背景
AM/FM收音機目前仍然受歡迎，不過，簡單車載收音機的日子已經一去不復返了，取而代之的是全新的汽車資訊娛樂系統。今日，您不再會像以往那樣在通勤的路上撥弄幾個按鈕和觀看類比螢幕來獲知資訊，人們可以不費吹灰之力地透過汽車資訊娛樂系統掌握大量的資訊，並盡情享受豐富多彩的娛樂方案。技術與產品的廣泛進步，例如：觸控式螢幕、數位音訊廣播 (DAB)、藍牙通訊、數位和高解析度電視 (HDTV)、衛星收音機、多功能手機、CD/DVD/MP3 播放器、全球定位系統 (GPS) 導航和視頻遊戲系統等，已經在汽車環境中營造了一個成熟的娛樂中心！
此類資訊娛樂系統的核心，是一個複雜的微處理器。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，此類仍在不斷發展壯大的微處理器專為給眾多無線、嵌入式和網路應用提供低功耗和高性能處理而設計。這些產品的設計目的，是使OEM廠商能夠開發出體積較小、更具成本效益並具有長電池使用壽命的可攜式掌上型設備，同時提供更強的處理性能，以執行多功能多媒體應用程式。近來，對這種高效率和處理性能組合的需求已擴展到了非可擕式應用領域。因此，汽車資訊娛樂系統及其他嵌入式應用也要求類似的效率和處理性能水準。然而在所有的場合中，為了正確地控制和監視微處理器的電源系統、並確保這些處理器的全部性能優勢均能得以實現，高度專用的高性能電源管理夥伴 IC 將是不可獲缺的。
汽車 PMIC 所面臨的挑戰
因應汽車應用的電子系統設計頗具挑戰性，其原因是很廣泛的，包括寬廣的工作溫度範圍、嚴格的 EMC 和暫態要求、以及汽車 OEM製造商所要求的高品質水準。我們從寬廣工作溫度範圍開始說起，電源管理 IC 面臨著來自兩個方面的挑戰。首先是功率轉換，即使在擁有高效率的情況下也必定要消耗一定的功率。當多個 DC-DC 和 LDO 穩壓器整合在單個元件中時，其組合功率耗散會相當高，往往超過 1W。諸如 6mm x 6mm 40 針腳 QFN 等典型 PMIC 封裝具有一個 40°C/W 的熱阻，因而導致接面溫度升幅超過 40°C。如果再把第二項挑戰 (即：寬廣工作環境溫度) 考慮進去，那麼 PMIC 的最大接面溫度常常超過 125°C。即使在車身電子中 (而並非引擎罩下)，密封塑膠電子控制模組內部的環境溫度也有可能達到 95°C。由於這些溫度方面的難題，許多針對 85°C 甚至 125°C 溫度條件擬訂額定指標的 PMIC 都不足以在高溫環境中持續操作。
如需在高環境溫度條件下運作一個整合式電源管理元件，則另一個關鍵之處是元件必需監視其自身的內部晶片溫度，並在結溫即將達到過高水準時發出報告，以便系統能夠就如何降低負載的供電功率做出機智彈性的決策。系統軟體可透過關斷不具關鍵性的功能電路或降低處理器和其他高功率功能電路 (例如：顯示器和網路通訊) 的運行性能來實現上述目標。
如今，汽車儀錶板之內塞滿了各式電子線路及零組件。而且，它還有可能被塞進了從藍牙到基於蜂巢式電話的網路連接等無線通訊功能電路。因此，假如要在這個散熱條件嚴重受限的環境中裝入新的元件，這些新元件就不能產生過大的熱量或 EMI，這一點很重要。這裡的電磁相容性 (EMC) 要求十分嚴格，涉及輻射和傳導發射、輻射和傳導抵抗力或敏感度、以及靜電放電 (ESD)。如欲擁有滿足所有這些要求的能力，那麼 PMIC 設計的諸多性能方面都將受到影響。其中有些影響是簡單直接的，比如：DC-DC切換穩壓器必須工作於一個遠遠超出 AM 無線電頻段的固定頻率。然而，DC-DC 轉換器中另一個常見的輻射發射源則來自於其內部功率 FET 的切換邊緣速率。
目前許多嵌入式系統和先進處理器都需要在電源啟動及施加至各種不同電路時執行受控和精心設計的排序。提供系統彈性和簡單的排序方法不單能簡化系統設計，還將確保系統可靠性並允許單個 PMIC 處理更多的系統，而不僅僅侷限於滿足某種特定的處理器要求。
概括起來，汽車資訊娛樂系統設計人員所面臨的主要難題包括：
l 在功率耗散與多個開關穩壓器和 LDO 的高整合度之間的權衡
l 監測接面溫度
l 輻射發射和傳導發射抵抗力
l 大電壓瞬變和極端溫度
l 管理電源排序
l 儘量縮減解決方案尺寸和接腳佔位
一項簡單的解決方案
歷史上許多現有的 PMIC 尚未擁有處理這些新式系統和微處理器的必要功率。對於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，其必須同時具備高整合度 (包括高電流切換穩壓器和 LDO)、寬廣工作溫度範圍、電源排序、關鍵參數的動態 I2C 控制和“難以實現” 的功能架構 (例如：升降壓穩壓器)。此外，具有高切換頻率的元件還可縮減外部元件的尺寸，而陶瓷電容則能降低輸出漣波。雖然輸入電壓通常取自經過預先調節的系統或電池電壓，但此類 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。
一款適合當今資訊娛樂系統的高功率 PMIC
LTC®3589-1 和 LTC3589-2 是完整的電源管理解決方案，適合基於 ARM 的處理器和先進的可攜式微處理器系統。這些元件包含三個用於內核、記憶體和 SoC 電源軌的同步降壓 DC/DC 轉換器、一個用於 I/O 的同步升降壓穩壓器、和三個用於低雜訊類比電源的 250mA LDO 穩壓器 (見圖 1)。一個 I2C 序列埠用於控制穩壓器使能、輸出電壓電平、動態電壓調節和轉換速率、操作模式及狀態報告。穩壓器啟動的排序操作透過按期望的次序將其輸出連接至致能接腳或透過 I2C 埠來完成。系統上電、斷電和重設功能受控於按鈕介面、接腳輸入或 I2C 介面。電壓監視器和被動放電電路可在下一個使能序列之前確保一個乾淨的斷電，另外，選定的穩壓器可以免除用於電源的按鈕控制 (例如，記憶體，當其必須在待機模式中保持運行時)。LTC3589 以 8 個獨立電源軌、恰當的功率值、以及動態控制和排序支援 i.MX、PXA 和 OMAP 處理器。其他特點包括諸如 VSTB接腳等提供的介面訊號，該接腳同時在多至 4 個電源軌上於設定的運行和備用輸出電壓之間切換。該元件採用扁平 40 接腳 6mm x 6mm 外露銲墊 QFN 封裝。
圖 1：LTC3589 簡化方框圖
LTC3589 能夠解決上述的汽車資訊娛樂系統設計難題。LTC3589HUJ PMIC 可提供具 -40°C 至 +150°C 額定接面溫度的高溫 (H 級) 元件選項，其可輕鬆滿足汽車的高溫工作要求。該 IC 包括一個專門用於接面溫度監測的熱警告標記和中斷輸出，同時還具有過熱關機保護功能，可在功率耗散處置不當或發生嚴重故障的情況下提供可靠的硬體保護。
LTC3589 PWM 開關頻率特別修整至 2.25MHz (其保證範圍介於 1.8MHz 和 2.6MHz 之間)。另外，也可以將穩壓器設定為強制連續 PWM 操作模式，以阻止執行脈衝跳略或Burst Mode®模式操作，即使在輕負載時也不例外。這不僅保持了頻率的固定，而且還降低了 DC-DC 輸出電容器上的電壓漣波。
抑制輻射和傳導發射
LTC3589 擁有一項特殊的功能，其允許用戶專門為了降低輻射而減緩開關邊緣速率。可透過選擇合適的邊緣速率以達到“既滿足輻射標準要求、又可儘量降低開關損耗”的目的，這有助於最佳化功率轉換器效率。LTC3589 中的 3 個降壓切換穩壓器均具備該邊緣速率控制功能。
此外，還有 4 個需要關注的內建於 IC 之切換穩壓器以及相關的電抗元件。一種可行的方法是把 LTC3589 所在的區域遮罩起來以防止 EMI 輻射。除了昂貴和笨重之外，此方法還未能解決由任何有可能連接至電源區域的導線所造成的污染問題。更好的做法是抑制輻射源和消除天線。
輻射源抑制透過採用合理的佈局/元件選擇以避免產生射頻能量。必需使用遮罩式電感，並將這些電感器佈設在比輸出電容距離 LTC3589更遠的地方。這是因為 AC 電流沿著 LTC3589 → 電感器 → 輸出電容器 → 接地 → 返回 LTC3589 的路線迴圈流動。由此也可以明顯地看到，應使用寬廣的佈線 (最好是區域填滿) 將輸出電容的地端連接至 LTC3589 的接地端、以及 PVIN 輸入去耦電容器的地端。
LTC3589 還提供了幾種用於輻射源抑制的方法。降壓穩壓器上的切換轉換速率可透過 I2C 在 1ns 至 8ns 之間調節。由於這些降壓穩壓器是同步型的，因而上升和下降時間均處於受控狀態。圖 2 示出了上升和下降時間為 1ns 時的開關操作曲線圖。
圖 2：降壓穩壓器開關操作 (具 1ns 上升和下降時間)
圖 3 為具有 8ns 上升和下降時間的開關操作曲線圖。由圖可見，當轉換時間為 8ns 時，轉換操作時的振鈴大幅減小了。
圖 3：降壓穩壓器開關操作 (具 8ns 上升和下降時間)
除了切換時間控制之外，LTC3589 還提供了一些其他的 EMI 抑制方法。降壓穩壓器的頻率可在 2.25MHz 至 1.125MHz 的範圍內改變。而且，為了最大限度地抑制輸入漣波 (該漣波最終會透過電源輸入配線輻射)，降壓穩壓器可在兩個不同的相位時脈之間交錯運作。
LTC3589 能提供超過 10W 的可觀功率。這會導致相當大的迴圈電流，因此必須為該電流的迴圈提供一條不間斷的通路。特別是接地平面中的縫隙，它會使大的迴圈電流圍繞其而流動，從而產生縫隙天線。但是，諸如換層等其他障礙物會給 EMI 特徵訊號提供一些能量，故應儘量減少。理想情況是，頂層和底層應全部 (或大部分) 為接地平面，訊號層則設在內部。這常常是不切實際的，於是有些設計思路自然會專注於怎樣在佈局開始之前連接接地平面。例如：把 LTC3589 置於 PCB 上的一角或凸處就不是好主意。這將使得接地平面的正確佈線變得非常困難。而且，先進行 LTC3589 的高迴圈電流區域的佈線是合適的做法，可確保盡可能優越的佈局。
倘若能以輻射源抑制和天線消除原理以計畫和執行 EMI 控制，就可以創建一個具有優良 EMI 性能的滿功率系統，而不會增加產品成本或重量。
其他的重要特點
LTC3589 完全符合 4kV HBM、200V MM 和 1.5kV CDM 的汽車 ESD 要求，這是在汽車組裝過程中趨近零缺陷的另一項關鍵性的要求。此外，該 IC 還具有非常低的待機電流消耗 (通常為 9μA)，這一特性合乎汽車導航、防盜和安全系統的要求，此類系統必須保持對用於感知時間的即時時鐘電路的連續供電。
最後，LTC3589 可支援簡單和有效的電源排序，其可透過串列通訊或接腳搭接 (按照期望的順序將電源輸出電壓連接至使能引腳) 來處理。在內部對每個使能動作進行了 200μs 的延遲，以進一步錯開啟動序列的時間。該特性由精准的低電壓使能門限提供支援，因此排序可以在電源電壓低至 0.55V 的情況下進行。另外，還針對每個電源電壓輸出實施了軟起動，以限制湧浪電流並實現乾淨的電壓轉換。每個穩壓器輸出包括一個內部下拉電阻，該電阻在穩壓器輸出停用時進入工作狀態，以保證受控放電以及下一個接通序列的低起點。見圖 4。
結論
與早期的車輛相比，如今的汽車已經有了長足的進展。最新的技術成果已超越了簡單的 AM/FM 收音機，例如：衛星收音機、觸控式螢幕、導航系統、藍牙、HDTV、多功能手機、媒體播放器和視頻遊戲系統等。而且，透過取代分立式電源 IC 元件或過度整合的傳統大型 PMIC (即：帶有音訊、轉碼器等)，系統設計人員將能夠採用新一代的精小 PMIC，此類 PMIC 整合了關鍵的電源管理功能，旨在以較小和較簡單的解決方案來實現新的性能水準。高性能的行動處理器通常具有獨特的電源要求，包括多個大電流和低雜訊電壓軌、可程式設計排序和動態 I2C 調節。這些高端處理器最初是為掌上型應用而開發的，但如今正被部署於非可攜式和嵌入式系統 (比如：汽車資訊娛樂系統) 中。
憑藉諸如由凌力爾特提供的 LTC3589-1 和LTC3589-2 PMIC 等新產品，系統設計者將能夠在不斷擴大的應用領域中充分利用來自 Freescale、Marvell、Samsung 和其他公司的新型處理器所擁有的全部節能和性能優勢。LTC3589 解決了許多與汽車資訊娛樂系統設計相關的傳統問題，從而改善了新式汽車的駕乘體驗。我們深信這是早期汽車駕駛朋友們希望在自己的座車中擁有而未能如願的!
(作者:凌力爾特電源產品部資深產品行銷工程師Steve Knoth/ 資深應用工程師George Barbehenn/設計中心經理Jeff Marvin )
