恶劣环境驱动对复杂电源管理IC的需求

两个集成稳压器针对无线电主机的汽车设计进行了优化。它们提供卓越的电压、温度和 EMI 性能。MAX16993提供16930路高压和<>路低压输出;MAX<>提供两路高压输出，由预升压支持。

介绍

虽然车内汽车数据和显示备受关注，但幕后电源管理对于实现可靠、有效的运行至关重要。

要点：

控制台和仪表盘中的汽车“无线电主机”是一个越来越拥挤的地方，支持许多电子功能。

提供各种所需的直流电源轨是一项艰巨的挑战，大多数设计人员都采用复杂、多样化的稳压器组合。

确保这些稳压器满足电气、热和EMI性能（电压负载突降和瞬变、宽温工作和低噪声产生）的严格要求是一项重大的设计挑战。

Maxim提供两款针对汽车设计优化的集成稳压器，具有优异的电压、温度和EMI性能：MAX16993，提供16930路高压和<>路低压输出;MAX<>提供两路高压输出，由预升压稳压器支持。

在当今汽车的设计中有很多讽刺元素。它们的能源效率越来越高，但它们也对它们提出了更多的电力需求。这些需求范围从一系列安全相关功能到众多车内便利性、连接性和娱乐功能，例如基本的 AM/FM 收音机、卫星收音机、多媒体系统接口、GPS、蜂窝支持、蓝牙、互联网/Wi-Fi 等等。

许多这些电子子系统的位置被称为“无线电主机”。它是用户控制台和仪表盘的中心部分，各种显示器、信号路由功能、用户界面和内部电子设备实际位于其中或其路径汇合（图 2）。这个隔间中可以装满多达 10 到 <> 个主要子系统。因此，它是提供多个直流电源轨和处理散热的关键位置。

图2.此框图给出了控制台后面的自动无线电主机支持的复杂功能数量的一般指示。

主机电源挑战

与许多复杂的子系统一样，主机设计必须平衡相互冲突的功率需求和约束。一方面，需要在各种电流下为处理器、存储器、显示器等提供良好的调节电压。这些 DC-DC 稳压器必须高效，以最大限度地减少由于电源子系统引起的相关温升，这既是为了稳压器本身，也是为了它们支持的电子设备。当提供保持关键电路（无钥匙进入、时钟、警报和一些存储功能）所需的几毫安时，这些稳压器中的许多也必须高效。当汽车名义上“关闭”数天甚至数周时，这一点尤其重要，因此汽车电池不会放电到下次启动所需的容量以下。

除了这些基本挑战之外，汽车的电气和热环境也增加了这些挑战。尽管原则上，车辆由电池供电，因此具有稳定且安静的直流电源，但实际情况却大不相同。汽车的基本直流导轨是嘈杂的，启动汽车时会突然大幅下降（冷启动），这可能会使轨道下降到其标称值的一半。在另一个极端，当负载突然被移除（称为“负载突降”）时，电源轨可能会尖峰，从而导致高达 42V 的瞬变（图 3）。

图3.标称12V直流电池电源实际上是一个复杂且有些敌对的电轨，如 a） 抛负载浪涌和 b） 冷启动电压的电压与时间特性所示。

因此，标称12.6V直流通常由标准铅酸电池提供的中等严格公差实际上具有较宽的静态和动态摆动。这使调节功能的设计进一步复杂化。因此，调节电路必须设计为能够抵抗这些瞬变的影响，甚至可以在瞬变的情况下发挥作用。

在恶劣的汽车环境中还有另一个考虑因素：电磁干扰（EMI）。由于汽车中的射频电噪声如此之多（其中一些来自内部，一些来自外部环境），任何电子功能（包括电源子系统）都必须满足对其产生的最大EMI（幅度和频谱）的严格要求，以及对周围普遍EMI的敏感性。

除了汽车基本动力轨的这些众所周知的问题之外，还有一个新的转折点：汽油发动机车辆越来越多地使用“启停模式”来增加油耗。在停车标志、红灯和类似情况下关闭发动机，然后在驾驶员踩下油门踏板时在几分之一秒内重新启动发动机，最大限度地减少怠速油耗。然而，每次车辆停止和重新启动时，它还会反复给电气系统带来负载突降和瞬变的压力，这在走走停停的交通中可能很常见。

似乎这些现实还不足以担心，覆盖所有这些电子问题是一个主要的非电气但密切相关的问题：主机的热环境。它必须在高达 +85°C （185°F） 的环境温度和高达 +105°C （220°F） 的内部温度下工作。这是一个双管齐下的问题：稳压器产生的热量会影响主机的整体热负荷（对机组中的其他电路不利），而稳压器本身必须在高温下在规格范围内运行。

解决问题的几种方法

设计人员采用了多方面的方法来提供各种电源轨，音响主机必须为汇聚在那里的功能提供这些电源轨。最明显的方法是使用多个汽车兼容的线性和开关DC-DC稳压器，每个需要的直流电源轨对应一个稳压器。

虽然这行得通，但它需要熟练地为每个电源轨选择合适的线性或开关稳压器IC，并确保其满足要求，然后将全套稳压器封装在主机的电路板空间范围内。根据开关稳压器中使用的频率，混频（外差）可能会产生严重的EMI和干扰后果，从而产生意想不到的性能问题。

更好的方法是使用集成电源管理IC（PMIC），如Maxim MAX16993或MAX16930，它们提供多个直流电源轨，从一开始就针对汽车环境而设计：

MAX16993（图4）为多轨DC-DC稳压器，在单小封装中提供三路输出。它有一个高压降压控制器（OUT1），设计为直接由汽车电池供电，以及两个从OUT2级联的低压降压转换器（OUT3/OUT1），每个转换器通过集成FET提供高达3A的输出电流。低压输出的范围为0.8V至3.95V，作为固定电压输出，或用户可通过电阻分压器进行调节。

 

图4.Maxim MAX16993 DC-DC降压电源控制器提供一条高压输出和两条低压输出，专门针对汽车应用优化了性能和功能。

MAX16930（图5）还提供三路输出：两路高压降压控制器，设计直接由汽车电池供电，前端为预升压，确保系统在冷启动事件期间工作。这些输出可在 1V 至 10V 之间调节。当汽车电池低于用户可选水平时，预升压控制器使能，并且能够保持系统在低至 2V 的汽车电池电压下运行。

 

图5.MAX16930还提供三路输出，包括一个稳压器的预升压，以确保系统在冷启动事件期间工作，当电源轨电压可能降至2V时。

这些IC的高压输入控制器可在高达36V的电池电压下工作，并可承受高达42V的抛负载瞬变。在空载条件下，MAX16930仅消耗20μA静态电流（IQ而MAX16993仅消耗30μA电流，非常适合“休眠”汽车模式。两款高压控制器均设计为在 2MHz 开关频率下工作，以消除 AM 频段 EMI 问题并最大限度地减小外部组件尺寸。如果需要，开关频率可设置为低至 200kHz。

为了解决关键的EMI问题，MAX16930和MAX16993均提供用户可选的扩频功能，显著改善峰值EMI电平。它们通过在更宽的频段上传播杂散能量，同时降低其在整个频段的幅度来做到这一点。此外，这些元件的设计故意减慢开关波形的上升/下降速率，从而大大降低了产生的EMI，即使它牺牲了一些效率。这种平衡在两个相互冲突的要求之间提供了可接受的权衡，因为EMI要求通常比效率要求更难满足。

为了满足用户的电路板安装偏好，这些器件提供两种封装：TQFN-EP 和侧面可润湿 QFNDEP 版本。MAX16930的外形为6mm×6mm，MAX16993采用5mm×5mm封装。它们具有过热和短路保护功能，额定工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。Maxim通过创新设计和改进拓扑结构的结合，以及低静态电流（IQ).

这些IC为由不同的稳压器IC组合而成的“零碎”解决方案提供了卓越的成本和性能替代方案。它们最大限度地减少了设计人员的难度，以满足电子无线电主机中汽车电源轨的困难和不断提高的效率、可靠性和EMI要求。（另一种称为负载点 （PoL） 方法的拓扑似乎是一种可行的替代方案，但它在整体性能和系统级可靠性方面存在严重缺点。集成器件有效地解决了这个问题，同时最大限度地减少了设计难题和权衡损失。

审核编辑：郭婷