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現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步，例如衛(wèi)星廣播、觸摸屏、導(dǎo)航系統(tǒng)、藍(lán)牙、高清電視、集成式手機(jī)、媒體播放器和視頻游戲系統(tǒng)，都提升了駕駛體驗(yàn)。全球每年生產(chǎn)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(tǒng)。從電源角度來看，基本的信息娛樂控制臺(tái)可能需要幾個(gè)低壓電源軌，總電流達(dá)到幾安培，而一流的控制臺(tái)可能需要更多電源軌。傳統(tǒng)上，這些電壓軌和電流由很多分立式電源穩(wěn)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(duì)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(yīng)在開發(fā)過程中可能出現(xiàn)的電源要求的變化，就會(huì)有更大的優(yōu)勢(shì)。由于創(chuàng)新性電路設(shè)計(jì)，這類IC現(xiàn)在已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)了。 信息娛樂系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) 汽車應(yīng)用的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)富有挑戰(zhàn)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(tài)，質(zhì)量必須很高。既然集成度必須很高，那么就需要高效節(jié)能的組件。汽車儀表板上有各種電子系統(tǒng)，相當(dāng)擁擠，再加上很高的環(huán)境工作溫度，所以溫度監(jiān)視成了關(guān)鍵要求，尤其是涉及電源管理組件的工作溫度時(shí)。如果能向系統(tǒng)控制器報(bào)警，通知控制器發(fā)生了過熱情況，就可以通過軟件關(guān)閉少量電路功能，或者降低處理器性能以及顯示器、網(wǎng)絡(luò)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(lán)牙、GPS和基于手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接。因此，至關(guān)重要的是，這個(gè)環(huán)境中的所有電路(包括電源)都不能產(chǎn)生過多的熱量或EMI。在很多情況下，都有嚴(yán)格的電磁兼容性(EMC)要求，其中涵蓋了輻射與傳導(dǎo)噪聲、抗輻射與傳導(dǎo)性或輻射與傳導(dǎo)敏感性以及靜電放電(ESD)。在一個(gè)可能的PMIC設(shè)計(jì)中，要符合所有這些要求，就會(huì)牽涉很多性能問題。有些要求是簡(jiǎn)單易懂的，例如要求DC/DC開關(guān)穩(wěn)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(diào)節(jié)內(nèi)部功率FET的轉(zhuǎn)換率，以最大限度地降低DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換引起的輻射噪聲。 此外，今天很多嵌入式系統(tǒng)和先進(jìn)的處理器在電源啟動(dòng)和加到各種不同的電路上時(shí)，都要求受控和精心設(shè)計(jì)的排序。排序方法要簡(jiǎn)單并能為系統(tǒng)提供靈活性，這樣才能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更容易，而且能確保系統(tǒng)可靠性，并允許單個(gè)PMIC滿足更多的系統(tǒng)要求，而不僅是特定處理器的要求。 “功能蔓延”指的是即產(chǎn)品規(guī)格(例如：輸入和輸出電壓以及輸出電流等)隨著開發(fā)周期的推進(jìn)而發(fā)生的變化，這會(huì)嚴(yán)重破壞IC及相關(guān)分立組件的選擇。當(dāng)電路板布局確定后，要改變系統(tǒng)的性能規(guī)格時(shí)，在最好的情況下，也許通過更換可調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器上的幾個(gè)電阻器，就可以微調(diào)電壓了。在最壞情況下，因?yàn)樾碌妮敵鲭娏饕蟪^了已采用IC的開關(guān)電流額定值，也許需要用管腳引出線不兼容的IC替換幾個(gè)IC。由于電路板的重新設(shè)計(jì)和重新布局，這將大量導(dǎo)致成本增加及時(shí)間延遲。因此需要高度專業(yè)化、高性能、可配置的電源管理IC，以恰當(dāng)管理電源系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的所有性能優(yōu)勢(shì)都得以實(shí)現(xiàn)，并為不可避免的電源系統(tǒng)更改提供靈活性。直到現(xiàn)在為止，還沒有單個(gè)IC能完成這種任務(wù)。 總之，汽車信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的主要IC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括以下各項(xiàng)： ● 在項(xiàng)目開發(fā)階段更改設(shè)計(jì)要求(電壓和電流值) ● 很多系統(tǒng)需要大量 一種簡(jiǎn)單的解決方案 過去，多種多輸出PMIC不具備應(yīng)對(duì)這類新式系統(tǒng)的靈活性。上面概述了要滿足汽車電源管理IC設(shè)計(jì)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(guān)穩(wěn)壓器；有很寬的工作溫度范圍；有很高的靈活性。設(shè)計(jì)師所需要的是多通道、可配置DC/DC轉(zhuǎn)換器以應(yīng)對(duì)所有這些問題，采用單個(gè)器件提供高集成度和可配置性，同時(shí)滿足大量應(yīng)用需求。 靈活的8通道降壓型穩(wěn)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(gè)低壓電源的系統(tǒng)（簡(jiǎn)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(gè)獨(dú)立的1A通道，具備I2C控制、靈活的排序和故障監(jiān)視。LTC3375含有8個(gè)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)母咝释浇祲盒头�(wěn)壓器和一個(gè)高壓、始終保持接通的線性控制器。每個(gè)降壓型穩(wěn)壓器都有自己獨(dú)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(fù)位和看門狗定時(shí)器提供靈活和可靠的上電排序及系統(tǒng)監(jiān)視。LTC3375具有一個(gè)可編程、可同步的1MHz至3MHz振蕩器，缺省開關(guān)頻率為2MHz。所有DC/DC斷開時(shí)，靜態(tài)電流僅為11μA，從而降低了始終保持接通系統(tǒng)的功率。該器件非常適用于多種多通道應(yīng)用，包括工業(yè)、汽車和通信系統(tǒng)。 LTC3375的8個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器可獨(dú)立使用或并聯(lián)連接，以用單個(gè)共享電感器實(shí)現(xiàn)更大和每輸出高達(dá)4A的輸出電流。因?yàn)槎噙_(dá)4個(gè)相鄰穩(wěn)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(wěn)壓器的FB引腳連接到輸入電源，相鄰降壓型穩(wěn)壓器能以主-從式配置相結(jié)合。所有這些開關(guān)穩(wěn)壓器都是內(nèi)部補(bǔ)償?shù)模瑑H需要外部反饋電阻器來設(shè)定輸出電壓。此外，輸出電壓可以通過I2C調(diào)節(jié)。這些開關(guān)穩(wěn)壓器提供兩種工作模式：以突發(fā)模式(Burst Mode)工作(上電缺省模式)時(shí)可在輕負(fù)載實(shí)現(xiàn)更高效率；而強(qiáng)制連續(xù)PWM模式可使輕負(fù)載時(shí)的噪聲更低。I2C接口可用來選擇工作模式、相位關(guān)系、反饋調(diào)節(jié)電壓和開關(guān)轉(zhuǎn)換率。這些降壓型穩(wěn)壓器提供正向和反向電流限制、啟動(dòng)時(shí)限制浪涌電流的軟啟動(dòng)、短路保護(hù)以及實(shí)現(xiàn)更低輻射EMI的轉(zhuǎn)換率控制。其他特點(diǎn)包括芯片溫度監(jiān)視輸出(通過I2C可讀)，該輸出指示內(nèi)部芯片溫度；芯片溫度(DT)報(bào)警功能，當(dāng)芯片溫度達(dá)到設(shè)定的警報(bào)門限時(shí)，提醒用戶，從而使系統(tǒng)能采取糾正行動(dòng)。LTC3375采用耐熱增強(qiáng)型、扁平(0.75mm)48引腳7mmx7mm裸露焊盤QFN封裝。LTC3375還有高溫(H級(jí))版本可選，結(jié)溫額定值為-40°C至+150°C，非常容易滿足高溫汽車工作環(huán)境的要求。 圖1：簡(jiǎn)化的LTC3375三輸出4A/3A/1A方框圖 安全與可靠性也是關(guān)鍵 LTC3375含有系統(tǒng)看門狗電路，可在微處理器損壞的情況下，用來啟動(dòng)自動(dòng)的系統(tǒng)復(fù)位。看門狗電路監(jiān)視微處理器的活動(dòng)。微處理器需要至少每1.5秒改變一次看門狗定時(shí)器輸入(WDI)的邏輯狀態(tài)，以給看門狗定時(shí)器清零，并防止看門狗定時(shí)器輸出(WDO)引腳發(fā)出超時(shí)信號(hào)。 看門狗定時(shí)器在上電復(fù)位后立即開始運(yùn)行，并將保持運(yùn)行，直至在WDI輸入上檢測(cè)到轉(zhuǎn)換為止。在這期間，WDO將處于高阻抗(Hi-Z)狀態(tài)。一旦看門狗定時(shí)器超時(shí)，WDO就被拉低，并啟動(dòng)復(fù)位定時(shí)器。如果在復(fù)位定時(shí)器超時(shí)期間，沒有接收到WDI轉(zhuǎn)換信號(hào)，那么200ms之后，WDO就再次變成Hi-Z狀態(tài)，1.5秒看門狗復(fù)位定時(shí)將再次開始。如果在看門狗超時(shí)期間，WDI輸入接收到了轉(zhuǎn)換信號(hào)，那么WDO就在WDI轉(zhuǎn)換后立即變成Hi-Z狀態(tài)，1.5秒看門狗復(fù)位定時(shí)將從這一點(diǎn)開始。 拉低WDO可用來強(qiáng)制起控制作用的微處理器復(fù)位。這種復(fù)位能以幾種方式實(shí)現(xiàn)。如果在故障情況下，想給整個(gè)系統(tǒng)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(dòng)硬復(fù)位(Hard Reset)。在200ms之后，如果在WDI上沒有檢測(cè)到轉(zhuǎn)換，那么WDO就釋放KILL，并允許給系統(tǒng)再次加電。在這種情況下，需要提到的一點(diǎn)是，定時(shí)電容器(CT引腳)的大小必須為：以低于1.5s(看門狗超時(shí)時(shí)間)減去硬復(fù)位時(shí)間(對(duì)于0.01μF的CT電容器而言是1s)所得之差為準(zhǔn)，在這個(gè)時(shí)間之內(nèi)，系統(tǒng)能上電，并確定WDI轉(zhuǎn)換。如果不想這么急劇地進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，那么可以用WDO引腳拉低等待復(fù)位的任何電源之EN引腳。在這種情況下，EN引腳將被強(qiáng)制為低，并持續(xù)200ms，之后將釋放EN引腳，如果需要，可以驅(qū)動(dòng)EN引腳為高。需要提到的重要一點(diǎn)是，EN引腳不用低阻抗輸出驅(qū)動(dòng)。 抑制輻射和傳導(dǎo)噪聲 LTC3375的PWM開關(guān)頻率用400k RT電阻器在保證的1.8MHz至2.2MHz范圍內(nèi)準(zhǔn)確微調(diào)至2MHz。RT電阻器可用來在1MHz至3MHz范圍內(nèi)設(shè)定任何工作頻率。這些穩(wěn)壓器還可設(shè)定為強(qiáng)制連續(xù)PWM工作模式，甚至在輕負(fù)載時(shí)，防止以突發(fā)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(gè)1MHz至3MHz的外部時(shí)鐘同步，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲。 LTC3375有一個(gè)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(chǎn)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?yàn)锳C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(guān)的VIN輸入去藕電容器的地。 LTC3375還提供一些附加方法以進(jìn)行源頭抑制。降壓型轉(zhuǎn)換器的開關(guān)轉(zhuǎn)換率可以通過I2C調(diào)節(jié)。因?yàn)榻祲盒娃D(zhuǎn)換器是同步的，所以下降和上升時(shí)間可以同時(shí)延長(zhǎng)。圖2和圖3分別顯示了以全速和低速上升和下降的開關(guān)曲線。 圖2：降壓型轉(zhuǎn)換器在2MHz全速上升和下降的開關(guān)曲線 圖3：降壓型轉(zhuǎn)換器在2MHz低速上升和下降的開關(guān)曲線 線性穩(wěn)壓器控制器 線性控制器可以靠12V電池運(yùn)行，這時(shí)可提供相對(duì)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(tǒng)中為任何“始終保持接通”的電路供電，同時(shí)LTC3375在斷電狀態(tài)時(shí)，僅消耗11μA電流。在這個(gè)例子中，LTC3375無需單獨(dú)的低功率電源來保持系統(tǒng)存儲(chǔ)器工作。參見圖4以了解詳細(xì)信息。 圖4：用線性控制器給Vcc供電的典型應(yīng)用電路 抵抗極端電壓擺幅 汽車電子系統(tǒng)的另一個(gè)障礙是電池電壓的急劇變化，在冷車發(fā)動(dòng)時(shí)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(tǒng)不僅需要承受這些嚴(yán)酷的電壓變化而不被損壞，而且同時(shí)需要繼續(xù)保持工作。LTC3375有按鈕控制器和外部通路FET穩(wěn)壓器，該控制器和穩(wěn)壓器可用來啟動(dòng)外部高壓降壓型穩(wěn)壓器，然后該外部穩(wěn)壓器以安全的穩(wěn)定電壓給LTC3375供電。參見圖5以了解有關(guān)該IC在高壓瞬態(tài)時(shí)，穩(wěn)定輸出電壓性能的詳細(xì)信息。 圖5：LTC3375高壓瞬態(tài)性能 如果外部降壓型穩(wěn)壓器脫離穩(wěn)定狀態(tài)，外部通路FET穩(wěn)壓器還可用來在冷車發(fā)動(dòng)工作情況下保持微處理器有效。外部使能引腳使降壓型穩(wěn)壓器能從外部啟動(dòng)，也可以通過I2C啟動(dòng)，或者兩者結(jié)合。當(dāng)輸入電壓低于欠壓閉鎖(UVLO)門限，或者輸出電壓不在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，微處理器可通過可編程中斷(IRQ)和復(fù)位(RST)引腳接收?qǐng)?bào)警信號(hào)，參見圖6以了解詳細(xì)信息。 圖6：用上游高壓降壓型轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)LTC3375 結(jié)論 通過用單個(gè)多輸出8通道降壓型IC取代分立式電源IC組件或傳統(tǒng)上大型和過度集成的PMIC，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以集成關(guān)鍵電源管理功能，并用更小和更簡(jiǎn)單的解決方案實(shí)現(xiàn)全新的性能。LTC3375是這類新一代多輸出轉(zhuǎn)換器IC的一個(gè)好例子。該器件是數(shù)字可編程的高效率多輸出電源IC，包含8個(gè)同步降壓型轉(zhuǎn)換器(每個(gè)的IOUT高達(dá)1A)，所有轉(zhuǎn)換器都由獨(dú)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(dá)15種不同的輸出電流配置，這種靈活性允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)師減輕系統(tǒng)“功能蔓延”的影響。因此，該IC解決了很多傳統(tǒng)上存在并與汽車信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的問題，從而提升了現(xiàn)代汽車的駕駛體驗(yàn)。 |
