惡劣環(huán)境驅(qū)動(dòng)對(duì)復(fù)雜電源管理IC的需求

兩個(gè)集成穩(wěn)壓器針對(duì)無(wú)線電主機(jī)的汽車設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。它們提供卓越的電壓、溫度和 EMI 性能。MAX16993提供16930路高壓和<>路低壓輸出;MAX<>提供兩路高壓輸出，由預(yù)升壓支持。

介紹

雖然車內(nèi)汽車數(shù)據(jù)和顯示備受關(guān)注，但幕后電源管理對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠、有效的運(yùn)行至關(guān)重要。

要點(diǎn)：

控制臺(tái)和儀表盤中的汽車“無(wú)線電主機(jī)”是一個(gè)越來(lái)越擁擠的地方，支持許多電子功能。

提供各種所需的直流電源軌是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都采用復(fù)雜、多樣化的穩(wěn)壓器組合。

確保這些穩(wěn)壓器滿足電氣、熱和EMI性能（電壓負(fù)載突降和瞬變、寬溫工作和低噪聲產(chǎn)生）的嚴(yán)格要求是一項(xiàng)重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

Maxim提供兩款針對(duì)汽車設(shè)計(jì)優(yōu)化的集成穩(wěn)壓器，具有優(yōu)異的電壓、溫度和EMI性能：MAX16993，提供16930路高壓和<>路低壓輸出;MAX<>提供兩路高壓輸出，由預(yù)升壓穩(wěn)壓器支持。

在當(dāng)今汽車的設(shè)計(jì)中有很多諷刺元素。它們的能源效率越來(lái)越高，但它們也對(duì)它們提出了更多的電力需求。這些需求范圍從一系列安全相關(guān)功能到眾多車內(nèi)便利性、連接性和娛樂(lè)功能，例如基本的 AM/FM 收音機(jī)、衛(wèi)星收音機(jī)、多媒體系統(tǒng)接口、GPS、蜂窩支持、藍(lán)牙、互聯(lián)網(wǎng)/Wi-Fi 等等。

許多這些電子子系統(tǒng)的位置被稱為“無(wú)線電主機(jī)”。它是用戶控制臺(tái)和儀表盤的中心部分，各種顯示器、信號(hào)路由功能、用戶界面和內(nèi)部電子設(shè)備實(shí)際位于其中或其路徑匯合（圖 2）。這個(gè)隔間中可以裝滿多達(dá) 10 到 <> 個(gè)主要子系統(tǒng)。因此，它是提供多個(gè)直流電源軌和處理散熱的關(guān)鍵位置。

圖2.此框圖給出了控制臺(tái)后面的自動(dòng)無(wú)線電主機(jī)支持的復(fù)雜功能數(shù)量的一般指示。

主機(jī)電源挑戰(zhàn)

與許多復(fù)雜的子系統(tǒng)一樣，主機(jī)設(shè)計(jì)必須平衡相互沖突的功率需求和約束。一方面，需要在各種電流下為處理器、存儲(chǔ)器、顯示器等提供良好的調(diào)節(jié)電壓。這些 DC-DC 穩(wěn)壓器必須高效，以最大限度地減少由于電源子系統(tǒng)引起的相關(guān)溫升，這既是為了穩(wěn)壓器本身，也是為了它們支持的電子設(shè)備。當(dāng)提供保持關(guān)鍵電路（無(wú)鑰匙進(jìn)入、時(shí)鐘、警報(bào)和一些存儲(chǔ)功能）所需的幾毫安時(shí)，這些穩(wěn)壓器中的許多也必須高效。當(dāng)汽車名義上“關(guān)閉”數(shù)天甚至數(shù)周時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要，因此汽車電池不會(huì)放電到下次啟動(dòng)所需的容量以下。

除了這些基本挑戰(zhàn)之外，汽車的電氣和熱環(huán)境也增加了這些挑戰(zhàn)。盡管原則上，車輛由電池供電，因此具有穩(wěn)定且安靜的直流電源，但實(shí)際情況卻大不相同。汽車的基本直流導(dǎo)軌是嘈雜的，啟動(dòng)汽車時(shí)會(huì)突然大幅下降（冷啟動(dòng)），這可能會(huì)使軌道下降到其標(biāo)稱值的一半。在另一個(gè)極端，當(dāng)負(fù)載突然被移除（稱為“負(fù)載突降”）時(shí)，電源軌可能會(huì)尖峰，從而導(dǎo)致高達(dá) 42V 的瞬變（圖 3）。

圖3.標(biāo)稱12V直流電池電源實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜且有些敵對(duì)的電軌，如 a） 拋負(fù)載浪涌和 b） 冷啟動(dòng)電壓的電壓與時(shí)間特性所示。

因此，標(biāo)稱12.6V直流通常由標(biāo)準(zhǔn)鉛酸電池提供的中等嚴(yán)格公差實(shí)際上具有較寬的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)擺動(dòng)。這使調(diào)節(jié)功能的設(shè)計(jì)進(jìn)一步復(fù)雜化。因此，調(diào)節(jié)電路必須設(shè)計(jì)為能夠抵抗這些瞬變的影響，甚至可以在瞬變的情況下發(fā)揮作用。

在惡劣的汽車環(huán)境中還有另一個(gè)考慮因素：電磁干擾（EMI）。由于汽車中的射頻電噪聲如此之多（其中一些來(lái)自內(nèi)部，一些來(lái)自外部環(huán)境），任何電子功能（包括電源子系統(tǒng)）都必須滿足對(duì)其產(chǎn)生的最大EMI（幅度和頻譜）的嚴(yán)格要求，以及對(duì)周圍普遍EMI的敏感性。

除了汽車基本動(dòng)力軌的這些眾所周知的問(wèn)題之外，還有一個(gè)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛越來(lái)越多地使用“啟停模式”來(lái)增加油耗。在停車標(biāo)志、紅燈和類似情況下關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，然后在駕駛員踩下油門踏板時(shí)在幾分之一秒內(nèi)重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，最大限度地減少怠速油耗。然而，每次車輛停止和重新啟動(dòng)時(shí)，它還會(huì)反復(fù)給電氣系統(tǒng)帶來(lái)負(fù)載突降和瞬變的壓力，這在走走停停的交通中可能很常見。

似乎這些現(xiàn)實(shí)還不足以擔(dān)心，覆蓋所有這些電子問(wèn)題是一個(gè)主要的非電氣但密切相關(guān)的問(wèn)題：主機(jī)的熱環(huán)境。它必須在高達(dá) +85°C （185°F） 的環(huán)境溫度和高達(dá) +105°C （220°F） 的內(nèi)部溫度下工作。這是一個(gè)雙管齊下的問(wèn)題：穩(wěn)壓器產(chǎn)生的熱量會(huì)影響主機(jī)的整體熱負(fù)荷（對(duì)機(jī)組中的其他電路不利），而穩(wěn)壓器本身必須在高溫下在規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行。

解決問(wèn)題的幾種方法

設(shè)計(jì)人員采用了多方面的方法來(lái)提供各種電源軌，音響主機(jī)必須為匯聚在那里的功能提供這些電源軌。最明顯的方法是使用多個(gè)汽車兼容的線性和開關(guān)DC-DC穩(wěn)壓器，每個(gè)需要的直流電源軌對(duì)應(yīng)一個(gè)穩(wěn)壓器。

雖然這行得通，但它需要熟練地為每個(gè)電源軌選擇合適的線性或開關(guān)穩(wěn)壓器IC，并確保其滿足要求，然后將全套穩(wěn)壓器封裝在主機(jī)的電路板空間范圍內(nèi)。根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器中使用的頻率，混頻（外差）可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI和干擾后果，從而產(chǎn)生意想不到的性能問(wèn)題。

更好的方法是使用集成電源管理IC（PMIC），如Maxim MAX16993或MAX16930，它們提供多個(gè)直流電源軌，從一開始就針對(duì)汽車環(huán)境而設(shè)計(jì)：

MAX16993（圖4）為多軌DC-DC穩(wěn)壓器，在單小封裝中提供三路輸出。它有一個(gè)高壓降壓控制器（OUT1），設(shè)計(jì)為直接由汽車電池供電，以及兩個(gè)從OUT2級(jí)聯(lián)的低壓降壓轉(zhuǎn)換器（OUT3/OUT1），每個(gè)轉(zhuǎn)換器通過(guò)集成FET提供高達(dá)3A的輸出電流。低壓輸出的范圍為0.8V至3.95V，作為固定電壓輸出，或用戶可通過(guò)電阻分壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4.Maxim MAX16993 DC-DC降壓電源控制器提供一條高壓輸出和兩條低壓輸出，專門針對(duì)汽車應(yīng)用優(yōu)化了性能和功能。

MAX16930（圖5）還提供三路輸出：兩路高壓降壓控制器，設(shè)計(jì)直接由汽車電池供電，前端為預(yù)升壓，確保系統(tǒng)在冷啟動(dòng)事件期間工作。這些輸出可在 1V 至 10V 之間調(diào)節(jié)。當(dāng)汽車電池低于用戶可選水平時(shí)，預(yù)升壓控制器使能，并且能夠保持系統(tǒng)在低至 2V 的汽車電池電壓下運(yùn)行。

圖5.MAX16930還提供三路輸出，包括一個(gè)穩(wěn)壓器的預(yù)升壓，以確保系統(tǒng)在冷啟動(dòng)事件期間工作，當(dāng)電源軌電壓可能降至2V時(shí)。

這些IC的高壓輸入控制器可在高達(dá)36V的電池電壓下工作，并可承受高達(dá)42V的拋負(fù)載瞬變。在空載條件下，MAX16930僅消耗20μA靜態(tài)電流（IQ而MAX16993僅消耗30μA電流，非常適合“休眠”汽車模式。兩款高壓控制器均設(shè)計(jì)為在 2MHz 開關(guān)頻率下工作，以消除 AM 頻段 EMI 問(wèn)題并最大限度地減小外部組件尺寸。如果需要，開關(guān)頻率可設(shè)置為低至 200kHz。

為了解決關(guān)鍵的EMI問(wèn)題，MAX16930和MAX16993均提供用戶可選的擴(kuò)頻功能，顯著改善峰值EMI電平。它們通過(guò)在更寬的頻段上傳播雜散能量，同時(shí)降低其在整個(gè)頻段的幅度來(lái)做到這一點(diǎn)。此外，這些元件的設(shè)計(jì)故意減慢開關(guān)波形的上升/下降速率，從而大大降低了產(chǎn)生的EMI，即使它犧牲了一些效率。這種平衡在兩個(gè)相互沖突的要求之間提供了可接受的權(quán)衡，因?yàn)镋MI要求通常比效率要求更難滿足。

為了滿足用戶的電路板安裝偏好，這些器件提供兩種封裝：TQFN-EP 和側(cè)面可潤(rùn)濕 QFNDEP 版本。MAX16930的外形為6mm×6mm，MAX16993采用5mm×5mm封裝。它們具有過(guò)熱和短路保護(hù)功能，額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。Maxim通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)合，以及低靜態(tài)電流（IQ).

這些IC為由不同的穩(wěn)壓器IC組合而成的“零碎”解決方案提供了卓越的成本和性能替代方案。它們最大限度地減少了設(shè)計(jì)人員的難度，以滿足電子無(wú)線電主機(jī)中汽車電源軌的困難和不斷提高的效率、可靠性和EMI要求。（另一種稱為負(fù)載點(diǎn) （PoL） 方法的拓?fù)渌坪跏且环N可行的替代方案，但它在整體性能和系統(tǒng)級(jí)可靠性方面存在嚴(yán)重缺點(diǎn)。集成器件有效地解決了這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)最大限度地減少了設(shè)計(jì)難題和權(quán)衡損失。

審核編輯：郭婷