汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)借助多輸出電源管理 IC 而簡(jiǎn)化

背景

隨著產(chǎn)品外形的不斷縮小，對(duì)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(xì)數(shù)字 IC (例如：微處理器 [μP] 和微控制器 [μC] 或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 [FPGA]) 的業(yè)界發(fā)展趨勢(shì)是：繼續(xù)降低其工作電壓，同時(shí)增加其電流量。微處理器是導(dǎo)入設(shè)計(jì)時(shí)最常用的此類(lèi) IC 之一，而且諸如 Freescale、Intel、NVIDIA、Samsung 和 ARM 等供應(yīng)商推出了越來(lái)越多的高效率型產(chǎn)品。這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)用于為眾多的無(wú)線(xiàn)、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(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)提供更高的計(jì)算性能以運(yùn)行功能豐富的多媒體應(yīng)用程序。然而，這種對(duì)于高效率和高處理性能組合的需求已經(jīng)擴(kuò)展到了非便攜式應(yīng)用領(lǐng)域。相關(guān)的例子包括汽車(chē)信息娛樂(lè)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(chǎng)合中，都必需采用一種高度專(zhuān)用的高性能電源管理 IC (PMIC) 來(lái)正確地控制和監(jiān)視微處理器的電源，以便獲得此類(lèi)處理器的所有性能優(yōu)勢(shì)。此外，隨著汽車(chē)車(chē)載電子裝備不斷地大幅增加，作為車(chē)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(lè)系統(tǒng)囊括了大量旨在改善駕駛體驗(yàn)的功能。觸摸屏、藍(lán)牙通信、數(shù)字及高清晰度電視 (HDTV)、衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)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(chē)內(nèi)部營(yíng)造了一個(gè)成熟完備的娛樂(lè)中心!

汽車(chē) PMIC 挑戰(zhàn)

面向汽車(chē)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(chē) 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)始討論，電源管理 IC 面臨著來(lái)自?xún)蓚€(gè)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(huì)將一些功率作為熱量消耗掉。當(dāng)把幾個(gè) DC-DC 和 LDO 穩(wěn)壓器集成在單個(gè)器件之中時(shí)，其組合功率耗散會(huì)相當(dāng)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(gè) 33°C/W 的熱阻，可導(dǎo)致結(jié)溫升幅超過(guò) 60°C。如果再加上寬環(huán)境工作溫度范圍這個(gè)額外的難題，PMIC 的最大結(jié)溫常常會(huì)超過(guò) 125°C。即使是在汽車(chē)車(chē)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(dá)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(yùn)作。

在高環(huán)境溫度場(chǎng)合中運(yùn)作集成型電源管理器件的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(guò)高時(shí)進(jìn)行報(bào)告，這樣系統(tǒng)控制器就能機(jī)智靈活地決定是否降低負(fù)載的供電功率。通過(guò)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(yùn)行性能，操作系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)。

現(xiàn)今汽車(chē)儀表盤(pán)的內(nèi)部環(huán)境中擠滿(mǎn)了形形色色的電子線(xiàn)路與組件。而從藍(lán)牙到基于蜂窩電話(huà)的網(wǎng)絡(luò)連接等無(wú)線(xiàn)電裝置的加入則使這種狀況雪上加霜。因此，假如要在這個(gè)散熱條件嚴(yán)重受限的環(huán)境中裝入任何新的組件，那么這些新組件就不能產(chǎn)生過(guò)多的熱量或 EMI，這一點(diǎn)是十分必要。這里的電磁兼容性 (EMC) 要求十分嚴(yán)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(mǎn)足這些要求的能力，那么 PMIC 設(shè)計(jì)的性能方面將受到影響。其中有些影響是簡(jiǎn)單直接的，比如：DC-DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器必須在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 AM 無(wú)線(xiàn)電頻段的某個(gè)固定頻率上運(yùn)作。然而，DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的另一個(gè)常見(jiàn)的輻射發(fā)射源則來(lái)自于其內(nèi)部功率 MOSFET 的開(kāi)關(guān)邊緣速率。必須對(duì)這些邊緣速度進(jìn)行控制以減少輻射發(fā)射。

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上電及施加至各種不同的電路時(shí)執(zhí)行受控和精心設(shè)計(jì)的排序。提供系統(tǒng)靈活性及簡(jiǎn)單的排序方法不僅可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加容易，而且還能提高系統(tǒng)可靠性并允許由單個(gè) PMIC 來(lái)應(yīng)對(duì)更加廣泛的系統(tǒng)，而不僅僅局限于滿(mǎn)足某種特定處理器的要求。

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

• 在功率耗散與高集成度 (內(nèi)置多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和線(xiàn)性穩(wěn)壓器) 之間實(shí)現(xiàn)平衡

• 先進(jìn)的納米技術(shù)處理器和 FPGA 所要求的準(zhǔn)確輸出電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載階躍響應(yīng)

• 監(jiān)視結(jié)溫

• 對(duì)于輻射及傳導(dǎo)噪聲的耐受力，并產(chǎn)生很低的輻射

• 大的電壓瞬變和極端溫度

• 管理啟動(dòng)和停機(jī)期間的電源排序

• 盡量縮減解決方案的尺寸和占板面積

一款簡(jiǎn)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(duì)于任何旨在滿(mǎn)足上述汽車(chē)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。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。這種低紋波與準(zhǔn)確、快速響應(yīng)穩(wěn)壓器相組合，可滿(mǎn)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(guò)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(lèi)電源 IC 還必須擁有適應(yīng)嚴(yán)苛汽車(chē)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(jìn)便攜式微處理器系統(tǒng)。LTC3676 / LTC3676-1 包含 4 個(gè)用于內(nèi)核、存儲(chǔ)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(dá) 2.5A 電流)，以及 3 個(gè)用于低噪聲模擬電源的 300mA 線(xiàn)性穩(wěn)壓器。LTC3676-1 配置了一個(gè)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(chǔ)器終端，并且還增設(shè)了一個(gè)用于 DDR 的 VTTR 基準(zhǔn)輸出。這兩個(gè)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(jìn)行設(shè)置。支持多個(gè)穩(wěn)壓器的是一種高度可配置的電源排序能力、動(dòng)態(tài)輸出電壓調(diào)節(jié)、一個(gè)按鈕接口控制器、以及通過(guò) I2C 接口實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)壓器控制，并具有大量通過(guò)一個(gè)中斷輸出提供的狀態(tài)和故障報(bào)告功能。LTC3736 支持 i.MX6、PXA 和 OMAP 處理器，具有 8 個(gè)位于適當(dāng)功率級(jí)的獨(dú)立電源軌以及動(dòng)態(tài)控制和排序功能。其他特點(diǎn)包括接口信號(hào)，例如：其電平同時(shí)在多達(dá) 4 個(gè)電源軌上的編程運(yùn)行與待機(jī)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(jiǎn)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(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jí)) 選項(xiàng)，能輕松滿(mǎn)足汽車(chē)的高溫工作要求。該 IC 包括一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于結(jié)溫監(jiān)視的熱報(bào)警標(biāo)記和中斷，而且還具有一種硬熱停機(jī)功能，用于在功率耗散失控或發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下提供可靠的硬件保護(hù)。

LTC3676 PWM 開(kāi)關(guān)頻率特別修整至 2.25MHz，并具有一個(gè) 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(qiáng)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(yùn)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，而且還可進(jìn)一步降低 DC-DC 輸出電容器上的電壓紋波。

抑制輻射和傳導(dǎo)發(fā)射

由于 LTC3676 內(nèi)置了 4 個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，因此它們各有一個(gè)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(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(xiàn)所造成的污染問(wèn)題。更好的做法是采用輻射源抑制和天線(xiàn)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(jì)) 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(yuǎn)的地方。這是因?yàn)?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(xiàn)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(xiàn) (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(kāi)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(shí)間均處于受控狀態(tài)。選擇了一個(gè)大約 3ns上升 / 下降時(shí)間的緩慢邊緣速率，以在通過(guò)輻射要求的同時(shí)依舊限制開(kāi)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(gè)降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器均默認(rèn)至該 3ns 邊緣速率控制模式，不過(guò)也可以通過(guò) I2C 單獨(dú)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(kāi)關(guān)時(shí)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(huì)通過(guò)電源輸入配線(xiàn)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。

此外，LTC3676 還能提供超過(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)，從而形成縫隙天線(xiàn)。但是，諸如換層等其他障礙物則會(huì)給 EMI 特征信號(hào)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(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(zhuān)注于怎樣在布局開(kāi)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(xiàn)變得非常困難。然而，先進(jìn)行 LTC3676 的高循環(huán)電流區(qū)域之布線(xiàn)卻是不錯(cuò)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(xiàn)消除原理為指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)并執(zhí)行 EMI 控制，就可以創(chuàng)建一個(gè)具有優(yōu)良 EMI 性能的滿(mǎn)功率系統(tǒng)，而不會(huì)增加產(chǎn)品成本或重量。

其他的重要特點(diǎn)

LTC3676 完全符合 2kV HBM 和 1000V CDM 的汽車(chē) ESD 要求，這是在汽車(chē)組裝過(guò)程中趨近零缺陷的另一項(xiàng)關(guān)鍵性的要求。再者，該 IC 還具有非常低的待機(jī)電流消耗 (通常為 12μA)，這一特性合乎汽車(chē)導(dǎo)航、防盜和安全系統(tǒng)的要求，此類(lèi)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，即使當(dāng)引擎不處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)也是如此。

最后，LTC3676 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 (按照期望的接通順序?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)行了幾 μs 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(mén)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(jìn)行排序。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。見(jiàn)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(gè)用于初始化一種斷電序列配置的寄存器，下一個(gè)關(guān)斷事件或過(guò)功率故障情況將遵循該配置。每個(gè)穩(wěn)壓器 (DC-DC 和 LDO) 都可被預(yù)先設(shè)定至用于停機(jī)的 4 個(gè)時(shí)隙之一。每個(gè)穩(wěn)壓器輸出包括一個(gè)內(nèi)部下拉電阻器，在穩(wěn)壓器輸出停用時(shí)連接該電阻以保證受控放電 (如圖 3 所示) 以及下一個(gè)接通序列的低起點(diǎn)。

圖 2：LTC3676 的啟動(dòng)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(chē)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。簡(jiǎn)單的 AM/FM 收音機(jī)已經(jīng)讓位給最新的技術(shù)，例如：衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電、觸摸屏、導(dǎo)航系統(tǒng)、藍(lán)牙、HDTV、集成型蜂窩電話(huà)、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電源管理解決方案 IC，此類(lèi) IC 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。高性能處理器通常具有一組獨(dú)特的電源要求，包括多個(gè)高電流和低噪聲電壓軌、可編程排序和動(dòng)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ADI公司提供面向應(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(jì)人員將能夠在不斷擴(kuò)大的應(yīng)用領(lǐng)域中充分利用這些來(lái)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(shì)。LTC3676 / LTC3676-1 解決了許多與汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的傳統(tǒng)問(wèn)題，從而改善了新式汽車(chē)的駕乘體驗(yàn)。