【導(dǎo)讀】面向汽車(chē)應(yīng)用的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性，原因很多，其中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)。就寬工作溫度范國(guó)而言，電源管理IC面臨著來(lái)自兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)這兩大挑戰(zhàn)，帶來(lái)一款高功率電源管理解決方案。
產(chǎn)品的外形不斷縮小，因而對(duì)功能和特性的要求持續(xù)提高。與此同時(shí)，用于為這些產(chǎn)品供電的精細(xì)數(shù)字IC（例如：微處理器[μP]和微控制器[μC]或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列[FPGA] ）的業(yè)界發(fā)展趨勢(shì)是：繼續(xù)降低其工作電壓，同時(shí)增加其電流量。微處理器是導(dǎo)入設(shè)計(jì)時(shí)最常用的此類(lèi)IC之一，而且諸如Freescale、Intel、NIVIDIA、Samsung和ARM等供應(yīng)商推出了越來(lái)越多的高效率型產(chǎn)品。這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)用于為眾多的無(wú)線、嵌入式和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供低功耗和高性能處理。
這此處理器的最初目的是幫助OEM制造商開(kāi)發(fā)出體積較小、成本效益性更加、電池使用壽命長(zhǎng)的便攜手持式設(shè)備，同時(shí)，提供更高的計(jì)算性能以運(yùn)行功能豐富的多媒體應(yīng)用程序。然而，這種對(duì)于高效率和高處理性能組合的需求已經(jīng)擴(kuò)展到了非便攜式應(yīng)用領(lǐng)域。相關(guān)的例子包括汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)和其他的嵌入式應(yīng)用。它們均需要相似的效率和處理性能。
在所有的場(chǎng)合中，都必需采用一種高度專(zhuān)用的高性能電源管理IC（PMIC）來(lái)正確地控制和監(jiān)視微處理器的電源，以便獲得此類(lèi)處理器的所有性能優(yōu)勢(shì)。此外，隨著汽車(chē)車(chē)載電子裝備小斷地大幅增加，作為車(chē)內(nèi)各種控制系統(tǒng)之“主力”的微處理器的使用量也大為增多。信息娛樂(lè)系統(tǒng)囊括了大量旨在改善駕駛體驗(yàn)的功能。觸摸屏、藍(lán)牙通信、數(shù)字及高清晰度電視（HDTV）、衛(wèi)星無(wú)線電、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)已經(jīng)在汽車(chē)內(nèi)部營(yíng)造了一個(gè)成熟完備的娛樂(lè)中心！
汽車(chē)PMIC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，原因很多，其中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)。就寬工作溫度范國(guó)而言，電源管理IC面臨著來(lái)自兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)。首先，電源轉(zhuǎn)換（即使在高效率的情況下）必定會(huì)將一些功率作為熱量消耗掉。
當(dāng)把幾個(gè)DC-DC和LDO穩(wěn)壓器集成在一單個(gè)器件之中時(shí)，其組合功率耗散會(huì)相當(dāng)大，輕而易舉地就能接近2W或更高。典型的PMIC封裝（比如：6mm x 6mm 40引腳、裸露襯墊QFN）具有一個(gè)33℃/W的熱阻，可導(dǎo)致結(jié)溫升幅超過(guò)60℃。如果再加上寬環(huán)境工作溫度范圍這個(gè)額外的難題，PMIC的最大結(jié)溫常常會(huì)超過(guò)125℃，即使是在汽車(chē)車(chē)身電子沒(méi)備中（不是引擎罩下），密封式塑料電子控制模塊內(nèi)部的環(huán)境溫度亦可達(dá)到95℃。由于這些溫度方面的難題、許多規(guī)格在85℃甚至125℃的PMIC都不足以在高溫環(huán)境中持續(xù)運(yùn)作。
集成型電源管理器件在高環(huán)境溫度場(chǎng)合工作的另一個(gè)關(guān)健點(diǎn)是：器件應(yīng)能自行監(jiān)視其芯片溫度并在其結(jié)溫變得過(guò)高時(shí)進(jìn)行報(bào)告，這樣系統(tǒng)控制器就能機(jī)智靈活地決定是否降低負(fù)載的供電功率。通過(guò)關(guān)斷不太重要的功能電路或者調(diào)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，操作系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)?，F(xiàn)今汽車(chē)儀表盤(pán)的內(nèi)部環(huán)境中擠滿了各種類(lèi)型的電子線路與組件。向從藍(lán)牙到基于蜂窩電話的網(wǎng)絡(luò)連接等無(wú)線電裝置的加入則使這種狀況雪上加霜。因此，假如要在這個(gè)散熱條件嚴(yán)重受限的環(huán)境中裝入任何新的組件，那么這些新組件就不能產(chǎn)生過(guò)多的熱量或EMI，這一點(diǎn)是十分必要。
這里的電磁兼容性（EMC）要求十分嚴(yán)格，其涵蓋了輻射和傳導(dǎo)發(fā)射、輻射和傳導(dǎo)抵抗力或敏感性、以及靜電放電（ESD）。如欲擁有滿足這些要求的能力，那么PMIC設(shè)計(jì)的性能方面將受到影響。其中有些影響是簡(jiǎn)單直接的，比如：DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器必須在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出AM無(wú)線電頻段的某個(gè)固定頻率上運(yùn)作。然而，DC-DC轉(zhuǎn)換器中的另一個(gè)常見(jiàn)的輻射發(fā)射源則來(lái)自于其內(nèi)部功率MOSFET的開(kāi)關(guān)邊緣速率。必須對(duì)這些邊緣速度進(jìn)行控制以減少輻射發(fā)射。
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上電及施加至各種不同的電路時(shí)執(zhí)行受控和精心設(shè)計(jì)的排序。提供系統(tǒng)靈活性及簡(jiǎn)單的排序方法不僅可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加容易，而且還能提高系統(tǒng)可靠性并允許由單個(gè)PMIC來(lái)應(yīng)對(duì)更加廣泛的系統(tǒng)，而不僅僅局限于滿足某種特定處理器的要求。
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：
1、在功率耗散與高集成度（內(nèi)置多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器）
之間實(shí)現(xiàn)平衡
2、先進(jìn)的納米技術(shù)理器和FPGA所要求的準(zhǔn)
確輸出電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載階躍響應(yīng)
3、監(jiān)視結(jié)溫
4、對(duì)于輻射及傳導(dǎo)噪聲的耐受力，并產(chǎn)生很低
的輻射
5、電壓瞬變大和極端的工作溫度
6、管理啟動(dòng)和停機(jī)期間的電源排序
7、盡量縮減解決方案的尺寸和占板面積
一款簡(jiǎn)單的解決方案
歷史上，很多PMIC都不具備用于處理這些新式系統(tǒng)和微處理器所需的功率。對(duì)于任何旨在滿足上述汽車(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。此外，具有高開(kāi)關(guān)頻率的器件還可以縮減外部組件的尺寸，而淘瓷電容器則能降低輸出紋波。這種低紋波與準(zhǔn)確、快速響應(yīng)穩(wěn)壓器相組合，可滿足45nm型處理器苛刻的電壓容差。雖然輸入電壓通常取自經(jīng)過(guò)頂先調(diào)節(jié)的5V或3.3V系統(tǒng)電源軌或電池電壓，但此類(lèi)電源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。
一款高功率的電源管理解決方案
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與昔日的座駕相比，如今的汽車(chē)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。簡(jiǎn)單的AM/FM收音機(jī)已經(jīng)讓位給最新的技術(shù)，例如：衛(wèi)星無(wú)線電、觸摸屏、導(dǎo)航系統(tǒng)、藍(lán)牙、HDTV、集成型蜂窩電話、媒體播放器和視頻游戲系統(tǒng)等。而且，通過(guò)取代分立型電源IC組件或過(guò)度集成的傳統(tǒng)大型PMIC（即帶有音頻、編解碼器等），系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將能夠采用新一代的緊湊型電源管理解決方案IC，此類(lèi)IC集成了關(guān)鍵的電源管理功能，旨在以較小和較簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)新的性能水平。高性能處理器通常具有一組獨(dú)特的電源要求，包括多個(gè)高電流和低噪聲電壓軌、可編程排序和動(dòng)態(tài)I2C調(diào)節(jié)。因此，重要的是選擇合適的PMIC為其提供控制和供電。
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