About / Advertise
Instrumentbrädorna i dagens bilar är ofta fyllda med många olika brus- och temperaturkänsliga utrustningar som radiokretsar, Bluetooth, GPS och mobiltelefonbaserade nätanslutningar. Därför är det viktigt att samtliga kretsar i denna miljö, inklusive kraftenheterna, inte avger för mycket värme eller elektromagnetisk strålning (EMI). Dessutom kan plötsligt förändrad batterispänning väsentligt störa ett system. Trots dessa utmaningar ökar fortfarande intresset för infotainmentsystem i fordon explosionsartat. Bilar innehåller fler och fler, mer avancerade system.  | Ladda ner artikeln på 800 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert |
Ur kraftmatningssynpunkt kan en enkel infotainmentkonsoll kräva flera lågspänningsmatningar med en sammanlagd ström på flera ampere, och en avancerad konsoll kräver eventuellt ännu mer. Traditionellt har dessa spänningsmatningar och strömnivåer tillhandahållits av ett otal diskreta kraftregleringskretsar eller stora över-integrerade effetkthanteringskretsar (Power Management Integrated Circuits, PMIC). Stora PMIC:ar har dock ofta fler matnings- eller reservfunktioner än vad som behövs. De upptar stort kortutrymme och har vanligtvis för lite kraft till vissa matningar. Därför finns det ett behov av en integrerad krets med flera utgångar som kan ge en kompakt lösning med ett konfigurerbart antal utgångar med lagom kraftmatning.
Det är av flera skäl utmannande att konstruera elektroniksystem för fordonstilllämpningar: utrymmet är mycket begränsat, arbetstemperaturområdet måste vara brett, bruset måste minimeras, batteritransienter måste tolereras och kvaliteten måste vara hög. Eftersom integreringsnivån måste vara hög för en utrymmessnål lösning skapar detta i sin tur ett behov av energieffektiva komponenter.
I många fall finns strikta krav på elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), som täcker strålad och ledningsbunden emission, strålad och ledningsbunden immunitet eller känslighet, och elektrostatisk urladdning (ESD). Kompatibilitet med samtliga av dessa krav påverkar många prestandaaspekter för en potentiell flerkanalig kretskonstruktion. Vissa krav är okomplicerade, som exempelvis att de switchade DC/DC-regulatorerna måste fungera vid en fast frekvens utanför AM-radiobandet. Andra är lite svårare att ta itu med, som exempelvis att justera stigtiden hos interna krafttransistorer för att minimera strålad emission till följd av en DC/DC-omvandlares switchnodövergångar.
Ändrade produktspecifikationer under utvecklingscykelns gång – som exempelvis ändrad in- och utgående spänning samt utgående ström – kan ställa till med stora problem vid valet av integrerade kretsar och tillhörande diskreta komponenter. Om en systemspecifikation ändras efter kortlayouten är bestämd, kan i bästa fall en spänning eventuellt finjusteras genom utbyte av några motstånd på en justerbar utgående omvandlare. I värsta fall måste kanske ett antal integrerade kretsar bytas ut mot icke drop-inkompatibla integrerade kretsar eftersom den nya strömnivån som behövs på utgången överstiger switchströmmen hos de som redan är där. Detta kommer att resultera i en hel hop av ökade kostnader och förseningar på grund av omkonstruktion och omlayout av kortet. En högt specialiserad, högpresterande konfigurerbar effetkthanteringskrets behövs för att styra kraftblocket ordentligt. Allt för att se till att samtliga prestandafördelar hos systemet kan förverkligas och möjliggöra flexibilitet för ofrånkomliga systemförändringar i kraftblocket.
Historiskt sett har många existerande PMIC:ar med flera utgångar inte varit flexibla nog att hantera dessa moderna system. Samtliga lösningar som tillfredställer ovan beskrivna konstruktionskrav för effetkthanteringskretsar för fordon måste kombinera en hög nivå av integrering, inklusive buck-baserade switchregulatorer för lagom ström med förmåga till låg spänning, brett arbetstemperaturområde och en hög grad av flexibilitet. Det som behövs är en flerkanalig, konfigurerbar DC/DC-omvandlare för att ta itu med alla dessa problem – en krets som kan ge hög nivå av integrering och konfigurerbarhet, samtidigt som den tillgodoser behoven hos flertalet tillämpningar.
Hittills har det inte funnits en enda integrerad krets som kunnat åstadkomma detta. Linears LTC3375 är dock en högt integrerad universallösning för kraftstyrning av system som kräver flera lågspänningsmatningar. Kretsen har åtta oberoende 1 A-kanaler med I2C-styrning, flexibel sekvensering och felövervakning i en kompakt QFN-kapsel. Den har åtta internt kompenserade, högeffektivt synkrona step-down-regulatorer samt en högspänningsbaserad linjär styrkrets som alltid är på (always-on).
Varje buck-regulator har sin egen oberoende inspänning på 2,25 V till 5,5 V och ett utspänningsområde från 0,425 V till VIN. Kretsens på/av/reset-styrning, kraftmatningsåterställning och watchdog-timer ger flexibel och tillförlitlig sekvensering vid start och systemövervakning. LTC3375 har en programmerbar och synkroniserbar 1 MHz till 3 MHz oscillator med en förinställd switchfrekvens på 2 MHz. Viloströmmen är endast 11 µA med samtliga DC/DC-omvandlare avstängda, vilket sparar energi i ett alltid-på-system. Den passar utmärkt för en rad olika flerkanaliga tillämpningar inkluderande industri-, fordons- och kommunikationssystem.
Buck-regulatorerna har strömbegränsning framåt och bakåt, mjukstart för att begränsa inrusningsströmmen vid start, kortslutningsskydd och kontroll av stigtiden för mindre strålad EMI. Andra egenskaper inkluderar en övervakningsutgång för kretstemperaturen (avläsbar via I2C) som visar intern kretstemperatur, samt en varningsfunktion för kretstemperaturen (DT) som varnar användaren när den når sin programmerade larmtröskel, vilket möjliggör för systemet att vidta tillrättaläggande åtgärder.
Kretsen kommer i en termiskt förbättrad, 48-bens 7 mm 5 7 mm QFN-kapsel med låg höjd (0,75 mm). LTC3375 finns också i ett högtemperaturalternativ (H-klass) märkt för kopplingstemperatur från –40 °C till +150 °C, vilket tillgodoser de krav på hög arbetstemperatur som fordon ställer.
Kretsens pulsbreddsmodulerade (PWM) switchfrekvens är speciellt trimmad till 2 MHz, med ett garanterat frekvensområde från 1,8 MHz till 2,2 MHz med ett 400k RT-motstånd. RT-motståndet kan användas för att programmera valbar arbetsfrekvens mellan 1 och 3 MHz. Regulatorerna kan också ställas till ett tvingat kontinuerligt PWM-arbetssätt för att förhindra drift i burst-mode även vid lätt last. Detta håller inte bara fast frekvensen utan minskar även spänningsripplet på DC/DC-utkondensatorerna. LTC3375 kan dessutom synkroniseras med en extern klocka från 1 till 3 MHz via SYNC-benet för att minska systembruset ytterligare.
LTC3375 inkluderar en specialfunktion som gör att användaren kan sakta ner switchningen vid flankerna för att på så sätt minska den utstrålade emissionen. Stigtiden för switchen på buck-regulatorerna kan justeras via I2C. Eftersom buck-regulatorerna är synkrona kommer såväl fall- som stigtiden att ökas. Figur 2 och 3 illustrerar switchning vid full hastighet respektive minskad hastighet för stigning och fall.
Ett annat problem för fordonselektronik är dramatiska förändringar i batterispänning, ända ned till cirka 5 V vid kallstart eller från höga spänningsspikar. Fordonselektroniken måste inte bara överleva dessa tuffa spänningsförändringar utan även fortsätta att fungera. LTC3375 har en tryckknappskontroll och extern pass-FET-regulator som kan användas för att aktivera en extern högspännings-buck, som i sin tur förser kretsen med säker reglerad spänning.
Se figur 4 för kretsens reglerade utspänningsprestanda vid en spänningstransient. Notera att mätningen inkluderar LTC3891 (finns även en nylanserad version i LTC3890).
Instrumentbrädor i bilar är fulla med såväl brus- som temperaturkänsliga källor, vilket rejält försvårar kretskonstruktionen. Drastiska förändringar i batterispänning är ytterligare ett problem. Trots dessa problem har tekniska framsteg inom funktionella block för infotainment i fordon, som exempelvis satellitradio, pekskärmar, navigeringssystem, Bluetooth och HDTV förhöjt körupplevelsen i dagens bilar. Genom att ersätta ett antal diskreta kraftkomponenter eller traditionella stora över-integrerade PMICer med en enda integrerad oktal buck-krets med flera utgångar, som exempelvis Linear Technologys konfigurerbara LTC3375, kan en systemkonstruktör integrera viktiga krafthanteringsfunktioner i sitt system för en ny nivå av prestanda med mindre och enklare lösningar.
