汽车信息娱乐系统设计借助多输出电源管理 IC 而简化

背景

随着产品外形的不断缩小，对于其功能和特性的要求持续提高。再者，用于为这些产品供电的精细数字 IC (例如：微处理器 [μP] 和微控制器 [μC] 或现场可编程门阵列 [FPGA]) 的业界发展趋势是：继续降低其工作电压，同时增加其电流量。微处理器是导入设计时最常用的此类 IC 之一，而且诸如 Freescale、Intel、NVIDIA、Samsung 和 ARM 等供应商推出了越来越多的高效率型产品。这些产品设计用于为众多的无线、嵌入式和网络应用提供低功耗和高性能处理。

这些处理器的初衷是：帮助 OEM 制造商开发出体积较小、成本效益性更佳并具有长电池使用寿命的便携手持式设备，同时提供更高的计算性能以运行功能丰富的多媒体应用程序。然而，这种对于高效率和高处理性能组合的需求已经扩展到了非便携式应用领域。相关的例子包括汽车信息娱乐系统和其他的嵌入式应用，它们均需要相似的效率和处理性能。在所有的场合中，都必需采用一种高度专用的高性能电源管理 IC (PMIC) 来正确地控制和监视微处理器的电源，以便获得此类处理器的所有性能优势。此外，随着汽车车载电子装备不断地大幅增加，作为车内各种控制系统之“主力”的微处理器的使用量也大为增多。信息娱乐系统囊括了大量旨在改善驾驶体验的功能。触摸屏、蓝牙通信、数字及高清晰度电视 (HDTV)、卫星无线电、CD/DVD/MP3 播放器、全球定位系统 (GPS) 导航和视频游戏系统已经在汽车内部营造了一个成熟完备的娱乐中心!

汽车 PMIC 挑战

面向汽车应用的电子系统设计颇具挑战性，究其原因是很多的，包括宽工作温度范围、严格的 EMC 和瞬态要求、以及汽车 OEM 制造商所要求的高质量水准。我们从宽工作温度范围开始讨论，电源管理 IC 面临着来自两个方面的挑战。首先，电源转换 (即使在高效率的情况下) 必定会将一些功率作为热量消耗掉。当把几个 DC-DC 和 LDO 稳压器集成在单个器件之中时，其组合功率耗散会相当大，轻而易举地就能接近 2W 或更高。典型的 PMIC 封装 (比如：6mm x 6mm 40 引脚、裸露衬垫 QFN) 具有一个 33°C/W 的热阻，可导致结温升幅超过 60°C。如果再加上宽环境工作温度范围这个额外的难题，PMIC 的最大结温常常会超过 125°C。即使是在汽车车身电子设备中 (不是引擎罩下)，密封式塑料电子控制模块内部的环境温度亦可达到 95°C。由于这些温度方面的难题，许多规格在 85°C 甚至 125°C 的 PMIC 都不足以在高温环境中持续运作。

在高环境温度场合中运作集成型电源管理器件的另一个关键点是：器件应能自行监视其芯片温度并在其结温变得过高时进行报告，这样系统控制器就能机智灵活地决定是否降低负载的供电功率。通过关断不太重要的功能电路或者调低处理器和其他高功率功能电路 (例如：显示器和网络通信) 的运行性能，操作系统软件能够实现上述目标。

现今汽车仪表盘的内部环境中挤满了形形色色的电子线路与组件。而从蓝牙到基于蜂窝电话的网络连接等无线电装置的加入则使这种状况雪上加霜。因此，假如要在这个散热条件严重受限的环境中装入任何新的组件，那么这些新组件就不能产生过多的热量或 EMI，这一点是十分必要。这里的电磁兼容性 (EMC) 要求十分严格，其涵盖了辐射和传导发射、辐射和传导抵抗力或敏感性、以及静电放电 (ESD)。如欲拥有满足这些要求的能力，那么 PMIC 设计的性能方面将受到影响。其中有些影响是简单直接的，比如：DC-DC 开关稳压器必须在远远超出 AM 无线电频段的某个固定频率上运作。然而，DC-DC 转换器中的另一个常见的辐射发射源则来自于其内部功率 MOSFET 的开关边缘速率。必须对这些边缘速度进行控制以减少辐射发射。当今的许多嵌入式系统和先进处理器都需要在电源上电及施加至各种不同的电路时执行受控和精心设计的排序。提供系统灵活性及简单的排序方法不仅可使系统设计更加容易，而且还能提高系统可靠性并允许由单个 PMIC 来应对更加广泛的系统，而不仅仅局限于满足某种特定处理器的要求。

概括起来，汽车信息娱乐系统设计人员所面临的主要难题包括：

l 在功率耗散与高集成度 (内置多个开关稳压器和线性稳压器) 之间实现平衡

l 先进的纳米技术处理器和 FPGA 所要求的准确输出电压调节和负载阶跃响应

l 监视结温

l 对于辐射及传导噪声的耐受力，并产生很低的辐射

l 大的电压瞬变和极端温度

l 管理启动和停机期间的电源排序

l 尽量缩减解决方案的尺寸和占板面积

一款简单的解决方案

历史上，很多 PMIC 都不具备用于处理这些新式系统和微处理器所需的功率。对于任何旨在满足上述汽车电源管理