汽車信息娛樂系統(tǒng)需要靈活和可配置的多輸出電源 IC

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(shù)進(jìn)步，例如衛(wèi)星廣播、觸摸屏、導(dǎo)航系統(tǒng)、藍(lán)牙、高清電視、集成式手機(jī)、媒體播放器和視頻游戲系統(tǒng)，都提升了駕駛體驗(yàn)。全球每年生產(chǎn)超過 5000 萬(wàn)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(tái)可能需要幾個(gè)低壓電源軌，總電流達(dá)到幾安培，而一流的控制臺(tái)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(duì)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(yīng)在開發(fā)過程中可能出現(xiàn)的電源要求的變化，就會(huì)有更大的優(yōu)勢(shì)。由于創(chuàng)新性電路設(shè)計(jì)，這類 IC 現(xiàn)在已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)了。

信息娛樂系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

汽車應(yīng)用的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhì)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(dāng)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(guān)鍵要求，尤其是涉及電源管理組件的工作溫度時(shí)。如果能向系統(tǒng)控制器報(bào)警，通知控制器發(fā)生了過熱情況，就可以通過軟件關(guān)閉少量電路功能，或者降低處理器性能以及顯示器、網(wǎng)絡(luò)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(wú)線電、藍(lán)牙、GPS 和基于手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接。因此，至關(guān)重要的是，這個(gè)環(huán)境中的所有電路 (包括電源) 都不能產(chǎn)生過多的熱量或 EMI。在很多情況下，都有嚴(yán)格的電磁兼容性 (EMC) 要求，其中涵蓋了輻射與傳導(dǎo)噪聲、抗輻射與傳導(dǎo)性或輻射與傳導(dǎo)敏感性以及靜電放電 (ESD)。在一個(gè)可能的 PMIC 設(shè)計(jì)中，要符合所有這些要求，就會(huì)牽涉很多性能問題。有些要求是簡(jiǎn)單易懂的，例如要求 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器以 AM 無(wú)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(diào)節(jié)內(nèi)部功率 FET 的轉(zhuǎn)換率，以最大限度地降低 DC-DC 轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換引起的輻射噪聲。

此外，今天很多嵌入式系統(tǒng)和先進(jìn)的處理器在電源啟動(dòng)和加到各種不同的電路上時(shí)，都要求受控和精心設(shè)計(jì)的排序。排序方法要簡(jiǎn)單并能為系統(tǒng)提供靈活性，這樣才不僅能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更容易，而且能確保系統(tǒng)可靠性，并允許單個(gè) 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(chǎn)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(jìn)而發(fā)生的變化，這會(huì)嚴(yán)重破壞 IC 及相關(guān)分立組件的選擇。當(dāng)電路板布局確定后，要改變系統(tǒng)的性能規(guī)格時(shí)，在最好的情況下，也許通過更換可調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器上的幾個(gè)電阻器，就可以微調(diào)電壓了。在最壞情況下，因?yàn)樾碌妮敵鲭娏饕蟪^了已采用 IC 的開關(guān)電流額定值，也許需要用管腳引出線不兼容的 IC 替換幾個(gè) IC。由于電路板的重新設(shè)計(jì)和重新布局，這將大量導(dǎo)致成本增加及時(shí)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(dāng)管理電源系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的所有性能優(yōu)勢(shì)都得以實(shí)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(gè) IC 能完成這種任務(wù)。

總之，汽車信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的主要 IC 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括以下各項(xiàng)：

在項(xiàng)目開發(fā)階段更改設(shè)計(jì)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(jié)束之前，每個(gè)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(yīng)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(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，以在汽車中實(shí)現(xiàn)安全功能

平衡功耗和多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的高集成度

抵抗從瞬態(tài)到冷車發(fā)動(dòng)情況的各種嚴(yán)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(jiǎn)單的解決方案

過去，多種多輸出 PMIC 不具備應(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)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(guān)穩(wěn)壓器;有很寬的工作溫度范圍;有很高的靈活性。設(shè)計(jì)師所需要的是多通道、可配置 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以應(yīng)對(duì)所有這些問題，采用單個(gè)器件提供高集成度和可配置性，同時(shí)滿足大量應(yīng)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(gè)低壓電源的系統(tǒng)。該器件采用緊湊的 QFN 封裝，提供 8 個(gè)獨(dú)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(gè)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)母咝释浇祲盒头€(wěn)壓器和一個(gè)高壓、始終保持接通的線性控制器。每個(gè)降壓型穩(wěn)壓器都有自己獨(dú)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(fù)位和看門狗定時(shí)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(gè)可編程、可同步的 1MHz 至 3MHz 振蕩器，缺省開關(guān)頻率為 2MHz。所有 DC/DC 斷開時(shí)，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(yīng)用，包括工業(yè)、汽車和通信系統(tǒng)。

LTC3375 的 8 個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器可獨(dú)立使用，或并聯(lián)連接，以用單個(gè)共享電感器實(shí)現(xiàn)更大和每輸出高達(dá) 4A 的輸出電流。因?yàn)槎噙_(dá) 4 個(gè)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(jié)合。所有這些開關(guān)穩(wěn)壓器都是內(nèi)部補(bǔ)償?shù)?，僅需要外部反饋電阻器來設(shè)定輸出電壓。此外，輸出電壓可以通過 I2C 調(diào)節(jié)。這些開關(guān)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(shí)可在輕負(fù)載實(shí)現(xiàn)更高效率;而強(qiáng)制連續(xù) PWM 模式可使輕負(fù)載時(shí)的噪聲更低。I2C 接口可用來選擇工作模式、相位關(guān)系、反饋調(diào)節(jié)電壓和開關(guān)轉(zhuǎn)換率。這些降壓型穩(wěn)壓器提供正向和反向電流限制、啟動(dòng)時(shí)限制浪涌電流的軟啟動(dòng)、短路保護(hù)以及實(shí)現(xiàn)更低輻射 EMI 的轉(zhuǎn)換率控制。其他特點(diǎn)包括芯片溫度監(jiān)視輸出 (通過 I2C 可讀)，該輸出指示內(nèi)部芯片溫度; 芯片溫度 (DT) 報(bào)警功能，當(dāng)芯片溫度達(dá)到設(shè)定的警報(bào)門限時(shí)，提醒用戶，從而使系統(tǒng)能采取糾正行動(dòng)。LTC3375 采用耐熱增強(qiáng)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(jí)) 版本可選，結(jié)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(jiǎn)化的 LTC3375 三輸出 4A / 3A / 1A 方框圖

安全與可靠性也是關(guān)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(dòng)自動(dòng)的系統(tǒng)復(fù)位?？撮T狗電路監(jiān)視微處理器的活動(dòng)。微處理器需要至少每 1.5 秒改變一次看門狗定時(shí)器輸入 (WDI) 的邏輯狀態(tài)，以給看門狗定時(shí)器清零，并防止看門狗定時(shí)器輸出 (WDO) 引腳發(fā)出超時(shí)信號(hào)。[!--empirenews.page--]

看門狗定時(shí)器在上電復(fù)位后立即開始運(yùn)行，并將保持運(yùn)行，直至在 WDI 輸入上檢測(cè)到轉(zhuǎn)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(shí)器超時(shí)，WDO 就被拉低，并啟動(dòng)復(fù)位定時(shí)器。如果在復(fù)位定時(shí)器超時(shí)期間，沒有接收到 WDI 轉(zhuǎn)換信號(hào)，那么 200ms 之后，WDO 就再次變成 Hi-Z 狀態(tài)，1.5 秒看門狗復(fù)位定時(shí)將再次開始。如果在看門狗超時(shí)期間，WDI 輸入接收到了轉(zhuǎn)換信號(hào)，那么 WDO 就在 WDI 轉(zhuǎn)換后立即變成 Hi-Z 狀態(tài)，1.5 秒看門狗復(fù)位定時(shí)將從這一點(diǎn)開始。

拉低 WDO 可用來強(qiáng)制起控制作用的微處理器復(fù)位。這種復(fù)位能以幾種方式實(shí)現(xiàn)。如果在故障情況下，想給整個(gè)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(dòng)硬復(fù)位 (Hard Reset)。在 200ms 之后，如果在 WDI 上沒有檢測(cè)到轉(zhuǎn)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(diǎn)是，定時(shí)電容器 (CT 引腳) 的大小必須確定為：以低于 1.5s (看門狗超時(shí)時(shí)間) 減去硬復(fù)位時(shí)間 (對(duì)于 0.01µF 的 CT 電容器而言是 1s) 所得之差為準(zhǔn)，在這個(gè)時(shí)間之內(nèi)，系統(tǒng)能上電，并確定 WDI 轉(zhuǎn)換。如果不想這么急劇地進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，那么可以用 WDO 引腳拉低等待復(fù)位的任何電源之 EN 引腳。在這種情況下，EN 引腳將被強(qiáng)制為低，并持續(xù) 200ms，之后將釋放 EN 引腳，如果需要，可以驅(qū)動(dòng) EN 引腳為高。需要提到的重要一點(diǎn)是，EN 引腳不用低阻抗輸出驅(qū)動(dòng)。

抑制輻射和傳導(dǎo)噪聲

LTC3375 的 PWM 開關(guān)頻率用 400k RT 電阻器在保證的 1.8MHz 至 2.2MHz 范圍內(nèi)準(zhǔn)確微調(diào)至 2MHz。RT 電阻器可用來在 1MHz 至 3MHz 范圍內(nèi)設(shè)定任何工作頻率。這些穩(wěn)壓器還可設(shè)定為強(qiáng)制連續(xù) PWM 工作模式，以甚至在輕負(fù)載時(shí)，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(gè) 1MHz 至 3MHz 的外部時(shí)鐘同步，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲。

LTC3375 有一個(gè)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(chǎn)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?yàn)椋珹C 電流通過電感器和輸出電容器流到地，再?gòu)牡胤祷?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(guān)的 VIN 輸入去藕電容器的地。

LTC3375 還提供一些附加方法以進(jìn)行源頭抑制。降壓型轉(zhuǎn)換器的開關(guān)轉(zhuǎn)換率可以通過 I2C 調(diào)節(jié)。因?yàn)榻祲盒娃D(zhuǎn)換器是同步的，所以下降和上升時(shí)間可以同時(shí)延長(zhǎng)。圖 2 和圖 3 分別顯示了以全速和低速上升和下降的開關(guān)曲線：

圖 2：降壓型轉(zhuǎn)換器在 2MHz全速上升和下降的開關(guān)曲線

圖 3 是低速上升和下降的開關(guān)曲線：

圖 3：降壓型轉(zhuǎn)換器在 2MHz 低速上升和下降的開關(guān)曲線

線性穩(wěn)壓器控制器

線性控制器可以靠 12V 電池運(yùn)行，這時(shí)可提供相對(duì)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(shí) LTC3375 在斷電狀態(tài)時(shí)，僅消耗 11µA 電流。在這個(gè)例子中，LTC3375 無(wú)需單獨(dú)的低功率電源來保持系統(tǒng)存儲(chǔ)器工作。參見圖 4 以了解詳細(xì)信息。[!--empirenews.page--]

圖 4：用線性控制器給 Vcc 供電的典型應(yīng)用電路

抵抗極端電壓擺幅

汽車電子系統(tǒng)的另一個(gè)障礙是電池電壓的急劇變化，在冷車發(fā)動(dòng)時(shí)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(yán)酷的電壓變化而不被損壞，而且同時(shí)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(dòng)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(guān)該 IC 在高壓瞬態(tài)時(shí)，穩(wěn)定輸出電壓性能的詳細(xì)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(dòng)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(dòng)，也可以通過 I2C 啟動(dòng)，或者兩者結(jié)合。當(dāng)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(shí)，微處理器可通過可編程中斷 (IRQ) 和復(fù)位 (RST) 引腳接收?qǐng)?bào)警信號(hào)。參見圖 6 以了解詳細(xì)信息。

圖 5：LTC3375 高壓瞬態(tài)性能

圖 6：用上游高壓降壓型轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng) LTC3375

結(jié)論

汽車信息娛樂系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步 (例如衛(wèi)星廣播、觸摸屏、導(dǎo)航系統(tǒng)、藍(lán)牙和高清電視) 都提升了現(xiàn)代汽車的駕駛體驗(yàn)。此外，通過用單個(gè)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(shè)計(jì)師可以集成關(guān)鍵電源管理功能，并用更小和更簡(jiǎn)單的解決方案實(shí)現(xiàn)全新的性能。LTC3375 是這類新一代多輸出轉(zhuǎn)換器 IC 的一個(gè)好例子。該器件是數(shù)字可編程的高效率多輸出電源 IC，包含 8 個(gè)同步降壓型轉(zhuǎn)換器 (每個(gè)的 IOUT 高達(dá) 1A)，所有轉(zhuǎn)換器都由獨(dú)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(dá) 15 種不同的輸出電流配置，這種靈活性允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)有關(guān)的問題，從而提升了現(xiàn)代汽車的駕駛體驗(yàn)。