. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Jak na napájení pro procesory
22. března 2016 - 4:35 | Thomas Schaeffner | Jak na napájení pro procesory | Komentářů: 0  

Jak na napájení pro procesory

Tento článek podrobně popisuje vývoj v oblasti obvodů napájecích zdrojů. Popisované obvody ukazují, jak zlepšení v oblasti topologie obvodů a rozdělení do funkčních bloků umožňují zmenšení rozměrů napájecích zdrojů pro přenosná zařízení.

V přenosných zařízeních, jako jsou přenosné navigační systémy (GPS), mobilní internetová zařízení (MID) a chytré telefony, se objevuje trend integrování různých funkcí na jeden čip. MID jsou počítače do ruky poskytující přístup k síti WLAN a jsou menší než ultramobilní PC, ale větší než chytré telefony. Pro takové použití je integrace jasným trendem, zatímco pro navigační systémy, kde je hlavním kritériem cena, nemusí být rozměr tím, čím je třeba se nejvíce zabývat. Integrace nemusí být nezbytně levnější než použití diskrétních součástek, ale do jisté míry zjednoduší návrh systému, jak bude ukázáno v tomto článku.

Pro čipy integrovaných napájecích zdrojů je klíčovou otázkou rozdělení do funkčních bloků, což znamená řešit otázku, jaké další funkce, které nesouvisí s napájecím zdrojem, budou integrovány na čipu napájecího zdroje. Zatímco do čipů určených pro mobilní telefony nebo chytré telefony mohou být přidávány funkce jako zvukové kodéry/dekodéry (kodeky), nízkofrekvenční zesilovače nebo USB vysílače/přijímače, v aplikacích méně náročných na omezený prostor může být snaha udržet přizpůsobivost pro přidání takových funkcí pomocí diskrétních součástek. Výhodou je přizpůsobení návrhu systému a snazší rozmístění prvků za cenu větší plochy plošného spoje.
Obecné funkce, jako je blokování při podpětí, kontrola napájecího napětí, vypínání při přehřátí, pořadí zapínání a vypínání, mohou být snadno implementovány do integrovaného obvodu pro napájení, protože všechny potřebné signály jsou snadno dostupné uvnitř obvodu, zatímco při řešení s diskrétními součástkami vyžaduje obrovské úsilí implementovat tyto funkce vně. Kromě toho může být spínací kmitočet pro několik integrovaných převodníků synchronizován s jedněmi hlavními hodinami, zatímco diskrétní DC/DC převodníky a zvyšovací převodníky pro bílé LED diody nemohou tuto funkci nabídnout v žádném případě.
Řada prvků TPS6507x od společnosti Texas Instruments byla navržena podle těchto požadavků. Tyto jednotky pro řízení napájení (PMU) jsou zaměřeny na poskytování napájení procesorům přenosných zařízení, jak bylo uvedeno dříve. Aby toho bylo dosaženo s co nejmenším počtem vnějších součástek a vezmeme-li v úvahu, že moderní procesory mění napětí jádra během provozu, výstupní napětí pro různé DC/DC převodníky a regulátory LDO bylo nastaveno na určenou hodnotu požadovanou procesorem tak, aby mohlo být nastaveno příkazem prostřednictvím digitálního rozhraní, jako je např. I2C. To ale znamená, že jednotka PMU musí být vyčleněna pro jeden procesor a musí být nakonfigurována na výchozí hodnoty právě pro tento procesor. Z tohoto důvodu byla uvedena řada jednotek PMU. Protože jsou zaměřeny na přenosné aplikace napájené jedním lithium-iontovým nebo lithium-polymerovým článkem, je soubor požadovaných funkcí následující:

  • Nabíječka lithium-iontových baterií s řízením toku napájení
  • Snižovací převodníky pro vysoce výkonné napájecí sběrnice
  • Regulátory LDO pro napájecí sběrnice s malým výkonem nebo citlivé na šum
  • Zvyšovací převodníky pro podsvícení displeje (wLED)
  • AD převodník s dotykovou obrazovkou
  • Běžné funkce jako reset, spouštění a digitální rozhraní

Přenosné systémy jsou obvykle zapínány stisknutím tlačítka po určitou dobu. Pro jednotku PMU, která pouze nabízí ovládací vývody, není snadné tuto funkci implementovat, protože u takovéhoto tlačítka je třeba potlačit zákmity kontaktů. Jakmile je zařízení zapnuto, pravděpodobně je bude třeba znovu vypnout stisknutím téhož tlačítka. Protože hlavní procesor není napájen, musí být tato činnost provedena technickými prostředky nebo přidáním malého mikrokontroléru s nízkou spotřebou, který je vyhrazen pro tuto funkci. To ale znamená zvýšení ceny systému a požadavek na další prostor. Prvek TPS6507x obsahuje tuto funkci, takže není třeba žádný další mikroprocesor. Ovládací obvod se dvěma vstupy a jednoduchým stavovým strojem uvnitř prvku TPS6507x tuto funkci zajistí a potřebuje pouze typický proud o velikosti 7 µA.


Obr. 1: Funkce zapínání/vypínání obvodu TPS6507x

Stavový stroj je napájen vnitřní napájecí sběrnicí nazvanou AVDD6, která není nikdy vypnutá. Ovládací tlačítko (tlačítko ON) je připojeno ke vstupu označenému /PB_IN. Jakmile je vstup /PB_IN tlačítkem ON připojen na nízkou logickou úroveň, stavový stroj aktivuje potřebné bloky a bude spuštěna zapínací sekvence, která aktivuje DC/DC převodníky a regulátory LDO v předdefinovaném pořadí. Jednotka PMU by se znovu vypnula, jakmile by byl vstup /PB_IN uvolněn, a proto je přidán další vstup, který udržuje systém aktivní i po uvolnění vstupu /PB_IN. Tento vývod je nazván POWER_ON (Napájení zapnuto). Signál o vysoké logické úrovni na vývodu POWER_ON může být dodán buď aplikačním procesorem, nebo jedním z napájecích napětí systému. Vývod POWER_ON musí být stažen na nízkou logickou úroveň, aby se znovu snížilo jeho výstupní napětí, čímž dojde k zastavení napájení procesoru a k vypnutí jednotky PMU. Vývod PB_OUT je u prvku TPS6507x výstup s otevřeným kolektorem, který vytváří stav PB_IN pro aplikační procesor, takže může být použit pro generování přerušení na základě stisknutí tlačítka.

Tab. 1 ukazuje různé verze prvku TPS6507x s ohledem na řazení napájení a výchozí napájecí napětí.

 

 

Určeno pro

Řazení DC/DC převodníků

Řazení regulátoru LDO

Výchozí napětí

TPS65070

OMAP-L138

DCDC_SQ[2..0] = 011
DCDC3 první
DCDC2 druhý
DCDC1 odblokován
vývodem EN DCDC1

LDO_SQ[2..0] = 001

LDO1 a LDO2 jsou odblokovány ve stejnou dobu poté, co poklesl  DCDC3

DCDC1 = 3,3 V
DCDC2 = 1,8 V nebo 3,3 V
DCDC3 = 1,0 V nebo 1,2 V
LDO1= 1,8 V
LDO2= 1,2 V

TPS65072

Sirf Atlas 4

DCDC_SQ[2..0] = 111
DCDC1 a DCDC2 druhé
DCDC3 s  vývodem EN DCDC3

LDO_SQ[2..0] = 010
LDO2 první
LDO1 s  vývodem EN
DCDC3

DCDC1 = 3,3 V
DCDC2 = 1,8 V
DCDC3 = 1,2 V nebo 1,4 V
LDO1= 1,2 V
LDO2= 1,2 V

TPS65073

OMAP3503
OMAP3515
OMAP3525
OMAP3530

DCDC_SQ[2..0] =101
Podporuje režim SYS-OFF

LDO_SQ[2..0] = 001

DCDC1 = 1,8 V
DCDC2 = 1,2 V
DCDC3 = 1,2 V
LDO1= 1,8 V
LDO2= 1,8 V

TPS650731

OMAP35xx

DCDC_SQ[2..0] = 110
Vnitřní řazení, které nepodporuje hardwarový SYS-OFF-MODE
DCDC1 první
DCDC2 třetí
DCDC3 čtvrtý
LDO_SQ[2..0] = 011
LDO1 druhý
LDO2 prostřednictvím
rozhraní I2C
DCDC1 = 1,8 V
DCDC2 = 1,2 V
DCDC3 = 1,2 V
LDO1= 1,8 V
LDO2= 1,8 V

TPS650732

OMAP3505

OMAP3517

DCDC_SQ[2..0] = 110
DCDC1 první
DCDC2 druhý
DCDC3 třetí

LDO_SQ[2..0] = 001

LDO1 = LDO2 čtvrtý

DCDC1 = 1,8 V
DCDC2 = 3,3 V
DCDC3 = 1,2 V
LDO1= 1,8 V
LDO2= 1,8 V

Tab. 1: Verze prvku TPS6507x


Obr. 2: Blokové schéma TPS6507x

Obr. 2 představuje blokové schéma. První blok, o kterém budeme hovořit, je nabíječka s řízením toku napájení. Řízení toku napájení je sestava spínačů oddělujících baterii od zátěže takovým způsobem, že baterie je připojena k zátěži, jestliže na vstupu systému není napětí. Je-li na vývodech AC nebo USB nebo na obou vstupní napětí, je toto napětí na vývodech AC nebo USB připojeno k zátěži a baterie je nabíjena oddělenou cestou. To umožňuje nabíjení baterie nezávisle na proudu zátěže, pokud vstupní zdroj poskytuje dostatečný proud jak pro zátěž, tak pro baterii. V případě, že schopnost zdroje dodávat proud (obvykle síťový adaptér nebo USB kabel) není dostatečná pro napájení zátěže, ani pro plný nabíjecí proud, je proud používaný k nabíjení baterie snížen tak, aby byl dodáván proud nezbytný pro napájení zátěže a udržení napětí na výstupu napájecí cesty na vývodu SYS. Tato funkce se nazývá dynamické řízení toku napájení (DPPM).

Kromě nabíječky jsou zde také tři snižovací převodníky pro napájení těch napájecích sběrnic, které vyžadují vysoký napájecí proud, jako je napájení GPIO, napájení paměti a napájení jádra procesoru. Tento systém může být nakonfigurován také tak, že procesory obsahující dvě jádra mohou být napájeny způsobem, jaký je požadován pro řadu OMAP35xx, pro jejich jádra ARM a DSP. Všechny tři snižovací převodníky podporují dynamické škálování napětí prostřednictvím rozhraní I2C, a proto výstupní napětí může být měněno během provozu. Zatímco převodník DCDC1 má jedno předdefinované výstupní napětí, převodníky DCDC2 i DCDC3 mohou být nastaveny na jedno ze dvou předdefinovaných napětí změnou logické úrovně na vstupech nazvaných DEFDCDC2 a DEFDCDC3. Maximální stejnosměrný výstupní proud z každého snižovacího převodníku s kmitočtem 2,25 MHz je v závislosti na použité verzi až 1,6 A.

Dva regulátory LDO 200 mA se obvykle používají pro ty napájecí sběrnice procesoru, které jsou citlivé na šum, jako jsou napětí pro PLL, nebo mají prostě tak malý proud na to, aby vyžadovaly snižovací převodník, jako jsou sběrnice pro klidové napětí nebo napájecí napětí pro hodiny reálného času (RTC). Jeden z regulátorů LDO podporuje funkci dynamického škálování napětí, která volitelně sleduje napětí jádra u procesorů, které v režimu sníženého příkonu potřebují napětí pro “život“ jádra”.

Bílé LED diody pro podsvícení displeje jsou konfigurovány buď do jedné, nebo několika řad, nebo jsou pro velmi malé displeje uspořádány paralelně. Větší displeje, jako jsou 3,5palcové nebo 4,3palcové, jsou obvykle konfigurovány jako jedna řada o 10 LED diodách nebo dvě řady o 6 LED diodách. Pro takovéto konfigurace musí být malé napětí lithium-iontových článků zvýšeno na mnohem větší napětí o hodnotě 18 až 35 V. Toho je dosaženo induktivním zvyšovacím převodníkem. Takové převodníky jsou konfigurovány buď tak, že generují konstatní napětí, které je regulováno vůči napětí na odporu snímajícímu proud LED diody, nebo pomocí odvaděče proudu tak, že proud je regulován jednou regulační smyčkou a druhá regulační smyčka reguluje výstupní napětí potřebné pro řízení proudu. Zvyšovací převodník v prvku TPS6507x je druhého typu. Má dvě regulační smyčky a může ovládat jednu nebo dvě řady LED diod. Zvyšovací převodník generuje pro napájení až 10 bílých LED diod (wLED) v řadě napětí až 37 V. Řešením pro oba typy displejů jsou dva odvaděče proudu, nazvané ISINK1 a ISINK2, které poskytují regulovaný tok proudu řadou buzených LED diod do země (GND). Pro displeje s jednou řadou LED diod musí být oba vývody spojeny a o proud se podělí oba odvaděče proudu.


Obr. 3: Zvyšovací převodník pro bílé LED diody s odvaděči proudu

Induktivní zvyšovací převodník o kmitočtu 1,1 MHz automaticky generuje napětí v závislosti na počtu LED diod připojených k odvaděčům proudu. Jakmile je napětí na výstupu zvyšovacího převodníku příliš nízké pro dosažení potřebného proudu, který protéká LED diodami do odvaděčů proudu, zvyšovací převodník zvýší své výstupní napětí. Jakmile je překročeno napětí na LED diodách v propustném směru, proud začne téci do odvaděčů proudu. Výstupní napětí na zvyšovacím převodníku je regulováno tak, že na odvaděčích proudu je minimálně napětí 0,4 V, aby bylo možno přesně proud regulovat. To platí pro konfiguraci se stejným počtem LED diod v obou řadách, což je obvyklý případ. Jestliže se v jednotlivých řadách počet LED diod liší, pokles napětí na odvaděčích proudu bude rozdílný, ale regulovaný protékající proud bude pořád stejný, tzn. takový, jak byl nastaven výchozím odporem mezi vývodem ISET2 a zemí (GND). Vývod ISET1 poskytuje druhý výchozí proud a může být spínán prostřednictvím rozhraní I2C. Stmívání wLED diody probíhá vnitřně pomocí PWM signálu, který spíná a vypíná odvaděče proudu pevným kmitočtem 200 Hz. Střídu a PWM kmitočet pro stmívání lze měnit prostřednictvím rozhraní I2C.
Přepěťová ochrana na vývodech FB_wLED, ISINK1 a ISINK2 chrání tento prvek v případě odpojení LED diod.
Kromě funkcí vztahujících se k napájecímu zdroji je zde ještě k dispozici 10bitový AD převodník, který lze nakonfigurovat buď jako samostatný AD převodník, nebo jako řadič dotykové obrazovky.
S popsanými funkcemi poskytuje prvek TPS6507x kompletní řešení napájení pro různé aplikace v jediném čipu.

Autor: Thomas Schaeffner - Texas Instruments

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
TPS6507x Single-Chip Power Management ICs







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

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
RTL SDR-3+
Nová generace moderních, snadno použitelných RTL SDR přijímačů vychází z vynikajících vlastností obvodů R820T.
Skladem od 1490 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