汽車無線電主機：更多需求，惡劣環(huán)境驅動對復雜電源管理IC的需求

兩個集成穩(wěn)壓器針對無線電主機的汽車設計進行了優(yōu)化。它們提供卓越的電壓、溫度和 EMI 性能。MAX16993提供1路高壓和2路低壓輸出;MAX16930提供兩路高壓輸出，由預升壓支持。

介紹

雖然車內(nèi)汽車數(shù)據(jù)和顯示備受關注，但幕后電源管理對于實現(xiàn)可靠、有效的運行至關重要。

要點：

控制臺和儀表盤中的汽車“無線電主機”是一個越來越擁擠的地方，支持許多電子功能。

提供各種所需的直流電源軌是一項艱巨的挑戰(zhàn)，大多數(shù)設計人員都采用復雜、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（電壓負載突降和瞬變、寬溫工作和低噪聲產(chǎn)生）的嚴格要求是一項重大的設計挑戰(zhàn)。

Maxim提供兩款針對汽車設計優(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1路高壓和2路低壓輸出;MAX16930提供兩路高壓輸出，由預升壓穩(wěn)壓器支持。

在當今汽車的設計中有很多諷刺元素。它們的能源效率越來越高，但它們也對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功能到眾多車內(nèi)便利性、連接性和娛樂功能，例如基本的 AM/FM 收音機、衛(wèi)星收音機、多媒體系統(tǒng)接口、GPS、蜂窩支持、藍牙、互聯(lián)網(wǎng)/Wi-Fi 等等。??

圖1.可見的汽車控制臺背后是電路和系統(tǒng)的復雜互連，所有這些都需要大量的直流電源和復雜的電源管理支持。

許多這些電子子系統(tǒng)的位置被稱為“無線電主機”（圖 1）。它是用戶控制臺和儀表盤的中心部分，各種顯示器、信號路由功能、用戶界面和內(nèi)部電子設備實際位于其中或其路徑匯合（圖 2）。這個隔間中可以裝滿多達 8 到 10 個主要子系統(tǒng)。因此，它是提供多個直流電源軌和處理散熱的關鍵位置。

圖2.此框圖給出了控制臺后面的自動無線電主機支持的復雜功能數(shù)量的一般指示。

主機電源挑戰(zhàn)

與許多復雜的子系統(tǒng)一樣，主機設計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、存儲器、顯示器等提供良好的調節(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備。當提供保持關鍵電路（無鑰匙進入、時鐘、警報和一些存儲功能）所需的幾毫安時，這些穩(wěn)壓器中的許多也必須高效。當汽車名義上“關閉”數(shù)天甚至數(shù)周時，這一點尤其重要，因此汽車電池不會放電到下次啟動所需的容量以下。

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，但實際情況卻大不相同。汽車的基本直流導軌是嘈雜的，啟動汽車時會突然大幅下降（冷啟動），這可能會使軌道下降到其標稱值的一半。在另一個極端，當負載突然被移除（稱為“負載突降”）時，電源軌可能會尖峰，從而導致高達 42V 的瞬變（圖 3）。

圖3.標稱12V直流電池電源實際上是一個復雜且有些敵對的電軌，如 a） 拋負載浪涌和 b） 冷啟動電壓的電壓與時間特性所示。

因此，標稱12.6V直流通常由標準鉛酸電池提供的中等嚴格公差實際上具有較寬的靜態(tài)和動態(tài)擺動。這使調節(jié)功能的設計進一步復雜化。因此，調節(jié)電路必須設計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（其中一些來自內(nèi)部，一些來自外部環(huán)境），任何電子功能（包括電源子系統(tǒng)）都必須滿足對其產(chǎn)生的最大EMI（幅度和頻譜）的嚴格要求，以及對周圍普遍EMI的敏感性。

除了汽車基本動力軌的這些眾所周知的問題之外，還有一個新的轉折點：汽油發(fā)動機車輛越來越多地使用“啟停模式”來增加油耗。在停車標志、紅燈和類似情況下關閉發(fā)動機，然后在駕駛員踩下油門踏板時在幾分之一秒內(nèi)重新啟動發(fā)動機，最大限度地減少怠速油耗。然而，每次車輛停止和重新啟動時，它還會反復給電氣系統(tǒng)帶來負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)實還不足以擔心，覆蓋所有這些電子問題是一個主要的非電氣但密切相關的問題：主機的熱環(huán)境。它必須在高達 +85°C （185°F） 的環(huán)境溫度和高達 +105°C （220°F） 的內(nèi)部溫度下工作。這是一個雙管齊下的問題：穩(wěn)壓器產(chǎn)生的熱量會影響主機的整體熱負荷（對機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)運行。

解決問題的幾種方法

設計人員采用了多方面的方法來提供各種電源軌，音響主機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汽車兼容的線性和開關DC-DC穩(wěn)壓器，每個需要的直流電源軌對應一個穩(wěn)壓器。

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

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

MAX16993（圖4）為多軌DC-DC穩(wěn)壓器，在單小封裝中提供三路輸出。它有一個高壓降壓控制器（OUT1），設計為直接由汽車電池供電，以及兩個從OUT1級聯(lián)的低壓降壓轉換器（OUT2/OUT3），每個轉換器通過集成FET提供高達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，或用戶可通過電阻分壓器進行調節(jié)。

MAX16930（圖5）還提供三路輸出：兩路高壓降壓控制器，設計直接由汽車電池供電，前端為預升壓，確保系統(tǒng)在冷啟動事件期間工作。這些輸出可在 1V 至 10V 之間調節(jié)。當汽車電池低于用戶可選水平時，預升壓控制器使能，并且能夠保持系統(tǒng)在低至 2V 的汽車電池電壓下運行。

這些IC的高壓輸入控制器可在高達36V的電池電壓下工作，并可承受高達42V的拋負載瞬變。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計為在 2MHz 開關頻率下工作，以消除 AM 頻段 EMI 問題并最大限度地減小外部組件尺寸。如果需要，開關頻率可設置為低至 200kHz。

為了解決關鍵的EMI問題，MAX16930和MAX16993均提供用戶可選的擴頻功能，顯著改善峰值EMI電平。它們通過在更寬的頻段上傳播雜散能量，同時降低其在整個頻段的幅度來做到這一點。此外，這些元件的設計故意減慢開關波形的上升/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。這種平衡在兩個相互沖突的要求之間提供了可接受的權衡，因為EMI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 和側面可潤濕 QFNDEP 版本。MAX16930的外形為6mm×6mm，MAX16993采用5mm×5mm封裝。它們具有過熱和短路保護功能，額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。Maxim通過創(chuàng)新設計和改進拓撲結構的結合，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計人員的難度，以滿足電子無線電主機中汽車電源軌的困難和不斷提高的效率、可靠性和EMI要求。（另一種稱為負載點 （PoL） 方法的拓撲似乎是一種可行的替代方案，但它在整體性能和系統(tǒng)級可靠性方面存在嚴重缺點。集成器件有效地解決了這個問題，同時最大限度地減少了設計難題和權衡損失。

審核編輯：郭婷