克服汽車信息娛樂系統設計難題現在變得容易了

　　背景

　　在美國，AM/FM 收音機仍然非常受歡迎;不過，簡單車載收音機日子已經一去不復返了，取而代之的是全新的汽車信息娛樂系統。您不再會像以往那樣在通勤的路上撥弄幾個旋鈕和觀看模擬顯示屏來獲知信息。如今，我們可以不費吹灰之力地通過汽車信息娛樂系統掌握大量的信息并盡情享受豐富多彩的娛樂項目。技術與產品的廣泛進步，例如：觸摸屏、數字音頻廣播 (DAB)、藍牙通信、數字和高清晰度電視 (HDTV)、衛星收音機、集成型蜂窩電話、CD/DVD/MP3 播放器、全球定位系統 (GPS) 導航和視頻游戲系統等，已經在汽車之中營造了一個成熟的娛樂中心!

　　此類信息娛樂系統的核心是一個復雜的微處理器。飛思卡爾 (Freescale)、英特爾 (Intel)、ARM 和其他公司提供了大量的高效率微處理器，此類仍在不斷發展壯大的微處理器專為給眾多無線、嵌入式和網絡應用提供低功耗和高性能處理而設計。這些產品的初衷是使原始設備制造商 (OEM) 能夠開發出體積較小、成本效益性更佳并具有長電池使用壽命的便攜手持式設備，同時提供增強型處理性能以運行多功能多媒體應用程序。近來，對這種高效率和處理性能組合的需求已擴展到了非便攜式應用領域。因此，汽車信息娛樂系統及其他嵌入式應用也要求類似的效率和處理性能水平。然而在所有的場合中，為了正確地控制和監視微處理器的電源系統、并確保這些處理器的全部性能優勢均能得以實現，高度專用的高性能電源管理伙伴 IC 將是必不可少的。

　　汽車 PMIC 所面臨的挑戰

　　面向汽車應用的電子系統設計頗具挑戰性，究其原因是很多的，包括寬工作溫度范圍、嚴格的 EMC 和瞬態要求、以及汽車 OEM制造商所要求的高質量水準。我們從寬工作溫度范圍開始說起，電源管理 IC 面臨著來自兩個方面的挑戰。首先是功率轉換，即使在擁有高效率的情況下也必定要消耗一定量的功率。當多個 DC-DC 和 LDO 穩壓器集成在單個器件中時，其組合功率耗散會相當大，輕易就能超過 1W。諸如 6mm x 6mm 40 引腳 QFN 等典型 PMIC 封裝具有一個 40°C/W 的熱阻，因而導致結溫升幅超過 40°C。如果再把第二項挑戰 (即：寬工作環境溫度) 考慮進去，那么 PMIC 的最大結溫常常超過 125°C。即使在車身電子中 (而并非引擎罩下)，密封塑料電子控制模塊內部的環境溫度也有可能達到 95°C。由于這些溫度方面的難題，許多針對 85°C 甚至 125°C 溫度條件擬訂額定指標的 PMIC 都不足以在高溫環境中持續操作。

　　如需在高環境溫度條件下運作一個集成型電源管理器件，則另一個關鍵之處是器件必需監視其自身的內部芯片溫度，并在結溫即將達到過高水平時發出報告，以便系統能夠就如何降低負載的供電功率做出機智靈活的決策。系統軟件可通過關斷不太關鍵的功能電路或降低處理器和其他高功率功能電路 (例如：顯示器和網絡通信) 的運行性能來實現上述目標。

　　如今，在汽車儀表板的內部擠滿了形形色色的電子線路與零組件。而且，它還有可能被塞進了從藍牙到基于蜂窩電話的網絡連接等無線通信功能電路。因此，假如要在這個散熱條件嚴重受限的環境中裝入新的組件，這些新組件就不能產生過大的熱量或 EMI，這一點很重要。這里的電磁兼容性 (EMC) 要求十分嚴格，涉及輻射和傳導發射、輻射和傳導抵抗力或敏感度、以及靜電放電 (ESD)。如欲擁有滿足所有這些要求的能力，那么 PMIC 設計的諸多性能方面都將受到影響。其中有些影響是簡單直接的，比如：DC-DC 開關穩壓器必須工作于一個遠遠超出 AM 無線電頻段的固定頻率。然而，DC-DC 轉換器中另一個常見的輻射發射源則來自于其內部功率 FET 的開關邊緣速率。

　　當今的許多嵌入式系統和先進處理器都需要在電源起動及施加至各種不同電路時執行受控和精心設計的排序。提供系統靈活性和簡單的排序方法不單能簡化系統設計，還將確保系統可靠性并允許單個 PMIC 處理更多的系統，而不僅僅局限于滿足某種特定的處理器要求。

　　概括起來，汽車信息娛樂系統設計人員所面臨的主要難題包括：

• 在功率耗散與多個開關穩壓器和 LDO 的高集成度之間的權衡
• 監測結溫
• 輻射發射和傳導發射抵抗力
• 大的電壓瞬變和極端溫度
• 管理電源排序
• 盡量縮減解決方案尺寸和占板面積

　　一款簡單的解決方案

　　歷史上，許多現有的 PMIC 尚未擁有處理這些新式系統和微處理器的必要功率。對于任何旨在滿足上述汽車電源管理 IC 設計限制條件的解決方案來說，其必須同時具備高集成度 (包括高電流開關穩壓器和 LDO)、寬工作溫度范圍、電源排序、關鍵參數的動態 I²C 控制和“難以實現” 的功能構件 (例如：降壓-升壓型穩壓器)。此外，具有高開關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。雖然輸入電壓通常取自經過預先調節的系統或電池電壓，但此類 IC 還必須擁有適應嚴苛汽車環境的能力，包括輻射發射抑制。

　　一款適合當今信息娛樂系統的高功率 PMIC

　　LTC^®3589-1 和 LTC3589-2 是完整的電源管理解決方案，適合基于 ARM 的處理器和先進的便攜式微處理器系統。這些器件包含三個用于內核、存儲器和 SoC 電源軌的同步降壓型 DC/DC 轉換器、一個用于 I/O 的同步降壓-升壓型穩壓器、和三個用于低噪聲模擬電源的 250mA LDO 穩壓器 (見圖 1)。一個 I²C 串行端口用于控制穩壓器使能、輸出電壓電平、動態電壓調節和轉換速率、操作模式及狀態報告。穩壓器啟動的排序操作通過按期望的次序將其輸出連接至使能引腳或通過 I2C 端口來完成。系統上電、斷電和復位功能受控于按鈕接口、引腳輸入或 I2C 接口。電壓監視器和有源放電電路可在下一個使能序列之前確保一個干凈的斷電，另外，選定的穩壓器可以免除用于電源的按鈕控制 (例如，存儲器，當其必須在待機模式中保持運行時)。LTC3589 以 8 個獨立電源軌、恰當的功率值、以及動態控制和排序支持 i.MX、PXA 和 OMAP 處理器。其他特點包括諸如 VSTB 引腳等提供的接口信號，該引腳同時在多至 4 個電源軌上于設定的運行和備用輸出電壓之間切換。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm 裸露襯墊 QFN 封裝。