工程師不可或缺的先進(jìn)電源管理IC

　　雖然駕駛室內(nèi)的汽車數(shù)據(jù)和顯示奪人眼球，但幕后的電源管理對(duì)實(shí)現(xiàn)可靠、高效運(yùn)作卻至關(guān)重要。

　　現(xiàn)今的汽車設(shè)計(jì)中有一項(xiàng)很有諷刺意味的事情：能源效率越來(lái)越高，但其承載的電氣要求卻越來(lái)越多。這些要求包括了從一系列安全相關(guān)功能到車內(nèi)舒適性、連通性和娛樂(lè)功能的方方面面，例如基本的AM/FM收音機(jī)、衛(wèi)星無(wú)線電、多媒體系統(tǒng)接口、GPS、蜂窩支持、Bluetooth®、互聯(lián)網(wǎng)/Wi-Fi®等等。

　　圖1. 光鮮的汽車中控臺(tái)幕后是復(fù)雜的電路和系統(tǒng)互連，所有這些都要求穩(wěn)固的直流電源以及先進(jìn)電源管理的支撐。

　　其中許多電子子系統(tǒng)都位于所謂的“無(wú)線音響單元”中（圖1）。無(wú)線音響單元是用戶中控臺(tái)和儀表板的核心部分，其中包含了各種顯示、信號(hào)連接功能、用戶界面和內(nèi)部電子部件，或者是這些部件的連接集合點(diǎn)（圖2）。這個(gè)儀表艙位可能集成了多達(dá)8到10個(gè)主要子系統(tǒng)。所以，這是提供多個(gè)直流電源以及處理散熱的關(guān)鍵位置。

　　圖2. 汽車中控臺(tái)背后的車載無(wú)線音響單元支持的大量復(fù)雜功能。

　　無(wú)線音響單元電源挑戰(zhàn)

　　與許多復(fù)雜的子系統(tǒng)一樣，無(wú)線音響單元設(shè)計(jì)必須平衡相互沖突的電源要求和限制。一方面，需要為處理器、存儲(chǔ)器、顯示屏等提供電流大小不一、非常穩(wěn)定的電壓。這些DC-DC調(diào)節(jié)器必須具有較高效率，將電源子系統(tǒng)引起的溫升降至最低，包括調(diào)節(jié)器本身及其支持的電子器件。其中許多調(diào)節(jié)器在提供維持關(guān)鍵電路工作（無(wú)鑰匙進(jìn)入、時(shí)鐘、報(bào)警，以及部分存儲(chǔ)器功能）所需的幾個(gè)毫安電流時(shí)，也必須具有較高效率。當(dāng)汽車表面上“關(guān)閉”幾天甚至幾周時(shí)，這尤其關(guān)鍵，使汽車電池設(shè)計(jì)不會(huì)放電至低于下次啟動(dòng)所需的電量。

　　除這些基本的挑戰(zhàn)之外，還有汽車的電氣和熱環(huán)境。盡管在原理上汽車是由電池供電的，具有穩(wěn)定、純凈的直流源，但現(xiàn)實(shí)完全不同。汽車的基本直流電源噪聲較高，在啟動(dòng)（冷啟動(dòng)）時(shí)具有較大、突然的壓降，會(huì)使電壓下降至標(biāo)稱值的一半。在極端情況下，負(fù)載突然斷開(kāi)時(shí)，電壓軌會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖（稱為“拋負(fù)載”），造成高達(dá)42V的瞬態(tài)（圖3）。

　　圖3. 標(biāo)稱12VDC電池電源實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜并且一定程度上有害的電源，如以上電壓與時(shí)間特性圖所示，其中：a）拋負(fù)載浪涌；b）：冷啟動(dòng)電壓。

　　因此，通常由標(biāo)準(zhǔn)鉛酸電池提供、容限較小的標(biāo)稱12.6VDC電源實(shí)際上具有較寬的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)擺幅，使調(diào)節(jié)功能的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。所以，設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)電路必須能夠承受這些瞬態(tài)效應(yīng)，即使發(fā)生這種情況時(shí)也能正常工作。

　　在惡劣的汽車環(huán)境下，還有另外一項(xiàng)考慮事項(xiàng)：電磁干擾（EMI）。車內(nèi)的RF電噪聲非常多，其中部分來(lái)自于內(nèi)部，部分則來(lái)自于外部環(huán)境；必須嚴(yán)格要求包括電源子系統(tǒng)的所有電子功能所產(chǎn)生的最大EM （幅值和頻譜），以及對(duì)周圍EMI的抗干擾性要求。

　　除了眾所周知的汽車基本電源問(wèn)題之外，還有一個(gè)新問(wèn)題： 越來(lái)越多的汽油引擎汽車采用“啟停模式”，以降低油耗。在停車標(biāo)示以及等紅燈或類似情況時(shí)，關(guān)閉引擎；然后當(dāng)駕駛員踩下油門(mén)踏板時(shí)，在幾分之一秒內(nèi)重新啟動(dòng)引擎，將空轉(zhuǎn)油耗降至最低。然而，汽車每次停止后再重新啟動(dòng)，重復(fù)性地對(duì)電氣系統(tǒng)造成拋負(fù)載和瞬態(tài)；而在走走停停的交通環(huán)境下，這種現(xiàn)象非常頻繁。

　　如果這些情況不足以擔(dān)心的話，那么所有這些電子問(wèn)題所帶來(lái)的是一項(xiàng)非電氣但卻與之密切相關(guān)的嚴(yán)重問(wèn)題：音響單元的熱環(huán)境；在外部溫度高達(dá)+85°C （185°F）以及內(nèi)部溫度高達(dá)+105°C （220°F）的環(huán)境下，必須正常工作。存在兩方面的問(wèn)題：調(diào)節(jié)器發(fā)熱對(duì)音響單元的總體熱負(fù)載產(chǎn)生影響（對(duì)單元內(nèi)的其它電路不利），同時(shí)調(diào)節(jié)器本身又必須在高溫下正常工作。

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)7月《汽車電子特刊》Change The World欄目，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！
　　

　　解決問(wèn)題的幾種途徑

　　設(shè)計(jì)者必須通過(guò)多種方法來(lái)提供不同的電源，音響單元必須使集中在這里地部件正常工作。最直接的方式是采用多個(gè)汽車兼容線性和開(kāi)關(guān)式DC-DC調(diào)節(jié)器，每種直流電源一個(gè)。

　　盡管這種方法可行，但選擇適合每個(gè)電壓的線性或開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器IC需要技巧，確保其滿足要求，然后將全套調(diào)節(jié)器封裝在音響單元的電路板空間范圍之內(nèi)。根據(jù)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器使用的頻率，可能存在嚴(yán)重的EMI及混頻（外差）干擾，產(chǎn)生不可知的性能問(wèn)題。

　　較好的方法是采用高度集成的電源管理IC （PMIC），例如Maxim MAX16993或MAX16930，這些IC提供多個(gè)直流電源，專門(mén)針對(duì)汽車環(huán)境而設(shè)計(jì)。

　　· MAX16993 （圖4）是一款多路DC-DC調(diào)節(jié)器，以單片、小型封裝提供三路輸出。器件包括一路直接從汽車電池供電的高壓降壓控制器（OUT1），以及從OUT1級(jí)聯(lián)輸出的兩路低壓降壓控制器（OUT2/OUT3），每路可提供高達(dá)3A輸出電流并帶有集成FET。低壓輸出范圍為0.8V至3.95V，可以是固定電壓輸出或通過(guò)電阻分壓器調(diào)節(jié)輸出電壓。

　　圖4. Maxim MAX16993 DC-DC降壓電源控制器提供一路高壓輸出和兩路低壓輸出，針對(duì)汽車環(huán)境特別優(yōu)化性能和功能。

　　• MAX16930 （圖5）也提供三路輸出：兩路直接從汽車電池供電的高壓降壓控制器，以及前端的預(yù)升壓控制器，以確保系統(tǒng)在冷啟動(dòng)事件期間正常工作。這些輸出可在1V至10V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。當(dāng)汽車電池下降至用戶選定的電平以下時(shí)，使能預(yù)升壓控制器，能夠保證系統(tǒng)在低至2V的電池電壓下正常工作。

　　圖5. MAX16930也提供三路輸出，包括用于一個(gè)調(diào)節(jié)器的預(yù)升壓，以確保系統(tǒng)在冷啟動(dòng)事件期間正常工作，此時(shí)電源電壓可能下降至低至2V。

　　這些IC的高壓輸入控制器可直接由高達(dá)36V的電池電壓直接供電，可承受高達(dá)42V的拋負(fù)載瞬態(tài)?？蛰d條件下，MAX16930的靜態(tài)電流僅為20μA，MAX16993僅為30μA，使其非常適合“休眠”汽車模式。兩個(gè)高壓控制器設(shè)計(jì)采用2MHz開(kāi)關(guān)頻率，以避免AM波段EMI問(wèn)題，將外部元件尺寸降至最小。如果需要，開(kāi)關(guān)頻率可設(shè)置為低至200kHz。

　　為解決關(guān)鍵的EMI問(wèn)題，MAX16930和MAX16993均提供用戶可選的擴(kuò)譜功能，大幅改善峰值EMI。器件通過(guò)在較寬頻帶中分散雜散能量，同時(shí)將整個(gè)頻帶中的幅值降低。此外，這些器件的設(shè)計(jì)特意減慢了開(kāi)關(guān)頻率的上升/下降速率，大幅減小產(chǎn)生的EMI，雖然效率略有降低。強(qiáng)制的EMI要求比效率要求更難以滿足，所以這種平衡實(shí)現(xiàn)了兩種相互沖突要求之間的可接受折中。

　　為滿足用戶的電路板安裝需求，器件提供兩種封裝：TQFN-EP和側(cè)面防潮的QFNDEP封裝。MAX16930封裝尺寸為6mm × 6mm，MAX16993封裝尺寸為5mm × 5mm。器件具有過(guò)熱和短路保護(hù)，工作在-40°C至+125°C溫度范圍。得益于具有低靜態(tài)電流（IQ）的高壓、高頻半導(dǎo)體工藝，Maxim采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)和改良拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)以上總體性能。

　　相對(duì)于利用分立式調(diào)節(jié)器IC堆積而成的“零碎”方案，這些IC具有優(yōu)異的性價(jià)比。這些IC將設(shè)計(jì)者的困難降至最低，使其能夠滿足電子無(wú)線音響單元中汽車電源面臨的困難并且越來(lái)越嚴(yán)格的效率、可靠性及EMI要求（另一種所謂的負(fù)載點(diǎn)（PoL）方法看起來(lái)好像是一種可行的方案，但其總體性能及系統(tǒng)可靠性方面存在嚴(yán)重缺陷）。高度集成器件有效地解決了問(wèn)題，同時(shí)最大程度降低設(shè)計(jì)困難和折中妥協(xié)。

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