靈活和可配置的多輸出電源 IC 在汽車信息娛樂系統(tǒng)中可抑制噪聲和承受電壓偏移

背景信息

當(dāng)今的汽車儀表盤常常充斥著眾多的噪聲源以及對(duì)溫度敏感的信號(hào)源，例如：無線電裝置、藍(lán)牙和基于蜂窩電話的網(wǎng)絡(luò)連接。因此，至關(guān)重要的是，這種環(huán)境中的所有電路 (包括電源) 不能產(chǎn)生過多熱量或 EMI。此外，電池電壓突然變化還有可能極大地干擾系統(tǒng)。然而，盡管存在這些挑戰(zhàn)，汽車信息娛樂系統(tǒng)卻日益流行，增長迅猛?，F(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步，例如衛(wèi)星無線電設(shè)備、觸摸屏、導(dǎo)航系統(tǒng)、藍(lán)牙、高清電視、集成的手機(jī)、媒體播放器和視頻游戲系統(tǒng)，已經(jīng)大大提升了駕駛體驗(yàn)?，F(xiàn)在全世界每年生產(chǎn)超過 5,000 萬輛汽車，大部分新車中都整合了某種類型的信息娛樂系統(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，一個(gè)優(yōu)質(zhì)控制臺(tái)甚至可能需要更多電壓軌。傳統(tǒng)上，這些電壓軌和電流是由大量分立式電源穩(wěn)壓器 IC 提供，或者由非常大和過度集成的電源管理集成電路 (PMIC) 提供。不過，這類 PMIC 常常提供超出所需的電源軌或輔助功能，占板面積很大，某些電壓軌常常供電不足。因此，需要一種多輸出 IC，其解決方案占板面積較小，能提供若干可配置和適度供電的電壓軌。

信息娛樂電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

汽車應(yīng)用的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是頗具挑戰(zhàn)性，原因有很多：空間十分有限，工作溫度范圍必須寬廣，噪聲必須盡量抑制，必須承受電池瞬變且質(zhì)量水準(zhǔn)必須很高。由于集成度必須很高以壓縮占板面積，那么就需要電源效率非常高的組件。

在許多場(chǎng)合中都有著嚴(yán)格的電磁兼容性 (EMC) 要求，其涵蓋了輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射、抵抗輻射和傳導(dǎo)或敏感性以及電子放電 (ESD)。對(duì)于潛在的多通道 IC 設(shè)計(jì)而言，符合所有這些要求將影響到很多方面的性能。有些滿足起來簡(jiǎn)單明了，例如：要求 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器工作在一個(gè)位于 AM 無線電頻段之外的固定頻率。然而，其他的就更難應(yīng)對(duì)了，比如：調(diào)整內(nèi)部功率 FET 的擺率以最大限度地抑制由于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換所引起的輻射發(fā)射。

隨著開發(fā)工作的推進(jìn)，“特征蠕動(dòng)”(即產(chǎn)品規(guī)格的變更，例如：輸入和輸出電壓及輸出電流等參數(shù)) 會(huì)對(duì) IC 及相關(guān)分立組件的選擇產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響。在最好的情況下，當(dāng)某項(xiàng)系統(tǒng)規(guī)格在電路板布局排定之后發(fā)生變更時(shí)，也許通過置換可調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器上的幾個(gè)電阻就能對(duì)某個(gè)電壓進(jìn)行微調(diào)。而在最糟糕的情況下，或許需要用引出腳不兼容的 IC 換掉多個(gè)現(xiàn)用的 IC，因?yàn)樾碌妮敵鲭娏魉揭蟪^了這些現(xiàn)用 IC 的開關(guān)電流額定值。由于必需進(jìn)行電路板的重新設(shè)計(jì)和布局，因此這將導(dǎo)致一系列的成本增加和進(jìn)度延誤。為此，需要采用一種高度專用的高性能可配置電源管理 IC 以正確地管理電源模塊，從而確保系統(tǒng)的所有性能優(yōu)勢(shì)皆可實(shí)現(xiàn)，并為不可避免的電源模塊系統(tǒng)變更提供靈活性。迄今為止，還沒有哪種 IC 能夠憑一己之力完成此項(xiàng)任務(wù)。

一種簡(jiǎn)單的解決方案

過去，很多既有多輸出 PMIC 不具備應(yīng)對(duì)這類新式系統(tǒng)所必需的靈活性。滿足上述汽車電源管理 IC 設(shè)計(jì)限制的任何解決方案都必須兼有高集成度、很寬的工作溫度范圍以及高度靈活性，其中高集成度包括集成電流適中的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器和低壓功能。設(shè)計(jì)師所需要的是一個(gè)多通道、可配置 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以僅用一個(gè)器件應(yīng)對(duì)所有這些問題，而且該器件在提供高集成度和可配置性的同時(shí)，還滿足多種應(yīng)用需求。

靈活的八通道降壓型穩(wěn)壓器

LTC3375 是一款高度集成的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)。該器件具備 8 個(gè)獨(dú)立的 1A 通道，提供 I2C 控制、靈活的排序和故障監(jiān)視，采用緊湊的 QFN 封裝。LTC3375 含有 8 個(gè)內(nèi)部補(bǔ)償、高效率同步降壓型穩(wěn)壓器和一個(gè)始終保持接通的高壓線性控制器。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，輸出電壓范圍為 0.425V 至 VIN。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)器提供靈活可靠的加電排序和系統(tǒng)監(jiān)視。LTC3375 具備可編程和可同步 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，從而在始終保持接通系統(tǒng)中節(jié)省了功率。該器件適用于多種多通道應(yīng)用，包括工業(yè)、汽車和通信系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

LTC3375 的 8 個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器可以單獨(dú)使用，也可以并聯(lián)連接，以用單個(gè)共享電感器實(shí)現(xiàn)每輸出高達(dá) 4A 的較大輸出電流。因?yàn)榭梢圆⒙?lián)的相鄰穩(wěn)壓器多達(dá) 4 個(gè)，所以可以有 15 種不同的輸出配置。這些穩(wěn)壓器有兩種工作模式：突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作 (加電缺省模式) 以在輕負(fù)載時(shí)提供較高效率;強(qiáng)制連續(xù) PWM 模式以在輕負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)較低噪聲。I2C 接口可用來選擇工作模式、相位、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、在啟動(dòng)時(shí)用軟啟動(dòng)限制浪涌電流、提供短路保護(hù)以及轉(zhuǎn)換率控制以實(shí)現(xiàn)較低的輻射 EMI。其他特點(diǎn)包括指示內(nèi)部芯片溫度的芯片溫度監(jiān)視器輸出 (可通過 I2C 讀取) 和芯片溫度 (DT) 報(bào)警功能，當(dāng)芯片溫度達(dá)到其設(shè)定報(bào)警門限時(shí)，該功能向用戶發(fā)出警報(bào)，因此允許系統(tǒng)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，其額定結(jié)溫范圍為 -40°C 至 +150°C，很容易滿足汽車的高溫運(yùn)行要求。

圖 1：LTC3375 4A/3A/1A 三輸出配置簡(jiǎn)化方框圖

抑制輻射和傳導(dǎo) EMI

LTC3375 PWM 開關(guān)頻率專門用 400k RT 電阻器微調(diào)至 2MHz，具有保證的 1.8MHz 至 2.2MHz 范圍。該 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，即使在輕負(fù)載時(shí)也可防止以突發(fā)模式工作。這不僅保持了固定頻率，而且還降低了 DC-DC 輸出電容器上的電壓紋波。此外，LTC3375 還可通過 SYNC 引腳以同步至一個(gè) 1MHz 至 3MHz 的外部時(shí)鐘，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲。

為了專門降低輻射的 EMI，LTC3375 還提供一種特殊功能，即允許用戶降低開關(guān)邊沿變化率。LTC3375 還為抑制電源噪聲額外提供一些工具。降壓型穩(wěn)壓器上開關(guān)的轉(zhuǎn)換率可通過 I2C 調(diào)節(jié)。因?yàn)檫@些降壓型穩(wěn)壓器是可同步的，所以下降和上升時(shí)間都可以延長。圖 2 和圖 3分別地顯示了以全速和減速上升和下降的開關(guān)切換曲線。

圖 2：以 2MHz 全速上升和下降的降壓型穩(wěn)壓器開關(guān)切換曲線

圖 3 是減速上升和下降的開關(guān)切換曲線：

圖 3：以 2MHz 減速上升和下降的降壓型穩(wěn)壓器開關(guān)切換曲線

抗極端電壓偏移

汽車電子產(chǎn)品需要克服的另一個(gè)障礙是電池電壓的劇烈變化，如冷車發(fā)動(dòng)時(shí)低至大約 5V，或高壓尖峰可能產(chǎn)生很高的電壓。汽車電子產(chǎn)品不僅需要承受這些嚴(yán)酷的電壓變化，而且需要連續(xù)工作。LTC3375 具備按鈕控制器和外部通路 FET 穩(wěn)壓器，可用來啟動(dòng)外部高壓降壓型穩(wěn)壓器，然后該穩(wěn)壓器再以安全穩(wěn)定的電壓給 LTC3375 供電。參見圖 4，了解該 IC 在高壓瞬態(tài)時(shí)的穩(wěn)定輸出電壓性能。

圖 4：LTC3375 高壓瞬態(tài)性能

結(jié)論

汽車儀表板上充滿了噪聲敏感源和溫度敏感源，這使 IC 設(shè)計(jì)困難多了。電池電壓的劇烈變化則帶來了另一種挑戰(zhàn)。盡管存在這些障礙，但是衛(wèi)星無線電設(shè)備、觸摸屏、導(dǎo)航系統(tǒng)、藍(lán)牙、高清電視等汽車信息娛樂系統(tǒng)功能構(gòu)件的技術(shù)進(jìn)步仍然可提升了現(xiàn)代汽車的駕駛體驗(yàn)。通過使用凌力爾特非常便于配置的 LTC3375 單個(gè)多輸出 8 通道降壓型 IC 取代很多分立式電源 IC 組件或傳統(tǒng)上非常大的、過度集成的 PMIC，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以在系統(tǒng)中集成關(guān)鍵電源管理功能，用更小、更簡(jiǎn)單的解決方案提供全新性能水平，從而提升了現(xiàn)代汽車駕駛之體驗(yàn)。