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。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。

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。[!--empirenews.page--]

當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 所要求的準確輸出電壓調(diào)節(jié)和負載階躍響應(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 配置了一個用于電流供應(yīng) / 吸收和跟蹤操作的 1.5A 降壓型穩(wěn)壓器以支持 DDR 存儲器終端，并且還增設(shè)了一個用于 DDR 的 VTTR 基準輸出。這兩個引腳的特性取代了 LTC3676 的 LDO4 使能引腳和反饋引腳。LDO4 仍可利用 I2C 進行設(shè)置。支持多個穩(wěn)壓器的是一種高度可配置的電源排序能力、動態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)、一個按鈕接口控制器、以及通過 I2C 接口實現(xiàn)的穩(wěn)壓器控制，并具有大量通過一個中斷輸出提供的狀態(tài)和故障報告功能。LTC3736 支持 i.MX6、PXA 和 OMAP 處理器，具有 8 個位于適當功率級的獨立電源軌以及動態(tài)控制和排序功能。其他特點包括接口信號，例如：其電平同時在多達 4 個電源軌上的編程運行與待機輸出電壓之間變換的 VSTB 引腳。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm x 0.75mm 裸露襯墊 QFN 封裝。

圖 1：LTC3676-1 的簡化典型應(yīng)用示意圖

面向應(yīng)用處理器的 LTC3676 電源管理解決方案能夠解決上述的汽車信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計難題。LTC3676HUJ PMIC 可提供一種具有 -40°C 至 +150°C 額定結(jié)溫的高溫 (H 級) 選項，能輕松滿足汽車的高溫工作要求。該 IC 包括一個專門用于結(jié)溫監(jiān)視的熱報警標記和中斷，而且還具有一種硬熱停機功能，用于在功率耗散失控或發(fā)生嚴重故障的情況下提供可靠的硬件保護。

LTC3676 PWM 開關(guān)頻率特別修整至 2.25MHz，并具有一個 1.7MHz 至2.7MHz 的保證范圍。另外，其內(nèi)部穩(wěn)壓器還可被設(shè)定為一種強制連續(xù) PWM 操作模式，以防止在脈沖跳躍或突發(fā)模式中運作 (即使在輕負載時也不例外)。這不僅保持了頻率的固定，而且還可進一步降低 DC-DC 輸出電容器上的電壓紋波。[!--empirenews.page--]

抑制輻射和傳導(dǎo)發(fā)射

由于 LTC3676 內(nèi)置了 4 個開關(guān)穩(wěn)壓器，因此它們各有一個相關(guān)的電抗器件 (電感器) 需要予以關(guān)注。一種可行的解決方案是把 LTC3676 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(dǎo)線所造成的污染問題。更好的做法是采用輻射源抑制和天線消除。

輻射源抑制有必要采用合理的布局 / 組件選擇 (和內(nèi)部 IC 設(shè)計) 以避免產(chǎn)生射頻能量。常常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 LTC3676更遠的地方。這是因為 AC 電流沿著從 LTC3676 經(jīng)由電感器、輸出電容器到地并返回 LTC3676 的路線循環(huán)流動。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 LTC3676 的地、以及 PVIN 輸入去耦電容器的地。

LTC3676 還提供了幾種用于輻射源抑制的方法。其 DC-DC 轉(zhuǎn)換器特別內(nèi)置了一種 dv/dt 控制功能，此功能用于減慢開關(guān)邊緣速率以降低輻射發(fā)射。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)。選擇了一個大約 3ns上升 / 下降時間的緩慢邊緣速率，以在通過輻射要求的同時依舊限制開關(guān)損耗，這有助于優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器效率。LTC3676 中的全部 4 個降壓開關(guān)穩(wěn)壓器均默認至該 3ns 邊緣速率控制模式，不過也可以通過 I2C 單獨設(shè)定至較快的 1ns 速率，以在不需要有限邊緣速率和輻射控制的情況下改善效率。

除了開關(guān)時間控制之外，LTC3676 還提供了一些其他的 EMI 抑制手段。降壓穩(wěn)壓器的頻率可在 2.25MHz 至 1.12MHz 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。

此外，LTC3676 還能提供超過 10W 的可觀功率。這會導(dǎo)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，從而形成縫隙天線。但是，諸如換層等其他障礙物則會給 EMI 特征信號提供一些能量，故應(yīng)盡量減少。理想的情況是，頂層和底層應(yīng)全部 (或大部分) 為接地平面，信號層則設(shè)在內(nèi)部。這常常是不切實際的，于是有些設(shè)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 LTC3676 置于 PCB 上的一角或凸耳 (tab) 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。然而，先進行 LTC3676 的高循環(huán)電流區(qū)域之布線卻是不錯的主意，其可確保盡可能優(yōu)化布局。

倘若能以輻射源抑制和天線消除原理為指導(dǎo)思想設(shè)計并執(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。

其他的重要特點

LTC3676 完全符合 2kV HBM 和 1000V 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(guān)鍵性的要求。再者，該 IC 還具有非常低的待機電流消耗 (通常為 12μA)，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)必須保持對用于感知時間的實時時鐘電路的連續(xù)供電，即使當引擎不處于運行狀態(tài)時也是如此。

最后，LTC3676 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 (按照期望的接通順序?qū)㈦娫摧敵鲭妷哼B接至使能引腳) 來處理。在內(nèi)部對每個使能動作進行了幾 μs 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，因此即使在輸出電壓低至 0.43V 的情況下也可以進行排序。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(zhuǎn)換。見圖 2。

此外，LTC3676 還具備可輕松設(shè)置的斷電序列控制功能。該 IC 包括兩個用于初始化一種斷電序列配置的寄存器，下一個關(guān)斷事件或過功率故障情況將遵循該配置。每個穩(wěn)壓器 (DC-DC 和 LDO) 都可被預(yù)先設(shè)定至用于停機的 4 個時隙之一。每個穩(wěn)壓器輸出包括一個內(nèi)部下拉電阻器，在穩(wěn)壓器輸出停用時連接該電阻以保證受控放電 (如圖 3 所示) 以及下一個接通序列的低起點。[!--empirenews.page--]

圖 2：LTC3676 的啟動序列

圖 3：LTC3676 的斷電序列

結(jié)論

與昔日的座駕相比，如今的汽車取得了長足的進步。簡單的 AM/FM 收音機已經(jīng)讓位給最新的技術(shù)，例如：衛(wèi)星無線電、觸摸屏、導(dǎo)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(shè)計人員將能夠采用新一代的緊湊型電源管理解決方案 IC，此類 IC 集成了關(guān)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。高性能處理器通常具有一組獨特的電源要求，包括多個高電流和低噪聲電壓軌、可編程排序和動態(tài) I2C 調(diào)節(jié)。因此，重要的是選擇合適的 PMIC 為其提供控制和供電。

憑借諸如由凌力爾特提供面向應(yīng)用處理器的 8 軌 LTC3676 / LTC3676-1 電源管理解決方案等新產(chǎn)品，系統(tǒng)設(shè)計人員將能夠在不斷擴大的應(yīng)用領(lǐng)域中充分利用這些來自 Freescale、Marvell、Samsung 和其他公司的新型處理器所擁有的全部節(jié)能和性能優(yōu)勢。LTC3676 / LTC3676-1 解決了許多與汽車信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的傳統(tǒng)問題，從而改善了新式汽車的駕乘體驗。