灵活和可配置的多输出电源 IC 在汽车信息娱乐系统中可抑制噪声和承受电压偏移

背景信息

当今的汽车仪表盘常常充斥着众多的噪声源以及对温度敏感的信号源，例如：无线电装置、蓝牙和基于蜂窝电话的网络连接。因此，至关重要的是，这种环境中的所有电路 (包括电源) 不能产生过多热量或 EMI。此外，电池电压突然变化还有可能极大地干扰系统。然而，尽管存在这些挑战，汽车信息娱乐系统却日益流行，增长迅猛。现代技术进步，例如卫星无线电设备、触摸屏、导航系统、蓝牙、高清电视、集成的手机、媒体播放器和视频游戏系统，已经大大提升了驾驶体验。现在全世界每年生产超过 5,000 万辆汽车，大部分新车中都整合了某种类型的信息娱乐系统。

从电源角度来看，基本的信息娱乐控制台可能需要几个低压电源轨，总电流达到几安培，一个优质控制台甚至可能需要更多电压轨。传统上，这些电压轨和电流是由大量分立式电源稳压器 IC 提供，或者由非常大和过度集成的电源管理集成电路 (PMIC) 提供。不过，这类 PMIC 常常提供超出所需的电源轨或辅助功能，占板面积很大，某些电压轨常常供电不足。因此，需要一种多输出 IC，其解决方案占板面积较小，能提供若干可配置和适度供电的电压轨。

信息娱乐电源系统设计挑战

汽车应用的电子系统设计是颇具挑战性，原因有很多：空间十分有限，工作温度范围必须宽广，噪声必须尽量抑制，必须承受电池瞬变且质量水准必须很高。由于集成度必须很高以压缩占板面积，那么就需要电源效率非常高的组件。

在许多场合中都有着严格的电磁兼容性 (EMC) 要求，其涵盖了辐射发射和传导发射、抵抗辐射和传导或敏感性以及电子放电 (ESD)。对于潜在的多通道 IC 设计而言，符合所有这些要求将影响到很多方面的性能。有些满足起来简单明了，例如：要求 DC-DC 开关稳压器工作在一个位于 AM 无线电频段之外的固定频率。然而，其他的就更难应对了，比如：调整内部功率 FET 的摆率以最大限度地抑制由于 DC-DC 转换器的开关节点转换所引起的辐射发射。

随着开发工作的推进，“特征蠕动”(即产品规格的变更，例如：输入和输出电压及输出电流等参数) 会对 IC 及相关分立组件的选择产生严重的不良影响。在最好的情况下，当某项系统规格在电路板布局排定之后发生变更时，也许通过置换可调输出转换器上的几个电阻就能对某个电压进行微调。而在最糟糕的情况下，或许需要用引出脚不兼容的 IC 换掉多个现用的 IC，因为新的输出电流水平要求超过了这些现用 IC 的开关电流额定值。由于必需进行电路板的重新设计和布局，因此这将导致一系列的成本增加和进度延误。为此，需要采用一种高度专用的高性能可配置电源管理 IC 以正确地管理电源模块，从而确保系统的所有性能优势皆可实现，并为不可避免的电源模块系统变更提供灵活性。迄今为止，还没有哪种 IC 能够凭一己之力完成此项任务。

一种简单的解决方案

过去，很多既有多输出 PMIC 不具备应对这类新式系统所必需的灵活性。满足上述汽车电源管理 IC 设计限制的任何解决方案都必须兼有高集成度、很宽的工作温度范围以及高度灵活性，其中高集成度包括集成电流适中的降压型开关稳压器和低压功能。设计师所需要的是一个多通道、可配置 DC/DC 转换器，以仅用一个器件应对所有这些问题，而且该器件在提供高集成度和可配置性的同时，还满足多种应用需求。

灵活的八通道降压型稳压器

LTC3375 是一款高度集成的通用电源管理解决方案，适用于需要多个低压电源的系统。该器件具备 8 个独立的 1A 通道，提供 I2C 控制、灵活的排序和故障监视，采用紧凑的 QFN 封装。LTC3375 含有 8 个内部补偿、高效率同步降压型稳压器和一个始终保持接通的高压线性控制器。每个降压型稳压器都有自己独立的 2.25V 至 5.5V 输入电源，输出电压范围为 0.425V 至 VIN。该器件的按钮 ON/OFF/RESET 控制、电源接通复位和看门狗定时器提供灵活可靠的加电排序和系统监视。LTC3375 具备可编程和可同步 1MHz 至 3MHz 振荡器，缺省开关频率为 2MHz。所有 DC/DC 断开时，静态电流仅为 11µA，从而在始终保持接通系统中节省了功率。该器件适用于多种多通道应用，包括工业、汽车和通信系统。[!--empirenews.page--]

LTC3375 的 8 个降压型转换器可以单独使用，也可以并联连接，以用单个共享电感器实现每输出高达 4A 的较大输出电流。因为可以并联的相邻稳压器多达 4 个，所以可以有 15 种不同的输出配置。这些稳压器有两种工作模式：突发模式 (Burst Mode®) 工作 (加电缺省模式) 以在轻负载时提供较高效率;强制连续 PWM 模式以在轻负载时实现较低噪声。I2C 接口可用来选择工作模式、相位、反馈调节电压和开关转换率。这些降压型稳压器提供正向和反向电流限制、在启动时用软启动限制浪涌电流、提供短路保护以及转换率控制以实现较低的辐射 EMI。其他特点包括指示内部芯片温度的芯片温度监视器输出 (可通过 I2C 读取) 和芯片温度 (DT) 报警功能，当芯片温度达到其设定报警门限时，该功能向用户发出警报，因此允许系统采取纠正行动。LTC3375 采用耐热增强型扁平 (0.75mm) 48 引脚 7mm x 7mm 裸露焊盘 QFN 封装。LTC3375 还有高温 (H 级) 版本，其额定结温范围为 -40°C 至 +150°C，很容易满足汽车的高温运行要求。

图 1：LTC3375 4A/3A/1A 三输出配置简化方框图

抑制辐射和传导 EMI

LTC3375 PWM 开关频率专门用 400k RT 电阻器微调至 2MHz，具有保证的 1.8MHz 至 2.2MHz 范围。该 RT 电阻器可用来在 1MHz 至 3MHz 范围内设定任何工作频率。这些稳压器还可设定为强制连续 PWM 工作模式，即使在轻负载时也可防止以突发模式工作。这不仅保持了固定频率，而且还降低了 DC-DC 输出电容器上的电压纹波。此外，LTC3375 还可通过 SYNC 引脚以同步至一个 1MHz 至 3MHz 的外部时钟，以进一步降低系统噪声。

为了专门降低辐射的 EMI，LTC3375 还提供一种特殊功能，即允许用户降低开关边沿变化率。LTC3375 还为抑制电源噪声额外提供一些工具。降压型稳压器上开关的转换率可通过 I2C 调节。因为这些降压型稳压器是可同步的，所以下降和上升时间都可以延长。图 2 和图 3分别地显示了以全速和减速上升和下降的开关切换曲线。

图 2：以 2MHz 全速上升和下降的降压型稳压器开关切换曲线

图 3 是减速上升和下降的开关切换曲线：

图 3：以 2MHz 减速上升和下降的降压型稳压器开关切换曲线

抗极端电压偏移

汽车电子产品需要克服的另一个障碍是电池电压的剧烈变化，如冷车发动时低至大约 5V，或高压尖峰可能产生很高的电压。汽车电子产品不仅需要承受这些严酷的电压变化，而且需要连续工作。LTC3375 具备按钮控制器和外部通路 FET 稳压器，可用来启动外部高压降压型稳压器，然后该稳压器再以安全稳定的电压给 LTC3375 供电。参见图 4，了解该 IC 在高压瞬态时的稳定输出电压性能。

图 4：LTC3375 高压瞬态性能

结论

汽车仪表板上充满了噪声敏感源和温度敏感源，这使 IC 设计困难多了。电池电压的剧烈变化则带来了另一种挑战。尽管存在这些障碍，但是卫星无线电设备、触摸屏、导航系统、蓝牙、高清电视等汽车信息娱乐系统功能构件的技术进步仍然可提升了现代汽车的驾驶体验。通过使用凌力尔特非常便于配置的 LTC3375 单个多输出 8 通道降压型 IC 取代很多分立式电源 IC 组件或传统上非常大的、过度集成的 PMIC，系统设计师可以在系统中集成关键电源管理功能，用更小、更简单的解决方案提供全新性能水平，从而提升了现代汽车驾驶之体验。