安森美汽车信息娱乐系统电源设计方案比较

导言：汽车信息娱乐系统日趋复杂，为系统供电的电源转换带来了更多的设计挑战。要设计出符合汽车信息娱乐系统规格的电源，可采用PMU方案、开关电源方案或可实现升降压功能的SEPIC方案等不同的设计方案。本文在分享安森美汽车信息娱乐系统电源设计方案的同时，进行方案比较，帮助工程师简化设计流程并缩短设计时间。

时至今日，汽车中使用的电子元件数量越来越多，而这一趋势还会继续下去，这就给为系统供电的电源转换带来了更多的设计挑战。这些复杂的系统需要在可靠和紧凑的布局中实现多个电压轨；不同器件又有不同的需求，所有器件都需要占板面积更小、能效尽可能高。作为应用于绿色电子产品的首要高性能、高能效硅方案供应商，安森美半导体提供各种针对汽车信息娱乐系统应用的电源方案，可以帮助系统设计师应对挑战。

汽车信息娱乐系统电源需求分析
汽车上所应用的电子系统越来越复杂，且在逐年增加。汽车信息娱乐系统是其中之一。这类系统过去往往只用于“高档”豪华型汽车，但是现在却正出现在更多“主流”汽车中，这加快了为其供电的电源集成电路市场增长。信息娱乐系统至少包括导航系统、AM/FM收音机和CD播放器，目前越来越多的系统增加了具有多个输出的DVD播放器、卫星无线电设备。这些系统的复杂性越来越高，对电源的要求也在提高。

例如，汽车信息娱乐系统电源既要求低电流——为微控制器(MCU)及传感器供电(5 V、3.3 V，电流10～100 mA)，也需要大电流——为高性能处理器(DSP)及USB供电(5 V、3.3 V、1.2 V，电流0～3 A)；而LED背光需要电压12 V、电流低于1 A供电，其它设备(天线、风扇、电机、VFD显示屏驱动等)还有其它电压要求。因此，除了多种输出电压，还有更多要求，对于常开电源还需要低待机功耗；需要提供更高功率、更大电流；低功耗、高效率、高集成度；对电源电磁兼容性(EMS)的要求也比较高。

安森美半导体信息娱乐系统电源方案
安森美半导体提供各种应用于信息娱乐系统电源的产品，概括起来主要有以下几类。一类是线性稳压器(LDO)，用于电池及后级稳压，具有标准/低静态电流、高电源抑制比(PSRR)/超低静态电流，以及跟踪器和电流检测功能；第二类是丰富的开关电源(SMPS)产品，用于降压及升压控制器/稳压器，采用同步/非同步拓扑结构，提供高频、低静态电流和电池及后级稳压；第三类是电源管理单元(PMU)，以更高集成度优化了尺寸/性能。这些产品都符合下一代尺寸及能效要求。

安森美半导体信息娱乐系统电源用LDO中的NCV42xx和NCV85xx是标准静态电流Iq＞60 μA的器件，前者与英飞凌TLE42xx管脚兼容，后者功能丰富，与主流厂商英飞凌/意法半导体/美国国家半导体的相应产品管脚兼容；NCV86xx与标准静态电流LDO管脚兼容，静态电流极低，可达33 μA＜ Iq ＜ 50 μA；NCV87xx具有超低静态电流Iq ＜ 33 μA，与极低静态电流LDO管脚兼容。

在信息娱乐系统电源用开关电源方面，安森美半导体提供降压SMPS，如集成开关的转换器NCV8901/02系列、高性能控制器NCV8851等，以及低成本的NCV3020、LV5749NV等；升压SMPS控制器有高性能的NCV8871等和适合低成本应用的NCV3063等。

在电源管理单元方面，安森美半导体的NCV8855集成了同步降压控制器、2.5A集成开关、2路LDO控制器、2 A高边开关等特性；NCV8612是集成了3路LDO输出的器件，可自动切换(ASO)，超低静态电流(Iq) ＜ 50 μA有助于降低功耗；NCV8881是1.5 A集成开关的降压转换器(8.5 V/40 mA、5.0 V/100 mA)，具有ROSC及SYNC和看门狗功能，频率高达600 kHz。

安森美半导体信息娱乐系统电源设计方案比较
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安森美半导体信息娱乐系统电源设计方案比较
汽车信息娱乐系统的电源规格如下所示。要符合这些规格，可以选择不同的设计方案，如采用PMU方案、开关电源方案或可实现升降压功能的SEPIC方案等。

表1：汽车信息娱乐系统电源规格

1)PMU方案
PMU方案是集成度最高的信息娱乐系统电源方案。此方案结合使用安森美半导体的NCV8855 PMU以及NCV8664和NCV47700等器件。



图1：基于高集成度PMU的汽车信息娱乐系统电源方案

NCV8855集成有四路电源及一路高边开关，包含同步BUCK控制器、集成开关的2.5A非同步BUCK转换器及两路LDO控制器。其特性包括多路输出、两路开关电源错相工作、内部集成软起/诊断等功能，采用40管脚QFN封装。它的优势在于，实现高集成度和高效率，有较好的电源抑制比及低EMI，较少的外部元器件，采用高散热能力的小尺寸封装，适用于车载娱乐系统及仪表盘应用，图2是其应用电路。


图2：NCV8855应用电路


NCV8664是一款具有150mA输出能力的极低静态电流(5.0 V、3.3 V)LDO。可以在-40℃到85℃的环境温度下工作，能够满足车厂对静态电流的现有要求，用来为最新的微处理器供电。在全温度范围内，其静态电流最大不超过30uA，与标准静态电流产品NCV4264管脚兼容，方便替换，适合车身电子、刹车系统、车载娱乐系统、安全气囊等应用，应用电路如图3所示。


图3：NCV8664应用电路

NCV47700/01是天线(电流感测)LDO/HSS(高边开关)。NCV47700的输出电压精度为；NCV47701为±3 %，限流精度为±10 %；具有可调节输出电压(5至20 V)、使能功能(Enable)、过热保护(TSD)、可以配置为LDO或高边开关等功能。限流值设定(CSO)Vcso = Iout * (Rcso/100)，Ilim = 100 *(2.55/Rcso)。


2) 开关电源(DC-DC)方案
这是一款能效最高的方案，结合采用多款DC-DC开关电源方案及NCV8664和NCV47700等器件。


图4：基于开关电源的汽车系统娱乐系统电源方案


其中，NCV8851是一款同步降压控制器。两路驱动输出分别用来驱动上下管，可用于4 A以上的大电流应用。它采用平均电流控制模式，可在整个输入电压及负载范围内得到更快的响应及更高的输出调整率。该器件的频率从170kHz到500kHz可编程，输入电压范围为4.5到40V，可由外部时钟同步频率，最高可达600kHz；在睡眠模式下，消耗电流小于1uA。NCV8851应用灵活，易于实现EMI设计，设计简单，动态响应好，适合车载娱乐系统、功率放大器电源、刹车系统等。图5是其应用电路。

图5：NCV8851应用电路

NCP3122是一颗双路输出集成开关的非同步BUCK转换器，每路输出高达2A；频率从200kHz到2MHz可调。该器件输入电压范围4.5V到15V；内部集成MOS，效率高；工作频率可调。由于效率高、外围器件少，可减少体积和成本，主要用在低压的应用，如后装市场的车载娱乐系统。图6是其应用电路。


图6：NCP3122应用电路


NCV8901和8902系列是高频的集成开关的非同步BUCK转换器。NCV8901输出电流为1.2A，NCV8902为2A。该器件工作频率为2 MHz，输入电压范围4.5 V 至36 V，可耐受40 V抛负载电压(890x3x为45 V版本)，芯片工作结温为-40℃至150℃。这些器件频率高，体积小，输出精度高，可在车身电子、车载娱乐系统等应用中使用。应用电路见图7。


图7：NCV8901和8902系列应用电路

3)基于支持一键启动/停止的SEPIC方案的汽车信息娱乐系统电源方案
为了满足即使电池电压降低到4 V系统也可始终工作的要求，安森美半导体提供可选产品SEPIC控制器NCV8871和NCV3063，能够用于为一键启动/停止(Start/Stop)功能供电。

图8：基于SEPIC的汽车系统娱乐系统电源方案

NCV8871是一款峰值电流模式控制的升压控制器。它可以用来实现多种拓扑，如反激，SEPIC等。器件的参数可在出厂前编辑，输入电压范围为3.6 V至45 V，芯片工作结温为-40℃至150℃，使能与频率同步功能管脚复用，峰值电流模式控制。由于应用灵活、封装简单，可用于功放电源、背光电源、自动启停系统等。图9是其应用电路。


图9：NCV8871应用电路

结论
安森美半导体致力于开发创新及高性能的技术和产品，不仅提供应用于汽车信息娱乐系统的高能效电源方案，满足高性能或低成本等不同需求，还提供针对汽车应用的调谐器及音频DSP产品，涵盖信息娱乐系统的大多数应用，帮助工程师简化设计流程并缩短设计时间。