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現代技術進步，例如衛星廣播、觸摸屏、導航系統、藍牙、高清電視、集成式手機、媒體播放器和視頻游戲系統，都提升了駕駛體驗。全球每年生產超過5,000萬輛汽車，其中大部分都有某些類型的集成式信息娛樂系統。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，而一流的控制臺可能需要更多電源軌。傳統上，這些電壓軌和電流由很多分立式電源穩壓器IC或者大型過度集成的電源管理集成電路(PMIC)提供。不過，這類大型PMIC提供的電壓軌常常多于所需，占用面積很大，而且對某些軌的供電常常不足。因此，需要能提供占板面積很小的多輸出IC解決方案，而且這類IC要提供很多可配置和供電適度的電壓軌。此外，如果這類IC能以各種不同的方式配置，以適應在開發過程中可能出現的電源要求的變化，就會有更大的優勢。由于創新性電路設計，這類IC現在已經變成現實了。 信息娛樂系統的電源設計挑戰 汽車應用的電子系統設計富有挑戰性，這有很多原因：空間高度受限，工作溫度范圍必須很寬，必須最大限度地降低噪聲，必須容許電池瞬態，質量必須很高。既然集成度必須很高，那么就需要高效節能的組件。汽車儀表板上有各種電子系統，相當擁擠，再加上很高的環境工作溫度，所以溫度監視成了關鍵要求，尤其是涉及電源管理組件的工作溫度時。如果能向系統控制器報警，通知控制器發生了過熱情況，就可以通過軟件關閉少量電路功能，或者降低處理器性能以及顯示器、網絡通信等其他大功率組件的性能，以此減輕過熱問題。 今天的汽車儀表板常常擠滿了大量噪聲源和溫度敏感源，例如無線電、藍牙、GPS和基于手機的網絡連接。因此，至關重要的是，這個環境中的所有電路(包括電源)都不能產生過多的熱量或EMI。在很多情況下，都有嚴格的電磁兼容性(EMC)要求，其中涵蓋了輻射與傳導噪聲、抗輻射與傳導性或輻射與傳導敏感性以及靜電放電(ESD)。在一個可能的PMIC設計中，要符合所有這些要求，就會牽涉很多性能問題。有些要求是簡單易懂的，例如要求DC/DC開關穩壓器以AM無線電頻段以外的固定頻率工作。然而，還有一些要求難以滿足，例如調節內部功率FET的轉換率，以最大限度地降低DC/DC轉換器開關節點轉換引起的輻射噪聲。 此外，今天很多嵌入式系統和先進的處理器在電源啟動和加到各種不同的電路上時，都要求受控和精心設計的排序。排序方法要簡單并能為系統提供靈活性，這樣才能使系統設計更容易，而且能確保系統可靠性，并允許單個PMIC滿足更多的系統要求，而不僅是特定處理器的要求。 “功能蔓延”指的是即產品規格(例如：輸入和輸出電壓以及輸出電流等)隨著開發周期的推進而發生的變化，這會嚴重破壞IC及相關分立組件的選擇。當電路板布局確定后，要改變系統的性能規格時，在最好的情況下，也許通過更換可調輸出轉換器上的幾個電阻器，就可以微調電壓了。在最壞情況下，因為新的輸出電流要求超過了已采用IC的開關電流額定值，也許需要用管腳引出線不兼容的IC替換幾個IC。由于電路板的重新設計和重新布局，這將大量導致成本增加及時間延遲。因此需要高度專業化、高性能、可配置的電源管理IC，以恰當管理電源系統，確保系統的所有性能優勢都得以實現，并為不可避免的電源系統更改提供靈活性。直到現在為止，還沒有單個IC能完成這種任務。 總之，汽車信息娛樂系統設計師面臨的主要IC設計挑戰包括以下各項： ● 在項目開發階段更改設計要求(電壓和電流值) ● 很多系統需要大量 一種簡單的解決方案 過去，多種多輸出PMIC不具備應對這類新式系統的靈活性。上面概述了要滿足汽車電源管理IC設計限制的任何解決方案都必須具備的條件：集成度很高；具備低壓能力、提供中等電流的降壓型開關穩壓器；有很寬的工作溫度范圍；有很高的靈活性。設計師所需要的是多通道、可配置DC/DC轉換器以應對所有這些問題，采用單個器件提供高集成度和可配置性，同時滿足大量應用需求。 靈活的8通道降壓型穩壓器 LTC3375是一款高集成度、通用電源管理解決方案，適用于需要多個低壓電源的系統（簡化的LTC3375三輸出4A/3A/1A方框圖如圖1）。該器件采用緊湊的QFN封裝，提供8個獨立的1A通道，具備I2C控制、靈活的排序和故障監視。LTC3375含有8個內部補償的高效率同步降壓型穩壓器和一個高壓、始終保持接通的線性控制器。每個降壓型穩壓器都有自己獨立的2.25V至5.5V輸入電源和0.425V至VIN的輸出電壓范圍。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和可靠的上電排序及系統監視。LTC3375具有一個可編程、可同步的1MHz至3MHz振蕩器，缺省開關頻率為2MHz。所有DC/DC斷開時，靜態電流僅為11μA，從而降低了始終保持接通系統的功率。該器件非常適用于多種多通道應用，包括工業、汽車和通信系統。 LTC3375的8個降壓型轉換器可獨立使用或并聯連接，以用單個共享電感器實現更大和每輸出高達4A的輸出電流。因為多達4個相鄰穩壓器可以連接在一起，所以可以有15種不同的輸出配置。通過連接VIN和SW引腳，并將從屬降壓型穩壓器的FB引腳連接到輸入電源，相鄰降壓型穩壓器能以主-從式配置相結合。所有這些開關穩壓器都是內部補償的，僅需要外部反饋電阻器來設定輸出電壓。此外，輸出電壓可以通過I2C調節。這些開關穩壓器提供兩種工作模式：以突發模式(Burst Mode)工作(上電缺省模式)時可在輕負載實現更高效率；而強制連續PWM模式可使輕負載時的噪聲更低。I2C接口可用來選擇工作模式、相位關系、反饋調節電壓和開關轉換率。這些降壓型穩壓器提供正向和反向電流限制、啟動時限制浪涌電流的軟啟動、短路保護以及實現更低輻射EMI的轉換率控制。其他特點包括芯片溫度監視輸出(通過I2C可讀)，該輸出指示內部芯片溫度；芯片溫度(DT)報警功能，當芯片溫度達到設定的警報門限時，提醒用戶，從而使系統能采取糾正行動。LTC3375采用耐熱增強型、扁平(0.75mm)48引腳7mmx7mm裸露焊盤QFN封裝。LTC3375還有高溫(H級)版本可選，結溫額定值為-40°C至+150°C，非常容易滿足高溫汽車工作環境的要求。 圖1：簡化的LTC3375三輸出4A/3A/1A方框圖 安全與可靠性也是關鍵 LTC3375含有系統看門狗電路，可在微處理器損壞的情況下，用來啟動自動的系統復位�？撮T狗電路監視微處理器的活動。微處理器需要至少每1.5秒改變一次看門狗定時器輸入(WDI)的邏輯狀態，以給看門狗定時器清零，并防止看門狗定時器輸出(WDO)引腳發出超時信號。 看門狗定時器在上電復位后立即開始運行，并將保持運行，直至在WDI輸入上檢測到轉換為止。在這期間，WDO將處于高阻抗(Hi-Z)狀態。一旦看門狗定時器超時，WDO就被拉低，并啟動復位定時器。如果在復位定時器超時期間，沒有接收到WDI轉換信號，那么200ms之后，WDO就再次變成Hi-Z狀態，1.5秒看門狗復位定時將再次開始。如果在看門狗超時期間，WDI輸入接收到了轉換信號，那么WDO就在WDI轉換后立即變成Hi-Z狀態，1.5秒看門狗復位定時將從這一點開始。 拉低WDO可用來強制起控制作用的微處理器復位。這種復位能以幾種方式實現。如果在故障情況下，想給整個系統斷電，那么可以將WDO連接到KILL引腳。在這種情況下，WDO將拉低KILL，并啟動硬復位(Hard Reset)。在200ms之后，如果在WDI上沒有檢測到轉換，那么WDO就釋放KILL，并允許給系統再次加電。在這種情況下，需要提到的一點是，定時電容器(CT引腳)的大小必須為：以低于1.5s(看門狗超時時間)減去硬復位時間(對于0.01μF的CT電容器而言是1s)所得之差為準，在這個時間之內，系統能上電，并確定WDI轉換。如果不想這么急劇地進行系統復位，那么可以用WDO引腳拉低等待復位的任何電源之EN引腳。在這種情況下，EN引腳將被強制為低，并持續200ms，之后將釋放EN引腳，如果需要，可以驅動EN引腳為高。需要提到的重要一點是，EN引腳不用低阻抗輸出驅動。 抑制輻射和傳導噪聲 LTC3375的PWM開關頻率用400k RT電阻器在保證的1.8MHz至2.2MHz范圍內準確微調至2MHz。RT電阻器可用來在1MHz至3MHz范圍內設定任何工作頻率。這些穩壓器還可設定為強制連續PWM工作模式，甚至在輕負載時，防止以突發模式工作。這不僅保持了頻率固定，而且降低了DC/DC輸出電容器上的電壓紋波。此外，LTC3375還可以通過SYNC引腳，與一個1MHz至3MHz的外部時鐘同步，以進一步降低系統噪聲。 LTC3375有一個特殊的功能，允許用戶降低切換邊沿速率，該功能專門用來降低輻射噪聲。通過選擇布局/組件以防止產生射頻能量，就可從源頭抑制噪聲。有必要使用屏蔽電感器，且有必要將這些電感器放置在盡可能靠近LTC3375的地方。這是因為AC電流通過電感器和輸出電容器流到地，再從地返回LTC3375。從這里也可以清楚地了解，為什么要用寬走線(大面積更可取)連接輸出電容器的地與LTC3375的地以及相關的VIN輸入去藕電容器的地。 LTC3375還提供一些附加方法以進行源頭抑制。降壓型轉換器的開關轉換率可以通過I2C調節。因為降壓型轉換器是同步的，所以下降和上升時間可以同時延長。圖2和圖3分別顯示了以全速和低速上升和下降的開關曲線。 圖2：降壓型轉換器在2MHz全速上升和下降的開關曲線 圖3：降壓型轉換器在2MHz低速上升和下降的開關曲線 線性穩壓器控制器 線性控制器可以靠12V電池運行，這時可提供相對小的電流。LDO的輸出功率視所用組件的不同而不同。如果需要，可以在20V提供50mA。這非常適用于在汽車信息娛樂系統中為任何“始終保持接通”的電路供電，同時LTC3375在斷電狀態時，僅消耗11μA電流。在這個例子中，LTC3375無需單獨的低功率電源來保持系統存儲器工作。參見圖4以了解詳細信息。 圖4：用線性控制器給Vcc供電的典型應用電路 抵抗極端電壓擺幅 汽車電子系統的另一個障礙是電池電壓的急劇變化，在冷車發動時低至約~5V，高壓尖峰也是引起急劇變化的原因。汽車電子系統不僅需要承受這些嚴酷的電壓變化而不被損壞，而且同時需要繼續保持工作。LTC3375有按鈕控制器和外部通路FET穩壓器，該控制器和穩壓器可用來啟動外部高壓降壓型穩壓器，然后該外部穩壓器以安全的穩定電壓給LTC3375供電。參見圖5以了解有關該IC在高壓瞬態時，穩定輸出電壓性能的詳細信息。 圖5：LTC3375高壓瞬態性能 如果外部降壓型穩壓器脫離穩定狀態，外部通路FET穩壓器還可用來在冷車發動工作情況下保持微處理器有效。外部使能引腳使降壓型穩壓器能從外部啟動，也可以通過I2C啟動，或者兩者結合。當輸入電壓低于欠壓閉鎖(UVLO)門限，或者輸出電壓不在穩定狀態時，微處理器可通過可編程中斷(IRQ)和復位(RST)引腳接收報警信號，參見圖6以了解詳細信息。 圖6：用上游高壓降壓型轉換器驅動LTC3375 結論 通過用單個多輸出8通道降壓型IC取代分立式電源IC組件或傳統上大型和過度集成的PMIC，系統設計師可以集成關鍵電源管理功能，并用更小和更簡單的解決方案實現全新的性能。LTC3375是這類新一代多輸出轉換器IC的一個好例子。該器件是數字可編程的高效率多輸出電源IC，包含8個同步降壓型轉換器(每個的IOUT高達1A)，所有轉換器都由獨立的2.25V至5.5V輸入電源供電，并具備低輸出電壓能力。該器件可以提供多達15種不同的輸出電流配置，這種靈活性允許系統設計師減輕系統“功能蔓延”的影響。因此，該IC解決了很多傳統上存在并與汽車信息娛樂系統設計有關的問題，從而提升了現代汽車的駕駛體驗。 |
