工程師不可或缺的先進電源管理IC

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】工程師不可或缺的先進電源管理IC雖然駕駛室內(nèi)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(guān)重要。

現(xiàn)今的汽車設(shè)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(guān)功能到車內(nèi)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部分，其中包含了各種顯示、信號連接功能、用戶界面和內(nèi)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(guān)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(shè)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(diào)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，包括調(diào)節(jié)器本身及其支持的電子器件。其中許多調(diào)節(jié)器在提供維持關(guān)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(guān)閉”幾天甚至幾周時，這尤其關(guān)鍵，使汽車電池設(shè)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(diào)節(jié)功能的設(shè)計變得更加復雜。所以，設(shè)計的調(diào)節(jié)電路必須能夠承受這些瞬態(tài)效應(yīng)，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(nèi)的RF電噪聲非常多，其中部分來自于內(nèi)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(guān)閉引擎；然后當駕駛員踩下油門踏板時，在幾分之一秒內(nèi)重新啟動引擎，將空轉(zhuǎn)油耗降至。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。

如果這些情況缺陷以擔心的話，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(guān)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(nèi)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(diào)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(nèi)的其它電路不利），同時調(diào)節(jié)器本身又必須在高溫下正常工作。

解決問題的幾種途徑

設(shè)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。直接的方式是采用多個汽車兼容線性和開關(guān)式DC-DC調(diào)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(guān)調(diào)節(jié)器IC需要技巧，確保其滿足要求，然后將全套調(diào)節(jié)器封裝在音響單元的電路板空間范圍之內(nèi)。根據(jù)開關(guān)調(diào)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MaximMAX16993或MAX16930，這些IC提供多個直流電源，專門針對汽車環(huán)境而設(shè)計。

·MAX16993（圖4）是一款多路DC-DC調(diào)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(diào)節(jié)輸出電壓。

圖4.MaximMAX16993DC-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(yù)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(nèi)調(diào)節(jié)。當汽車電池下降至用戶選定的電平以下時，使能預(yù)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(diào)節(jié)器的預(yù)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)?？蛰d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(shè)計采用2MHz開關(guān)頻率，以防止AM波段EMI問題，將外部元件尺寸降至。如果需要，開關(guān)頻率可設(shè)置為低至200kHz。

為解決關(guān)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(shè)計特意減慢了開關(guān)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承受折中。

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(cè)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(shè)計和改進拓撲，實現(xiàn)以上總體性能。

相對于利用分立式調(diào)節(jié)器IC堆積而成的“零碎”方案，這些IC