. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Jak na řízení spotřeby s DC/DC konvertorem
14. října 2009 - 9:14 | Michael Couleur | Jak na řízení spotřeby s DC/DC konvertorem | Komentářů: 1  

Jak na řízení spotřeby s DC/DC konvertorem

Princip a způsob použití digitálně-analogového snižovacího převodníku pracujícího na 6 MHz s optimalizovanou velikostí a spotřebou pro dynamickou změnu napájecího napětí.

Moderní mobilní telefony obsahují mikroprocesory, jejichž digitální submikronové obvody vyžadují v pohotovostním i aktivním režimu stále více a více proudu. Při neustále rostoucím požadavku výdrže provozu na baterie je velmi důležité pokusit se spotřebu těchto mikroprocesorů optimalizovat. Nový snižující převodník TPS62650 s frekvencí 6 MHz společnosti Texas Instruments tuto problematiku řeší a to nabídkou účinného a přitom malého zařízení, které dynamickou změnou vstupních napětí procesoru snižuje jeho spotřebu.

Použití dynamické regulace napětí:
Energii spotřebovanou mikroprocesorem je možné vyjádřit následovně:

v aktivním režimu a v klidovém režimu,

kde C je ekvivalentní kapacita hradla všech logických hradel na čipu, f je frekvence procesoru, R je ekvivalentní celkový odpor svodů v pohotovostním režimu a V je napájecí napětí.

Snadno tak lze vypozorovat, že spotřebu energie takového integrovaného obvodu je možné optimalizovat minimalizací vstupního napětí v aktivním i pohotovostním režimu. Převodník TPS62650 nabízí rozhraní I2C k dynamické regulaci výstupního napětí. Nový 6 MHz snižovací převodník Texas Instruments použitý jako napájecí integrovaný obvod pro mikroprocesor je schopný měnit své výstupní napětí dynamicky, a optimalizovat tak spotřebu energie napájeného mikroprocesoru. Kalibrační algoritmy v mikroprocesoru navíc umožňují obvodu pracovat vždy s optimálním napájecím napětím, které snižovacímu převodníku sdělí pomocí rozhraní I2C.


Obr. 1: Schéma obvodu, mikroprocesor a snižovací převodník TPS62650

Výhody a popis vlastností 6 MHz jádra:
Použití jádra s frekvencí 6 MHz pro snižovací převodník napájející mikroprocesor šetří místo i náklady. Vysoká vzorkovací frekvence umožňuje zařízení pracovat s malými externími součástkami. Běžně tedy s kondenzátorem 2,2 uF a indukčností 0,7 uH, což snižuje velikost a výrobní náklady na zařízení.


Obr. 2: Převodník TPS62650 a požadované externí součástky, rozmístění a velikost

Převodník Texas Instrument s jádrem pracujícím na frekvenci 6 MHz nabízí nízký klidový proud v režimu PFM, běžně 35 uA, který v pohotovostním režimu procesoru umožňuje vysokou účinnost při nízkém výstupním proudu.

Realizace regulace výstupního napětí:
Aby bylo umožněno dosáhnutí správné regulace výstupního napětí, je nutné, aby rozsah výstupního napětí byl definován pomocí 6 bitů. Těchto 6 bitů se přenáší do snižovacího převodníku pomocí rozhraní I2C a monotónní DAC ve snižovacím převodníku zde mění napěťovou referenci. Výstupní napětí se pohybuje v rozsahu od 750 mV do 1,45 V a pokrývá potřeby napájecího napětí nejmodernějšího procesoru. Rychlost změny výstupního napětí snižovacího převodníku je přesně řízena a lze ji měnit pomocí 3 konfiguračních bitů zapsaných do zařízení pomocí rozhraní I2C, což představuje výběr 8 rychlostí změny výstupního napětí. Aby byla ve svém důsledku zaručena správná regulace, přesnost výstupního napětí musí být +/-2%.

Velikost plochy, kterou DAC může zabírat, a jeho spotřeba jsou výrzně omezeny požadavkem aplikace na vysokou účinnost a malou velikost zařízení. Interní specifikace DAC z hlediska velikosti a spotřeby jsou velmi přísné. Např. 25kum^2 a 5 uA. Klasicky navržený DAC by tyto požadavky nesplnil, aniž by se omezil na úkor přesnosti napětí. Mají-li být splněny cílové požadavky na spotřebu, velikost a přesnost, používá se DAC v kombinaci se spínanými proudovými zdroji a s dílčí DAC technologií.

Popis dílčí DAC technologie:


Obr. 3: Klasická architektura 6bitového DAC se spínanými proudovými zdroji


Obr. 4: Architektura 6bitového DAC se spínanými proudovými zdroji s dílčí DAC technologií používaná v převodníku TPS62650

Topologie používá dva nezávislé 3bitové DAC. První DAC má na vstupu 3 nejnižší platné bity a druhý DAC 3 nejvyšší platné bity. Pokud se výstupní proud prvního 3bitového převodníku DAC vydělí 8 a sečte s výstupním proudem druhého 3bitového převodníku DAC, 3 bity druhého DAC převodníku budou mít 8krát větší váhu než 3 bity prvního DAC. Význam 1. bitu druhého DAC bude mít stejnou váhu jako 8 nejnižších platných bitů prvního DAC. Podobně 2. bit bude mít váhu jako 16 nejnižších platných bitů a 3. bit jako 32 nejnižších platných bitů. Pak můžeme sečíst 1 nejnižší platný bit, 2 nejnižší platné bity a 4 nejnižší platné bity z prvního DAC s 8, 16 a 32 nejnižšími platnými bity z druhého DAC, což vytvoří úplný 6bitový DAC. Tento 6bitový DAC je však realizován i v případě, aniž by bylo nutné použít tolik proudových zdrojů, kolik by jich bylo zapotřebí při použití klasické architektury, tj. 14 místo 63.

Samotné dělení proudu se provádí pomocí odporového proudového děliče. Výstupní proud těchto dvou dílčích DAC se sčítá na zpětnovazebním odporu výstupního bufferu, který realizuje proudově-napěťový převodník a zaručuje požadované vztažné výstupní napětí.

Výhody dílčí DAC technologie ve srovnání s klasickou technologií:
Z hlediska proudových zdrojů, které je nutné vytvářet z velkých a dobře spárovaných tranzistorů, splňujících požadavek na monotónnost, vyžaduje klasická architektura 63 zdrojů pro 64 úrovní plus 64 dalších proudových zdrojů stejného typu pro 750 mV úroveň vztažného napětí generovanou na výstupním odporu, což znamená celkem 127 proudových zdrojů. Naproti tomu architektura dílčího DAC vyžaduje pouze 2krát 7 proudových zdrojů plus výstupní buffer zaručující vztažné výstupní napětí. Z hlediska velikosti je toto řešení také mnohem účinnější a umožňuje nám na omezené ploše křemíku navrhnout 6bitový DAC s velmi nízkou spotřebou a přesností ±2%.

Každý stupeň DAC představuje krok 12 mV. Za předpokladu, že vztažná proudová úroveň je na mezi minimálního šumu, tj. přijatelných 80 nA, k získání 12 mV stupňů potřebujeme odpor 150 kohm. Vygenerování základní napěťové úrovně, tj. 750 mV na odporu 150 kohm, vyžaduje, aby byl na tomto odporu zdroj 5 uA. Navíc, když 6 bitů je 64 úrovní, pro úplný DAC potřebujeme 63krát vztažnou proudovou úroveň. Což ponechává přijatelných 10 uA celkové proudové spotřeby při použití klasické architektury.

Při použití dílčí DAC technologie se proudová spotřeba podstatně zlepší. Zůstávají nám dva 3bitové DAC, každý se spotřebou sedminásobku vztažného proudu 80 nA pro celkových 1,12 uA. Základní napěťová úroveň je zaručena výstupním bufferem, který má spotřebu pouze 2 uA, což znamená, že 6bitový DAC nyní spotřebuje pouze 3,12 uA místo 10 uA v případě klasické architektury. Vezmeme-li v úvahu generování základního proudu, DAC ve finále vyžaduje proud 5 uA, což má malý dopad na účinnost režimu PFM používaného v pohotovostním stavu mikroprocesoru.


Obr. 5: Účinnost pohotovostního režimu a aktivního režimu převodníku TPS62650. Nízký odběr proudu DAC umožňuje dobrou účinnost v PFM oblasti používané v pohotovostním režimu.


Obr. 6: Přesnost 6bitového DAC v rozsahu výstupního napětí

Souhrn:
Nový 6 MHz snižující převodník TPS62650 společnosti Texas Instruments umožňuje přesnou dynamickou regulaci výstupního napětí přes rozhraní I2C a tím optimalizaci spotřeby energie procesorů například moderních mobilních telefonů, aniž by se tak dělo na úkor účinnosti v pohotovostním režimu nebo na úkor celkové velikosti zařízení.

Autor: Michael Couleur - TI

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
Informace o obvodu TPS62650







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (1):

Zobrazit starší 30 dnů (1)...

host
1. Dne 14. 10. 2009 v 13:12 zaslal host
Bez titulku
Zajimavy zpusob rizeni spotreby. Je pravda ze zmena frekvence procesoru je jednodussi, ale ne vsechny to podporuji.


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Bluetooth modul BTM-112
BTM-112 je snadno dostupný Bluetooth modul výrobce Rayson.
Skladem od 208 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007