、通用電源管理解決方案，適用于需要多個低壓電源的系統(tǒng)。該器件采用緊湊的 QFN 封裝，提供 8 個獨立的 1A 通道，具備 I2C 控制、靈活的排序和故障監(jiān)視。LTC3375 含有 8 個內部補償的高效率同步降壓型穩(wěn)壓器和一個高壓、始終保持接通的線性控制器。每個降壓型穩(wěn)壓器都有自己獨立的 2.25V 至 5.5V 輸入電源和 0.425V 至 VIN 的輸出電壓范圍。該器件的按鈕 ON/OFF/RESET 控制、電源接通復位和看門狗定時器提供靈活和可靠的上電排序及系統(tǒng)監(jiān)視。LTC3375 具有一個可編程、可同步的 1MHz 至 3MHz 振蕩器，缺省開關頻率為 2MHz。所有 DC/DC 斷開時，靜態(tài)電流僅為 11µA，從而降低了始終保持接通系統(tǒng)的功率。該器件非常適用于多種多通道應用，包括工業(yè)、汽車和通信系統(tǒng)。

LTC3375 的 8 個降壓型轉換器可獨立使用，或并聯(lián)連接，以用單個共享電感器實現(xiàn)更大和每輸出高達 4A 的輸出電流。因為多達 4 個相鄰穩(wěn)壓器可以連接在一起，所以可以有 15 種不同的輸出配置。通過連接 VIN 和 SW 引腳，并將從屬降壓型穩(wěn)壓器的 FB 引腳連接到輸入電源，相鄰降壓型穩(wěn)壓器能以主-從式配置相結合。所有這些開關穩(wěn)壓器都是內部補償的，僅需要外部反饋電阻器來設定輸出電壓。此外，輸出電壓可以通過 I2C 調節(jié)。這些開關穩(wěn)壓器提供兩種工作模式：以突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作 (上電缺省模式) 時可在輕負載實現(xiàn)更高效率;而強制連續(xù) PWM 模式可使輕負載時的噪聲更低。I2C 接口可用來選擇工作模式、相位關系、反饋調節(jié)電壓和開關轉換率。這些降壓型穩(wěn)壓器提供正向和反向電流限制、啟動時限制浪涌電流的軟啟動、短路保護以及實現(xiàn)更低輻射 EMI 的轉換率控制。其他特點包括芯片溫度監(jiān)視輸出 (通過 I2C 可讀)，該輸出指示內部芯片溫度; 芯片溫度 (DT) 報警功能，當芯片溫度達到設定的警報門限時，提醒用戶，從而使系統(tǒng)能采取糾正行動。LTC3375 采用耐熱增強型、扁平 (0.75mm) 48 引腳 7mm x 7mm 裸露焊盤 QFN 封裝。LTC3375 還有高溫 (H 級) 版本可選，結溫額定值為 -40°C 至 +150°C，非常容易滿足高溫汽車工作環(huán)境的要求。

圖 1：簡化的 LTC3375 三輸出 4A / 3A / 1A 方框圖

安全與可靠性也是關鍵

LTC3375 含有系統(tǒng)看門狗電路，可在微處理器損壞的情況下，用來啟動自動的系統(tǒng)復位?？撮T狗電路監(jiān)視微處理器的活動。微處理器需要至少每 1.5 秒改變一次看門狗定時器輸入 (WDI) 的邏輯狀態(tài)，以給看門狗定時器清零，并防止看門狗定時器輸出 (WDO) 引腳發(fā)出超時信號。[!--empirenews.page--]

看門狗定時器在上電復位后立即開始運行，并將保持運行，直至在 WDI 輸入上檢測到轉換為止。在這期間，WDO 將處于高阻抗 (Hi-Z) 狀態(tài)。一旦看門狗定時器超時，WDO 就被拉低，并啟動復位定時器。如果在復位定時器超時期間，沒有接收到 WDI 轉換信號，那么 200ms 之后，WDO 就再次變成 Hi-Z 狀態(tài)，1.5 秒看門狗復位定時將再次開始。如果在看門狗超時期間，WDI 輸入接收到了轉換信號，那么 WDO 就在 WDI 轉換后立即變成 Hi-Z 狀態(tài)，1.5 秒看門狗復位定時將從這一點開始。

拉低 WDO 可用來強制起控制作用的微處理器復位。這種復位能以幾種方式實現(xiàn)。如果在故障情況下，想給整個系統(tǒng)斷電，那么可以將 WDO 連接到 KILL 引腳。在這種情況下，WDO 將拉低 KILL，并啟動硬復位 (Hard Reset)。在 200ms 之后，如果在 WDI 上沒有檢測到轉換，那么 WDO 就釋放 KILL，并允許給系統(tǒng)再次加電。在這種情況下，需要提到的重要一點是，定時電容器 (CT 引腳) 的大小必須確定為：以低于 1.5s (看門狗超時時間) 減去硬復位時間 (對于 0.01µF 的 CT 電容器而言是 1s) 所得之差為準，在這個時間之內，系統(tǒng)能上電，并確定 WDI 轉換。如果不想這么急劇地進行系統(tǒng)復位，那么可以用 WDO 引腳拉低等待復位的任何電源之 EN 引腳。在這種情況下，EN 引腳將被強制為低，并持續(xù) 200ms，之后將釋放 EN 引腳，如果需要，可以驅動 EN 引腳為高。需要提到的重要一點是，EN 引腳不用低阻抗輸出驅動。

抑制輻射和傳導噪聲

LTC3375 的 PWM 開關頻率用 400k RT 電阻器在保證的 1.8MHz 至 2.2MHz 范圍內準確微調至 2MHz。RT 電阻器可用來在 1MHz 至 3MHz 范圍內設定任何工作頻率。這些穩(wěn)壓器還可設定為強制連續(xù) PWM 工作模式，以甚至在輕負載時，防止以突發(fā)模式工作。這不僅保持了頻率固定，而且降低了 DC-DC 輸出電容器上的電壓紋波。此外，LTC3375 還可以通過 SYNC 引腳，與一個 1MHz 至 3MHz 的外部時鐘同步，以進一步降低系統(tǒng)噪聲。

LTC3375 有一個特殊的功能，允許用戶降低切換邊沿速率，該功能專門用來降低輻射噪聲。通過選擇布局 / 組件以防止產生射頻能量，就可從源頭抑制噪聲。有必要使用屏蔽電感器，且有必要將這些電感器放置在盡可能靠近 LTC3375 的地方。這是因為，AC 電流通過電感器和輸出電容器流到地，再從地返回 LTC3375。從這里也可以清楚地了解，為什么要用寬走線 (大面積更可取) 連接輸出電容器的地與 LTC3375 的地以及相關的 VIN 輸入去藕電容器的地。

LTC3375 還提供一些附加方法以進行源頭抑制。降壓型轉換器的開關轉換率可以通過 I2C 調節(jié)。因為降壓型轉換器是同步的，所以下降和上升時間可以同時延長。圖 2 和圖 3 分別顯示了以全速和低速上升和下降的開關曲線：

圖 2：降壓型轉換器在 2MHz全速上升和下降的開關曲線

圖 3 是低速上升和下降的開關曲線：

圖 3：降壓型轉換器在 2MHz 低速上升和下降的開關曲線

線性穩(wěn)壓器控制器

線性控制器可以靠 12V 電池運行，這時可提供相對小的電流。LDO 的輸出功率視所用組件的不同而不同。如果需要，可以在 20V 提供 50mA。這非常適用于在汽車信息娛樂系統(tǒng)中為任何“始終保持接通”的電路供電，同時 LTC3375 在斷電狀態(tài)時，僅消耗 11µA 電流。在這個例子中，LTC3375 無需單獨的低功率電源來保持系統(tǒng)存儲器工作。參見圖 4 以了解詳細信息。[!--empirenews.page--]

圖 4：用線性控制器給 Vcc 供電的典型應用電路

抵抗極端電壓擺幅

汽車電子系統(tǒng)的另一個障礙是電池電壓的急劇變化，在冷車發(fā)動時低至約 ~5V，高壓尖峰也是引起急劇變化的原因。汽車電子系統(tǒng)不僅需要承受這些嚴酷的電壓變化而不被損壞，而且同時需要繼續(xù)保持工作。LTC3375 有按鈕控制器和外部通路 FET 穩(wěn)壓器，該控制器和穩(wěn)壓器可用來啟動外部高壓降壓型穩(wěn)壓器，然后該外部穩(wěn)壓器以安全的穩(wěn)定電壓給 LTC3375 供電。參見圖 5 以了解有關該 IC 在高壓瞬態(tài)時，穩(wěn)定輸出電壓性能的詳細信息。如果外部降壓型穩(wěn)壓器脫離穩(wěn)定狀態(tài)，外部通路 FET 穩(wěn)壓器還可用來在冷車發(fā)動工作情況下保持微處理器有效。外部使能引腳使降壓型穩(wěn)壓器能從外部啟動，也可以通過 I2C 啟動，或者兩者結合。當輸入電壓低于欠壓閉鎖 (UVLO) 門限，或者輸出電壓不在穩(wěn)定狀態(tài)時，微處理器可通過可編程中斷 (IRQ) 和復位 (RST) 引腳接收報警信號。參見圖 6 以了解詳細信息。

圖 5：LTC3375 高壓瞬態(tài)性能

圖 6：用上游高壓降壓型轉換器驅動 LTC3375

結論

汽車信息娛樂系統(tǒng)領域的技術進步 (例如衛(wèi)星廣播、觸摸屏、導航系統(tǒng)、藍牙和高清電視) 都提升了現(xiàn)代汽車的駕駛體驗。此外，通過用單個多輸出 8 通道降壓型 IC 取代分立式電源 IC 組件或傳統(tǒng)上大型和過度集成的 PMIC，系統(tǒng)設計師可以集成關鍵電源管理功能，并用更小和更簡單的解決方案實現(xiàn)全新的性能。LTC3375 是這類新一代多輸出轉換器 IC 的一個好例子。該器件是數字可編程的高效率多輸出電源 IC，包含 8 個同步降壓型轉換器 (每個的 IOUT 高達 1A)，所有轉換器都由獨立的 2.25V 至 5.5V 輸入電源供電，并具備低輸出電壓能力。該器件可以提供多達 15 種不同的輸出電流配置，這種靈活性允許系統(tǒng)設計師減輕系統(tǒng)“功能蔓延”的影響。因此，該 IC 解決了很多傳統(tǒng)上存在并與汽車信息娛樂系統(tǒng)設計有關的問題，從而提升了現(xiàn)代汽車的駕駛體驗。