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以多输出电源管理IC简化汽车信息娱乐系统的设计

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发表于 2018-7-26 16:59:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
随着产品外形的不断缩小,对于其功能和特性的要求持续提高。再者,用于为这些产品供电的精细数字IC(例如:微处理器(μP)和微控制器(μC)或现场可程序设计门阵列(FPGA))的业界发展趋势是:继续降低其工作电压,同时增加其电流量。微处理器是导入设计时最常用的此类IC之一,而且例如Freescale、Intel、NVIDIA、Samsung和ARM等供货商推出了越来越多的高效率型产品。这些产品设计用来为众多的无线、嵌入式和网络应用提供低功耗和高性能处理。

这些处理器的初衷是:协助OEM制造商开发出体积较小、成本效益性更佳并具有长电池使用寿命的可携式掌上型装置,同时提供更高的计算性能以运行功能丰富的多媒体应用程序。然而,这种对于高效率和高处理性能组合的需求已经扩展到了非可携式应用领域。相关的例子包括汽车信息娱乐系统和其他的嵌入式应用,它们均需要相似的效率和处理性能。在所有的场合中,都必需采用一种高度专用的高性能电源管理IC(PMIC)来正确地控制和监视微处理器的电源,以便获得此类处理器的所有性能优势。此外,随着汽车车载电子装备不断地大幅增加,作为车内各种控制系统之“主力”的微处理器的使用量也相形增多。信息娱乐系统囊括了大量旨在改善驾驶体验的功能。触摸屏、蓝牙通讯、数字及高分辨率电视(HDTV)、卫星无线电、CD/DVD/MP3播放器、全球定位系统(GPS)导航和视频游戏系统已经在汽车内部造就了成熟完备的娱乐中心!

汽车PMIC的挑战

汽车应用的电子系统设计颇具挑战性,究其原因很多,包括宽广工作温度范围、严格的EMC和瞬时要求、以及汽车OEM制造商所要求的高质量水平。本文将从宽广工作温度范围开始讨论,电源管理IC面临着来自两方面的挑战。首先,电源转换(即使在高效率的情况下)必定会将一些功率作为热量消耗掉。当把几个DC-DC和LDO稳压器整合在单个组件中时,其组合功耗会相当大,轻易地就能接近2W或更高。典型的PMIC封装(例如:6mmx6mm40接脚、外露衬垫QFN)具有一个33°C/W的热阻,可导致接面温度升幅超过60°C。如果再加上宽广环境工作温度范围这个额外的难题,PMIC的最大结温常常会超过125°C。即使是在汽车车身电子装置中(不是引擎盖下),密封式塑料电子控制模块内部的环境温度亦可达到95°C。由于这些温度方面的难题,许多规格在85°C甚至125°C的PMIC都不足以在高温环境中持续运作。

在高环境温度场合中运作整合式电源管理组件的另一个关键点是:组件应能自行监视其芯片温度并在其接面温度变得过高时进行报告,这样系统控制器就能弹性地决定是否降低负载的供电功率。通过关断不太重要的功能电路或者调低处理器和其他高功率功能电路(例如:显示器和网络通讯)的运行性能,操作系统软件能够实现上述目标。

现今汽车仪表盘的内部塞满了形形色色的电子线路与组件。而从蓝芽到基于手机的网络连接等无线电装置的加入,则使这种状况雪上加霜。因此,假如要在这个散热条件严重受限的环境中装入任何新的组件,那么这些新组件就不能产生过多的热量或EMI,这一点是十分必要的。这里的电磁兼容性(EMC)要求十分严格,其涵盖了辐射和传导发射、辐射和传导抵抗力或敏感性、以及静电放电(ESD)。如欲拥有满足这些要求的能力,那么PMIC设计的性能方面将受到影响。其中有些影响是简单直接的,比如:DC-DC开关稳压器必须在远远超出AM无线电频段的某个固定频率上运作。然而,DC-DC转换器中的另一个常见的辐射发射源则来自于其内部功率MOSFET的开关边缘速率。必须对这些边缘速度进行控制以减少辐射发射。

目前许多嵌入式系统和先进处理器都需要在电源上电及施加至各种不同的电路时执行受控和精心设计的排序。提供系统弹性及简单的排序方法不仅可使系统设计更加容易,而且还能提高系统可靠性并允许由单个PMIC来应对更加广泛的系统,而不仅仅局限于满足某种特定处理器的要求。

总括而言,汽车信息娱乐系统设计人员所面临的主要难题包括:

  • 在功耗与高整合度(内建多个开关稳压器和线性稳压器)之间达到平衡
  • 先进的奈米技术处理器和FPGA所要求的准确输出电压调节和负载阶跃响应
  • 监视接面温度
  • 对于辐射及传导噪声的耐受力,并产生很低的辐射
  • 大的电压瞬变和极端温度
  • 管理启动和关机期间的电源排序
  • 尽量缩减解决方案的尺寸和接脚占位



一项简单的解决方案

历史上,很多PMIC都不具备用于处理这些新式系统和微处理器所需的功率。对于任何旨在满足上述汽车电源管理IC设计限制条件的解决方案来说,其必须同时具备高整合度(包括高电流开关稳压器和LDO)、宽广工作温度范围、电源排序、关键参数的动态I2C控制和“难以实现的”功能构件。此外,具有高开关频率的组件还可缩减外部组件的尺寸,而陶瓷电容则能降低输出涟波。这种低涟波与精准、快速响应稳压器相组合,可满足45nm型处理器严苛的电压容差。虽然输入电压通常取自经过预处理的5V或3.3V系统电源轨或电池电压,但此类电源IC还必须拥有适应严苛汽车环境的能力,包括辐射发射抑制。


高功率的电源管理解决方案

LTC3676/LTC3676-1是完整的电源管理解决方案,适合于Freescalei.MX6处理器、基于ARM的处理器和其他的先进可携式微处理器系统。LTC3676/LTC3676-1包含4个用于内核、内存、I/O和片上系统(SoC)电源轨的同步降压型DC/DC转换器(各能提供高达2.5A电流),以及3个用于低噪声模拟电源的300mA线性稳压器。LTC3676-1配置了一个用于电流供应/吸收和追踪操作的1.5A降压稳压器以支持DDR内存终端,并且还增设了一个用于DDR的VTTR基准输出。这两个接脚的特性取代了LTC3676的LDO4致能针脚和回授针脚。LDO4仍可利用I2C进行设置。支持多个稳压器的是一种高度可配置的电源排序能力、动态输出电压调节、一个按钮接口控制器、以及通过I2C接口实现的稳压器控制,并具有大量通过一个中断输出提供的状态和故障报告功能。LTC3736支援i.MX6、PXA和OMAP处理器,具有8个位于适当功率级的独立电源轨以及动态控制和排序功能。其他特点包括接口信号,例如:其位准同时在多达4个电源轨上的程序设计运行与待机输出电压之间变换的VSTB针脚。该组件采用扁平40接脚6mmx6mmx0.75mm外露衬垫QFN封装。

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图1:LTC3676-1的简化典型应用示意图。

应用处理器的LTC3676电源管理解决方案能够解决上述的汽车信息娱乐系统设计难题。LTC3676HUJPMIC可提供一种具有-40°C至+150°C额定接面温度的高温(H级)选项,能轻松满足汽车的高温工作要求。该IC包括一个专门用于接面温度监视的热警示标记和中断,而且还具有一种硬热关机功能,用于在功耗失控或发生严重故障的情况下提供可靠的硬件保护。

LTC3676PWM开关频率特别修整至2.25MHz,并具有一个1.7MHz至2.7MHz的保证范围。另外,其内部稳压器还可被设定为一种强制连续PWM操作模式,以防止在脉冲跳跃或突发模式中运作(即使在轻负载时也不例外)。这不仅保持了频率的固定,而且还可进一步降低DC-DC输出电容器上的电压涟波。

抑制辐射和传导发射

由于LTC3676内建了4个开关稳压器,因此它们各有一个相关的电抗组件(电感)需要予以关注。一种可行的解决方案是把LTC3676所在的区域进行屏蔽防止EMI辐射。除了昂贵和笨重之外,此方法还未能解决由任何有可能连接至电源区域的导线所造成的污染问题。更好的做法是采用辐射源抑制和天线消除。

辐射源抑制有必要采用合理的布局/组件选择(和内部IC设计)以避免产生射频能量。常常必需使用屏蔽式电感,并将这些电感布设在比输出电容器距离LTC3676更远的地方。这是因为AC电流沿着从LTC3676经由电感、输出电容到地并返回LTC3676的路线循环流动。由此也可以明显地看到,应使用宽广的布线(最好是区域填充)将输出电容的接地端连接至LTC3676的地端、以及PVIN输入去耦电容器的地端。

LTC3676还提供了几种用于辐射源抑制的方法。其DC-DC转换器特别内建了一种dv/dt控制功能,此功能用于减慢开关边缘速率以降低辐射发射。由于这些降压稳压器是同步型式,因而上升和下降时间均处于受控状态。选择了一个大约3ns上升/下降时间的缓慢边缘速率,以在通过辐射要求的同时依旧限制开关损耗,这有助于优化电源转换器效率。LTC3676中的全部4个降压开关稳压器均预设至该3ns边缘速率控制模式,不过也可以通过I2C单独设定至较快的1ns速率,以在不需要有限边缘速率和辐射控制的情况下改善效率。

除了开关时间控制之外,LTC3676还提供了一些其他的EMI抑制手段。降压稳压器的频率可在2.25MHz至1.12MHz的范围内改变。而且,为了最大限度地抑制输入涟波(该涟波最终会通过电源输入配线辐射),降压稳压器可在两个不同的相位频率之间交错运作。

此外,LTC3676还能提供超过10W的可观功率。这会导致相当大的循环电流,因此必须为该电流的循环提供一条不间断的通路。特别是接地平面中的缝隙,它会使大的循环电流围绕其而流动,从而形成缝隙天线。但是,例如换层等其他障碍物则会为EMI特征信号提供一些能量,故应尽量减少。理想的情况,是顶层和底层应全部(或大部分)为接地平面,信号层则设在内部。这常常是不切实际的,于是有些设计思路自然会专注于如何在布局开始之前连接接地平面。例如:把LTC3676置于PCB上的一角或凸耳(tab)就不是好主意。这将使得接地平面的正确布线变得非常困难。然而,先进行LTC3676的高循环电流区域之布线却是不错的主意,其可确保尽可能优化布局。

倘若能以辐射源抑制和天线消除原理为指导思想设计并执行EMI控制,就可以创建一个具有优良EMI性能的满功率系统,而不会增加产品成本或重量。


其他的特点

LTC3676完全符合2kVHBM和1000VCDM的汽车ESD要求,这是在汽车组装过程中趋近零缺陷的另一项关键性的要求。再者,该IC还具有非常低的待机电流消耗(通常为12μA),这一特性合乎汽车导航、防盗和安全系统的要求,此类系统必须保持对用于感知时间的实时时钟电路的连续供电,即使当引擎不处于运行状态时也是如此。

最后,LTC3676可支持简单和有效的电源排序,其可通过串行通讯或接脚搭接(按照期望的导通顺序将电源输出电压连接至致能针脚)来处理。在内部对每个致能动作进行了几μs的延迟,以进一步错开启动序列的时间。该特性由精准的低电压致能门坎提供支持,因此即使在输出电压低至0.43V的情况下也可以进行排序。另外,还对每个电源电压输出实施了软启动,以限制涌浪电流并实现干净的电压转换。见图2。

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图2:LTC3676的启动序列。

此外,LTC3676还具备可轻松设定的断电序列控制功能。该IC包括两个用于初始化一种断电序列配置的缓存器,下一个关断事件或过功率故障情况将遵循该配定。每个稳压器(DC-DC和LDO)都可被预先设定至用于关机的4个时隙之一。每个稳压器输出包括一个内部下拉电阻,在稳压器输出停用时连接该电阻以保证受控放电(如图3所示)以及下一个导通序列的低起点。

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图3:LTC3676的断电序列。

结论

今日的汽车相较于昔日取得了长足的进步。简单的AM/FM收音机已经让位给最新的技术,例如:卫星无线电、触摸屏、导航系统、蓝芽、HDTV、多功能手机、媒体播放器和视频游戏系统等。而且,通过取代分立式电源IC组件或过度整合的传统大型PMIC(即:具备音频、编解码器等),系统设计人员将能够采用新一代的精小型电源管理解决方案IC,此类IC整合了关键的电源管理功能,旨在以较小和较简单的解决方案来实现新的性能水平。高性能处理器通常具有一组独特的电源要求,包括多个高电流和低噪声电压轨、可程序设计排序和动态I2C调节。因此,重要的是选择合适的PMIC为其提供控制和供电。

凭借例如由凌力尔特提供对应应用处理器的8轨LTC3676/LTC3676-1电源管理解决方案等新产品,系统设计人员将能够在不断扩展的应用领域中充分利用来自Freescale、Marvell、Samsung和其他公司的新型处理器所拥有的全部节能和性能优势。LTC3676/LTC3676-1解决了许多与汽车信息娱乐系统设计相关的传统问题,从而提升了新式汽车的驾驶体验。

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