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

當今的汽車儀表盤常常充斥著眾多的噪聲源以及對溫度敏感的信號源，例如：無線電裝置、藍牙和基于蜂窩電話的網絡連接。因此，至關重要的是，這種環(huán)境中的所有電路 (包括電源) 不能產生過多熱量或 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。現(xiàn)代技術進步，例如衛(wèi)星無線電設備、觸摸屏、導航系統(tǒng)、藍牙、高清電視、集成的手機、媒體播放器和視頻游戲系統(tǒng)，已經大大提升了駕駛體驗?，F(xiàn)在全世界每年生產超過 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可能需要幾個低壓電源軌，總電流達到幾安培，一個優(yōu)質控制臺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)設計挑戰(zhàn)

汽車應用的電子系統(tǒng)設計是頗具挑戰(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量水準必須很高。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。

在許多場合中都有著嚴格的電磁兼容性 (EMC) 要求，其涵蓋了輻射發(fā)射和傳導發(fā)射、抵抗輻射和傳導或敏感性以及電子放電 (ESD)。對于潛在的多通道 IC 設計而言，符合所有這些要求將影響到很多方面的性能。有些滿足起來簡單明了，例如：要求 DC-DC 開關穩(wěn)壓器工作在一個位于 AM 無線電頻段之外的固定頻率。然而，其他的就更難應對了，比如：調整內部功率 FET 的擺率以最大限度地抑制由于 DC-DC 轉換器的開關節(jié)點轉換所引起的輻射發(fā)射。

隨著開發(fā)工作的推進，“特征蠕動”(即產品規(guī)格的變更，例如：輸入和輸出電壓及輸出電流等參數(shù)) 會對 IC 及相關分立組件的選擇產生嚴重的不良影響。在最好的情況下，當某項系統(tǒng)規(guī)格在電路板布局排定之后發(fā)生變更時，也許通過置換可調輸出轉換器上的幾個電阻就能對某個電壓進行微調。而在最糟糕的情況下，或許需要用引出腳不兼容的 IC 換掉多個現(xiàn)用的 IC，因為新的輸出電流水平要求超過了這些現(xiàn)用 IC 的開關電流額定值。由于必需進行電路板的重新設計和布局，因此這將導致一系列的成本增加和進度延誤。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)勢皆可實現(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任務。

一種簡單的解決方案

過去，很多既有多輸出 PMIC 不具備應對這類新式系統(tǒng)所必需的靈活性。滿足上述汽車電源管理 IC 設計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穩(wěn)壓器和低壓功能。設計師所需要的是一個多通道、可配置 DC/DC 轉換器，以僅用一個器件應對所有這些問題，而且該器件在提供高集成度和可配置性的同時，還滿足多種應用需求。

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，適用于需要多個低壓電源的系統(tǒng)。該器件具備 8 個獨立的 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 個內部補償、高效率同步降壓型穩(wěn)壓器和一個始終保持接通的高壓線性控制器。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，輸出電壓范圍為 0.425V 至 VIN。該器件的按鈕 ON/OFF/RESET 控制、電源接通復位和看門狗定時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，缺省開關頻率為 2MHz。所有 DC/DC 斷開時，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用，包括工業(yè)、汽車和通信系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

LTC3375 的 8 個降壓型轉換器可以單獨使用，也可以并聯(lián)連接，以用單個共享電感器實現(xiàn)每輸出高達 4A 的較大輸出電流。因為可以并聯(lián)的相鄰穩(wěn)壓器多達 4 個，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) 以在輕負載時提供較高效率;強制連續(xù) PWM 模式以在輕負載時實現(xiàn)較低噪聲。I2C 接口可用來選擇工作模式、相位、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、在啟動時用軟啟動限制浪涌電流、提供短路保護以及轉換率控制以實現(xiàn)較低的輻射 EMI。其他特點包括指示內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) 報警功能，當芯片溫度達到其設定報警門限時，該功能向用戶發(fā)出警報，因此允許系統(tǒng)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，其額定結溫范圍為 -40°C 至 +150°C，很容易滿足汽車的高溫運行要求。

圖 1：LTC3375 4A/3A/1A 三輸出配置簡化方框圖

抑制輻射和傳導 EMI

LTC3375 PWM 開關頻率專門用 400k RT 電阻器微調至 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，即使在輕負載時也可防止以突發(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 1MHz 至 3MHz 的外部時鐘，以進一步降低系統(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)壓器上開關的轉換率可通過 I2C 調節(jié)。因為這些降壓型穩(wěn)壓器是可同步的，所以下降和上升時間都可以延長。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)壓器開關切換曲線

圖 3 是減速上升和下降的開關切換曲線：

圖 3：以 2MHz 減速上升和下降的降壓型穩(wěn)壓器開關切換曲線

抗極端電壓偏移

汽車電子產品需要克服的另一個障礙是電池電壓的劇烈變化，如冷車發(fā)動時低至大約 5V，或高壓尖峰可能產生很高的電壓。汽車電子產品不僅需要承受這些嚴酷的電壓變化，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)時的穩(wěn)定輸出電壓性能。

圖 4：LTC3375 高壓瞬態(tài)性能

結論

汽車儀表板上充滿了噪聲敏感源和溫度敏感源，這使 IC 設計困難多了。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)星無線電設備、觸摸屏、導航系統(tǒng)、藍牙、高清電視等汽車信息娛樂系統(tǒng)功能構件的技術進步仍然可提升了現(xiàn)代汽車的駕駛體驗。通過使用凌力爾特非常便于配置的 LTC3375 單個多輸出 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)設計師可以在系統(tǒng)中集成關鍵電源管理功能，用更小、更簡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。