工程師不可或缺的先進電源管理IC

　　雖然駕駛室內的汽車數(shù)據(jù)和顯示奪人眼球，但幕后的電源管理對實現(xiàn)可靠、高效運作卻至關重要。

　　現(xiàn)今的汽車設計中有一項很有諷刺意味的事情：能源效率越來越高，但其承載的電氣要求卻越來越多。這些要求包括了從一系列安全相關功能到車內舒適性、連通性和娛樂功能的方方面面，例如基本的AM/FM收音機、衛(wèi)星無線電、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. 光鮮的汽車中控臺幕后是復雜的電路和系統(tǒng)互連，所有這些都要求穩(wěn)固的直流電源以及先進電源管理的支撐。

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

　　圖2. 汽車中控臺背后的車載無線音響單元支持的大量復雜功能。

　　無線音響單元電源挑戰(zhàn)

　　與許多復雜的子系統(tǒng)一樣，無線音響單元設計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，包括調節(jié)器本身及其支持的電子器件。其中許多調節(jié)器在提供維持關鍵電路工作（無鑰匙進入、時鐘、報警，以及部分存儲器功能）所需的幾個毫安電流時，也必須具有較高效率。當汽車表面上“關閉”幾天甚至幾周時，這尤其關鍵，使汽車電池設計不會放電至低于下次啟動所需的電量。

　　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)實完全不同。汽車的基本直流電源噪聲較高，在啟動（冷啟動）時具有較大、突然的壓降，會使電壓下降至標稱值的一半。在極端情況下，負載突然斷開時，電壓軌會產(chǎn)生尖峰脈沖（稱為“拋負載”），造成高達42V的瞬態(tài)（圖3）。

　　圖3. 標稱12VDC電池電源實際上是一個復雜并且一定程度上有害的電源，如以上電壓與時間特性圖所示，其中：a）拋負載浪涌；b）：冷啟動電壓。

　　因此，通常由標準鉛酸電池提供、容限較小的標稱12.6VDC電源實際上具有較寬的靜態(tài)和動態(tài)擺幅，使調節(jié)功能的設計變得更加復雜。所以，設計的調節(jié)電路必須能夠承受這些瞬態(tài)效應，即使發(fā)生這種情況時也能正常工作。

　　在惡劣的汽車環(huán)境下，還有另外一項考慮事項：電磁干擾（EMI）。車內的RF電噪聲非常多，其中部分來自于內部，部分則來自于外部環(huán)境；必須嚴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），以及對周圍EMI的抗干擾性要求。

　　除了眾所周知的汽車基本電源問題之外，還有一個新問題： 越來越多的汽油引擎汽車采用“啟停模式”，以降低油耗。在停車標示以及等紅燈或類似情況時，關閉引擎；然后當駕駛員踩下油門踏板時，在幾分之一秒內重新啟動引擎，將空轉油耗降至最低。然而，汽車每次停止后再重新啟動，重復性地對電氣系統(tǒng)造成拋負載和瞬態(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心的話，那么所有這些電子問題所帶來的是一項非電氣但卻與之密切相關的嚴重問題：音響單元的熱環(huán)境；在外部溫度高達+85°C （185°F）以及內部溫度高達+105°C （220°F）的環(huán)境下，必須正常工作。存在兩方面的問題：調節(jié)器發(fā)熱對音響單元的總體熱負載產(chǎn)生影響（對單元內的其它電路不利），同時調節(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，轉載請注明出處！
　　

　　解決問題的幾種途徑

　　設計者必須通過多種方法來提供不同的電源，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汽車兼容線性和開關式DC-DC調節(jié)器，每種直流電源一個。

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

　　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提供多個直流電源，專門針對汽車環(huán)境而設計。

　　· MAX16993 （圖4）是一款多路DC-DC調節(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級聯(lián)輸出的兩路低壓降壓控制器（OUT2/OUT3），每路可提供高達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電阻分壓器調節(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，以及前端的預升壓控制器，以確保系統(tǒng)在冷啟動事件期間正常工作。這些輸出可在1V至10V范圍內調節(jié)。當汽車電池下降至用戶選定的電平以下時，使能預升壓控制器，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，包括用于一個調節(jié)器的預升壓，以確保系統(tǒng)在冷啟動事件期間正常工作，此時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36V的電池電壓直接供電，可承受高達42V的拋負載瞬態(tài)。空載條件下，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。兩個高壓控制器設計采用2MHz開關頻率，以避免AM波段EMI問題，將外部元件尺寸降至最小。如果需要，開關頻率可設置為低至200kHz。

　　為解決關鍵的EMI問題，MAX16930和MAX16993均提供用戶可選的擴譜功能，大幅改善峰值EMI。器件通過在較寬頻帶中分散雜散能量，同時將整個頻帶中的幅值降低。此外，這些器件的設計特意減慢了開關頻率的上升/下降速率，大幅減小產(chǎn)生的EMI，雖然效率略有降低。強制的EMI要求比效率要求更難以滿足，所以這種平衡實現(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。器件具有過熱和短路保護，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、高頻半導體工藝，Maxim采用創(chuàng)新設計和改良拓撲，實現(xiàn)以上總體性能。

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

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