克服汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題現(xiàn)在變得容易了

　　背景

　　在美國(guó)，AM/FM 收音機(jī)仍然非常受歡迎;不過(guò)，簡(jiǎn)單車(chē)載收音機(jī)日子已經(jīng)一去不復(fù)返了，取而代之的是全新的汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)。您不再會(huì)像以往那樣在通勤的路上撥弄幾個(gè)旋鈕和觀看模擬顯示屏來(lái)獲知信息。如今，我們可以不費(fèi)吹灰之力地通過(guò)汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)掌握大量的信息并盡情享受豐富多彩的娛樂(lè)項(xiàng)目。技術(shù)與產(chǎn)品的廣泛進(jìn)步，例如：觸摸屏、數(shù)字音頻廣播 (DAB)、藍(lán)牙通信、數(shù)字和高清晰度電視 (HDTV)、衛(wèi)星收音機(jī)、集成型蜂窩電話、CD/DVD/MP3 播放器、全球定位系統(tǒng) (GPS) 導(dǎo)航和視頻游戲系統(tǒng)等，已經(jīng)在汽車(chē)之中營(yíng)造了一個(gè)成熟的娛樂(lè)中心!

　　此類(lèi)信息娛樂(lè)系統(tǒng)的核心是一個(gè)復(fù)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(lèi)仍在不斷發(fā)展壯大的微處理器專(zhuān)為給眾多無(wú)線、嵌入式和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供低功耗和高性能處理而設(shè)計(jì)。這些產(chǎn)品的初衷是使原始設(shè)備制造商 (OEM) 能夠開(kāi)發(fā)出體積較小、成本效益性更佳并具有長(zhǎng)電池使用壽命的便攜手持式設(shè)備，同時(shí)提供增強(qiáng)型處理性能以運(yùn)行多功能多媒體應(yīng)用程序。近來(lái)，對(duì)這種高效率和處理性能組合的需求已擴(kuò)展到了非便攜式應(yīng)用領(lǐng)域。因此，汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)及其他嵌入式應(yīng)用也要求類(lèi)似的效率和處理性能水平。然而在所有的場(chǎng)合中，為了正確地控制和監(jiān)視微處理器的電源系統(tǒng)、并確保這些處理器的全部性能優(yōu)勢(shì)均能得以實(shí)現(xiàn)，高度專(zhuān)用的高性能電源管理伙伴 IC 將是必不可少的。

　　汽車(chē) PMIC 所面臨的挑戰(zhàn)

　　面向汽車(chē)應(yīng)用的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性，究其原因是很多的，包括寬工作溫度范圍、嚴(yán)格的 EMC 和瞬態(tài)要求、以及汽車(chē) OEM制造商所要求的高質(zhì)量水準(zhǔn)。我們從寬工作溫度范圍開(kāi)始說(shuō)起，電源管理 IC 面臨著來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面的挑戰(zhàn)。首先是功率轉(zhuǎn)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(dāng)多個(gè) DC-DC 和 LDO 穩(wěn)壓器集成在單個(gè)器件中時(shí)，其組合功率耗散會(huì)相當(dāng)大，輕易就能超過(guò) 1W。諸如 6mm x 6mm 40 引腳 QFN 等典型 PMIC 封裝具有一個(gè) 40°C/W 的熱阻，因而導(dǎo)致結(jié)溫升幅超過(guò) 40°C。如果再把第二項(xiàng)挑戰(zhàn) (即：寬工作環(huán)境溫度) 考慮進(jìn)去，那么 PMIC 的最大結(jié)溫常常超過(guò) 125°C。即使在車(chē)身電子中 (而并非引擎罩下)，密封塑料電子控制模塊內(nèi)部的環(huán)境溫度也有可能達(dá)到 95°C。由于這些溫度方面的難題，許多針對(duì) 85°C 甚至 125°C 溫度條件擬訂額定指標(biāo)的 PMIC 都不足以在高溫環(huán)境中持續(xù)操作。

　　如需在高環(huán)境溫度條件下運(yùn)作一個(gè)集成型電源管理器件，則另一個(gè)關(guān)鍵之處是器件必需監(jiān)視其自身的內(nèi)部芯片溫度，并在結(jié)溫即將達(dá)到過(guò)高水平時(shí)發(fā)出報(bào)告，以便系統(tǒng)能夠就如何降低負(fù)載的供電功率做出機(jī)智靈活的決策。系統(tǒng)軟件可通過(guò)關(guān)斷不太關(guān)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(wǎng)絡(luò)通信) 的運(yùn)行性能來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

　　如今，在汽車(chē)儀表板的內(nèi)部擠滿(mǎn)了形形色色的電子線路與零組件。而且，它還有可能被塞進(jìn)了從藍(lán)牙到基于蜂窩電話的網(wǎng)絡(luò)連接等無(wú)線通信功能電路。因此，假如要在這個(gè)散熱條件嚴(yán)重受限的環(huán)境中裝入新的組件，這些新組件就不能產(chǎn)生過(guò)大的熱量或 EMI，這一點(diǎn)很重要。這里的電磁兼容性 (EMC) 要求十分嚴(yán)格，涉及輻射和傳導(dǎo)發(fā)射、輻射和傳導(dǎo)抵抗力或敏感度、以及靜電放電 (ESD)。如欲擁有滿(mǎn)足所有這些要求的能力，那么 PMIC 設(shè)計(jì)的諸多性能方面都將受到影響。其中有些影響是簡(jiǎn)單直接的，比如：DC-DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器必須工作于一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 AM 無(wú)線電頻段的固定頻率。然而，DC-DC 轉(zhuǎn)換器中另一個(gè)常見(jiàn)的輻射發(fā)射源則來(lái)自于其內(nèi)部功率 FET 的開(kāi)關(guān)邊緣速率。

　　當(dāng)今的許多嵌入式系統(tǒng)和先進(jìn)處理器都需要在電源起動(dòng)及施加至各種不同電路時(shí)執(zhí)行受控和精心設(shè)計(jì)的排序。提供系統(tǒng)靈活性和簡(jiǎn)單的排序方法不單能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還將確保系統(tǒng)可靠性并允許單個(gè) PMIC 處理更多的系統(tǒng)，而不僅僅局限于滿(mǎn)足某種特定的處理器要求。

　　概括起來(lái)，汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的主要難題包括：

• 在功率耗散與多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO 的高集成度之間的權(quán)衡
• 監(jiān)測(cè)結(jié)溫
• 輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)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(jiǎn)單的解決方案

　　歷史上，許多現(xiàn)有的 PMIC 尚未擁有處理這些新式系統(tǒng)和微處理器的必要功率。對(duì)于任何旨在滿(mǎn)足上述汽車(chē)電源管理 IC 設(shè)計(jì)限制條件的解決方案來(lái)說(shuō)，其必須同時(shí)具備高集成度 (包括高電流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO)、寬工作溫度范圍、電源排序、關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài) I²C 控制和“難以實(shí)現(xiàn)” 的功能構(gòu)件 (例如：降壓-升壓型穩(wěn)壓器)。此外，具有高開(kāi)關(guān)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(jīng)過(guò)預(yù)先調(diào)節(jié)的系統(tǒng)或電池電壓，但此類(lèi) IC 還必須擁有適應(yīng)嚴(yán)苛汽車(chē)環(huán)境的能力，包括輻射發(fā)射抑制。

　　一款適合當(dāng)今信息娛樂(lè)系統(tǒng)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(jìn)的便攜式微處理器系統(tǒng)。這些器件包含三個(gè)用于內(nèi)核、存儲(chǔ)器和 SoC 電源軌的同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、一個(gè)用于 I/O 的同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器、和三個(gè)用于低噪聲模擬電源的 250mA LDO 穩(wěn)壓器 (見(jiàn)圖 1)。一個(gè) I²C 串行端口用于控制穩(wěn)壓器使能、輸出電壓電平、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換速率、操作模式及狀態(tài)報(bào)告。穩(wěn)壓器啟動(dòng)的排序操作通過(guò)按期望的次序?qū)⑵漭敵鲞B接至使能引腳或通過(guò) I2C 端口來(lái)完成。系統(tǒng)上電、斷電和復(fù)位功能受控于按鈕接口、引腳輸入或 I2C 接口。電壓監(jiān)視器和有源放電電路可在下一個(gè)使能序列之前確保一個(gè)干凈的斷電，另外，選定的穩(wěn)壓器可以免除用于電源的按鈕控制 (例如，存儲(chǔ)器，當(dāng)其必須在待機(jī)模式中保持運(yùn)行時(shí))。LTC3589 以 8 個(gè)獨(dú)立電源軌、恰當(dāng)?shù)墓β手?、以及?dòng)態(tài)控制和排序支持 i.MX、PXA 和 OMAP 處理器。其他特點(diǎn)包括諸如 VSTB 引腳等提供的接口信號(hào)，該引腳同時(shí)在多至 4 個(gè)電源軌上于設(shè)定的運(yùn)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。