汽車信息娛樂系統設計借助多輸出電源管理 IC 而簡化

背景

隨著產品外形的不斷縮小，對于其功能和特性的要求持續提高。再者，用于為這些產品供電的精細數字 IC (例如：微處理器 [μP] 和微控制器 [μC] 或現場可編程門陣列 [FPGA]) 的業界發展趨勢是：繼續降低其工作電壓，同時增加其電流量。微處理器是導入設計時最常用的此類 IC 之一，而且諸如 Freescale、Intel、NVIDIA、Samsung 和 ARM 等供應商推出了越來越多的高效率型產品。這些產品設計用于為眾多的無線、嵌入式和網絡應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，同時提供更高的計算性能以運行功能豐富的多媒體應用程序。然而，這種對于高效率和高處理性能組合的需求已經擴展到了非便攜式應用領域。相關的例子包括汽車信息娛樂系統和其他的嵌入式應用，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) 來正確地控制和監視微處理器的電源，以便獲得此類處理器的所有性能優勢。此外，隨著汽車車載電子裝備不斷地大幅增加，作為車內各種控制系統之“主力”的微處理器的使用量也大為增多。信息娛樂系統囊括了大量旨在改善駕駛體驗的功能。觸摸屏、藍牙通信、數字及高清晰度電視 (HDTV)、衛星無線電、CD/DVD/MP3 播放器、全球定位系統 (GPS) 導航和視頻游戲系統已經在汽車內部營造了一個成熟完備的娛樂中心!

汽車 PMIC 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討論，電源管理 IC 面臨著來自兩個方面的挑戰。首先，電源轉換 (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，可導致結溫升幅超過 60°C。如果再加上寬環境工作溫度范圍這個額外的難題，PMIC 的最大結溫常常會超過 125°C。即使是在汽車車身電子設備中 (不是引擎罩下)，密封式塑料電子控制模塊內部的環境溫度亦可達到 95°C。由于這些溫度方面的難題，許多規格在 85°C 甚至 125°C 的 PMIC 都不足以在高溫環境中持續運作。

在高環境溫度場合中運作集成型電源管理器件的另一個關鍵點是：器件應能自行監視其芯片溫度并在其結溫變得過高時進行報告，這樣系統控制器就能機智靈活地決定是否降低負載的供電功率。通過關斷不太重要的功能電路或者調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，操作系統軟件能夠實現上述目標。

現今汽車儀表盤的內部環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絡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境中裝入任何新的組件，那么這些新組件就不能產生過多的熱量或 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發射、輻射和傳導抵抗力或敏感性、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 開關穩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 轉換器中的另一個常見的輻射發射源則來自于其內部功率 MOSFET 的開關邊緣速率。必須對這些邊緣速度進行控制以減少輻射發射。當今的許多嵌入式系統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行受控和精心設計的排序。提供系統靈活性及簡單的排序方法不僅可使系統設計更加容易，而且還能提高系統可靠性并允許由單個 PMIC 來應對更加廣泛的系統，而不僅僅局限于滿足某種特定處理器的要求。

概括起來，汽車信息娛樂系統設計人員所面臨的主要難題包括：

l 在功率耗散與高集成度 (內置多個開關穩壓器和線性穩壓器) 之間實現平衡

l 先進的納米技術處理器和 FPGA 所要求的準確輸出電壓調節和負載階躍響應

l 監視結溫

l 對于輻射及傳導噪聲的耐受力，并產生很低的輻射

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。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。這種低紋波與準確、快速響應穩壓器相組合，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過預先調節的 5V 或 3.3V 系統電源軌或電池電壓，但此類電源 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。LTC3676 / LTC3676-1 包含 4 個用于內核、存儲器、I/O 和片上系統 (SoC) 電源軌的同步降壓型 DC/DC 轉換器 (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 線性穩壓器。LTC3676-1