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克服汽车信息娱乐系统设计难题现在变得容易了

作者:SteveKnoth,GeorgeBarbehenn,JeffMarvin时间:2012-09-05来源:电子产品世界

  背景

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/136465.htm

  在美国,AM/FM 收音机仍然非常受欢迎;不过,简单车载收音机日子已经一去不复返了,取而代之的是全新的汽车信息娱乐系统。您不再会像以往那样在通勤的路上拨弄几个旋钮和观看模拟显示屏来获知信息。如今,我们可以不费吹灰之力地通过汽车信息娱乐系统掌握大量的信息并尽情享受丰富多彩的娱乐项目。技术与产品的广泛进步,例如:触摸屏、数字音频广播 (DAB)、蓝牙通信、数字和高清晰度电视 (HDTV)、卫星收音机、集成型蜂窝电话、CD/DVD/MP3 播放器、全球定位系统 (GPS) 导航和视频游戏系统等,已经在汽车之中营造了一个成熟的娱乐中心!

  此类信息娱乐系统的核心是一个复杂的微处理器。飞思卡尔 (Freescale)、英特尔 (Intel)、ARM 和其他公司提供了大量的高效率微处理器,此类仍在不断发展壮大的微处理器专为给众多无线、嵌入式和网络应用提供低功耗和高性能处理而设计。这些产品的初衷是使原始设备制造商 (OEM) 能够开发出体积较小、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,同时提供增强型处理性能以运行多功能多媒体应用程序。近来,对这种高效率和处理性能组合的需求已扩展到了非便携式应用领域。因此,汽车信息娱乐系统及其他嵌入式应用也要求类似的效率和处理性能水平。然而在所有的场合中,为了正确地控制和监视微处理器的电源系统、并确保这些处理器的全部性能优势均能得以实现,高度专用的高性能电源管理伙伴 IC 将是必不可少的。

  汽车 所面临的挑战

  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说起,电源管理 IC 面临着来自两个方面的挑战。首先是功率转换,即使在拥有高效率的情况下也必定要消耗一定量的功率。当多个 和 LDO 稳压器集成在单个器件中时,其组合功率耗散会相当大,轻易就能超过 1W。诸如 6mm x 6mm 40 引脚 QFN 等典型 封装具有一个 40°C/W 的热阻,因而导致结温升幅超过 40°C。如果再把第二项挑战 (即:宽工作环境温度) 考虑进去,那么 的最大结温常常超过 125°C。即使在车身电子中 (而并非引擎罩下),密封塑料电子控制模块内部的环境温度也有可能达到 95°C。由于这些温度方面的难题,许多针对 85°C 甚至 125°C 温度条件拟订额定指标的 PMIC 都不足以在高温环境中持续操作。

  如需在高环境温度条件下运作一个集成型电源管理器件,则另一个关键之处是器件必需监视其自身的内部芯片温度,并在结温即将达到过高水平时发出报告,以便系统能够就如何降低负载的供电功率做出机智灵活的决策。系统软件可通过关断不太关键的功能电路或降低处理器和其他高功率功能电路 (例如:显示器和网络通信) 的运行性能来实现上述目标。

  如今,在汽车仪表板的内部挤满了形形色色的电子线路与零组件。而且,它还有可能被塞进了从蓝牙到基于蜂窝电话的网络连接等无线通信功能电路。因此,假如要在这个散热条件严重受限的环境中装入新的组件,这些新组件就不能产生过大的热量或 EMI,这一点很重要。这里的电磁兼容性 (EMC) 要求十分严格,涉及辐射和传导发射、辐射和传导抵抗力或敏感度、以及静电放电 (ESD)。如欲拥有满足所有这些要求的能力,那么 PMIC 设计的诸多性能方面都将受到影响。其中有些影响是简单直接的,比如: 开关稳压器必须工作于一个远远超出 AM 无线电频段的固定频率。然而, 转换器中另一个常见的辐射发射源则来自于其内部功率 FET 的开关边缘速率。

  当今的许多嵌入式系统和先进处理器都需要在电源起动及施加至各种不同电路时执行受控和精心设计的排序。提供系统灵活性和简单的排序方法不单能简化系统设计,还将确保系统可靠性并允许单个 PMIC 处理更多的系统,而不仅仅局限于满足某种特定的处理器要求。

  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:

  • 在功率耗散与多个开关稳压器和 LDO 的高集成度之间的权衡
  • 监测结温
  • 辐射发射和传导发射抵抗力
  • 大的电压瞬变和极端温度
  • 管理电源排序
  • 尽量缩减解决方案尺寸和占板面积

  一款简单的解决方案

  历史上,许多现有的 PMIC 尚未拥有处理这些新式系统和微处理器的必要功率。对于任何旨在满足上述汽车电源管理 IC 设计限制条件的解决方案来说,其必须同时具备高集成度 (包括高电流开关稳压器和 LDO)、宽工作温度范围、电源排序、关键参数的动态 I2C 控制和“难以实现” 的功能构件 (例如:降压-升压型稳压器)。此外,具有高开关频率的器件还可缩减外部组件的尺寸,而陶瓷电容器则能降低输出纹波。虽然输入电压通常取自经过预先调节的系统或电池电压,但此类 IC 还必须拥有适应严苛汽车环境的能力,包括辐射发射抑制。

  一款适合当今信息娱乐系统的高功率 PMIC

  LTC®3589-1 和 -2 是完整的电源管理解决方案,适合基于 ARM 的处理器和先进的便携式微处理器系统。这些器件包含三个用于内核、存储器和 SoC 电源轨的同步降压型 DC/DC 转换器、一个用于 I/O 的同步降压-升压型稳压器、和三个用于低噪声模拟电源的 250mA LDO 稳压器 (见图 1)。一个 I2C 串行端口用于控制稳压器使能、输出电压电平、动态电压调节和转换速率、操作模式及状态报告。稳压器启动的排序操作通过按期望的次序将其输出连接至使能引脚或通过 I2C 端口来完成。系统上电、断电和复位功能受控于按钮接口、引脚输入或 I2C 接口。电压监视器和有源放电电路可在下一个使能序列之前确保一个干净的断电,另外,选定的稳压器可以免除用于电源的按钮控制 (例如,存储器,当其必须在待机模式中保持运行时)。 以 8 个独立电源轨、恰当的功率值、以及动态控制和排序支持 i.MX、PXA 和 OMAP 处理器。其他特点包括诸如 VSTB 引脚等提供的接口信号,该引脚同时在多至 4 个电源轨上于设定的运行和备用输出电压之间切换。该器件采用扁平 40 引脚 6mm x 6mm 裸露衬垫 QFN 封装。  


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