. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Obvody správy napájení omezují velikost řešení na polovinu

Obvody správy napájení omezují velikost řešení na polovinu

Následující článek popisuje současný vývoj v oblasti integrovaného řešení napájení, poskytujícího menší velikosti cílového řešení. Toho je dosaženo použitím čipu ve vhodném pouzdře a samozřejmě i optimálním návrhem celého systému, umožňujícím použití menšího množství externích komponent.

Jak se port USB stává standardním rozhraním, spoléhá dnes stále větší řada aplikací na jediné, 5V napájecí napětí, přítomné na tomto portu. Většina aplikací, jako jsou WiMax modulu, komunikační karty (modemy s podporou komunikačních systémů GPRS, EDGE nebo UMTS), TV karty nebo kamery, nabízejí podporu USB portu a schopnost práce při napájecím napětí 5V. Kvůli proudovému omezení, představujícímu limit 500 mA na USB 2.0, musí být tyto aplikace navrženy tak, aby jejich požadavek nepřesahoval daný limit. Přesto však existují specifické aplikace, které tuto normu překračují.

Z omezení maximálního proudu odebíraného aplikací vyplývá, že její napájecí zdroj musí být navržen s velmi dobrou účinností. „Velmi dobrou“ účinnost není problém dosáhnout především u aplikací, které mají jen velice malý vlastní příkon a tak v nich lze s výhodou použít i klasické LDO regulátory. U komunikačních prvků, které obsahují výkonový procesor a vysokofrekvenční koncový stupeň, je však situace zcela odlišná. Takové aplikace se prakticky neobejdou bez obvodu pro správu napájení s vysokou účinností, neboť zde nejsme omezováni jen příkonem, ale i celkovým ztrátovým výkonem, nutným odvézt ze zařízení v podobě tepla. Vzhledem k malé ploše moderních USB zařízení, ne výjimečně podobajících se paměťové kartě, je ztrátový výkon často limitujícím faktorem i pro design.

Například obvody typu TPS65051, od společnosti Texas Instruments, poskytují malé řešení s vysokou účinností. V zařízeních typu komunikačních karet nebo WiMax produktů velikosti klíčenky, umožňují zajištění často používaného napětí 3,6 V (z 5 V portu USB) pro RF-PA (vysokofrekvenční koncový stupeň) a 1,8 V pro procesor, I/O nebo paměti. Dodatečná napětí, jako jsou 1,2 V a 2,5 V vyžadující malý proud, mohou být generovány integrovanými LDO stabilizátory v obvodu TPS65051. LDO stabilizátory mají výhodu především v případě nízkých příkonů a požadavku specifických napětí, kde mohou zajistit vysokou účinnost.

Obvody TPS65051 jsou integrovány v QFN pouzdru s rozměry 4 x 4 mm a obsahují dva snižující spínané regulátory, čtyři LDO s vysokým PSRR a obvody pro generování resetovacího signálu pro procesor. Vysoká hodnota PSRR (Power Supply Rejection Ratio) je dosažena rozšířenou filtrací interního referenčního napětí pro vlastní LDO obvody v TPS65051. Tím jsou produkovaná napětí vhodná i do aplikací, kriticky závislých na nízkém šumu a zvlnění. Z uvedeného provedení vyplývá vysoká flexibilita obvodů TPS65051, neboť poskytují externě nastavitelná a povolovaná napětí, stejně jako tři LDO stabilizátory se samostatnými vstupy.


Obr. 1: Blokový diagram TPS65051

Kromě požadavků na externí připojení k USB sběrnici jsou rovněž využívány i integrované USB zařízení, pracující bez požadavku na uživatelskou instalaci. Příkladem mohou být fotoaparáty v noteboocích. Jde tedy o aplikaci, sdílející víceméně stejné požadavky, jako aplikace připojené k USB externě. Pro moduly fotoaparátů jsou však napájecí požadavky méně důležité, než v případě externích komunikačních zařízení a stejně tak i počet vyžadovaných napájecích napětí je nižší. Pro tyto aplikace nabízí rodina obvodů TI TPS65000 řešení kupříkladu jen s jediným snižujícím převodníkem a dvěma LDO. Dostupné například v pouzdrech QFN s rozměry 3 x 3 mm.


Obr. 2: Blokový diagram TPS65000

Vzhledem k tomu, že kamera v noteboocích bývá umístěna v tenkém krytu displeje, bývají i zde poměrně značná prostorová omezení. V těchto případech je třeba volit taková řešení, která vyžadují pouze minimální prostor na desce s plošnými spoji.
Pro tyto prostorově omezené aplikace jsou navrženy obvody z řady TPS65705x.

Obvody z této řady jsou dostupné v pouzdrech s rozměry jen 2 x 2 mm. S cílem snížit plochu na desce s plošnými spoji, se zde používají nejmenší externí komponenty a minimalizuje se jejich počet. Rodina těchto obvodů tak pracuje s nejmenšími dostupnými keramickými kondenzátory, jakož i indukčnostmi s hodnotou jen 2,2 uH a rozměry nepřesahujícími 1,6 x 0,8 mm.


Obr. 3: Blokový diagram TPS65705x

Obvody řady TPS65705x integrují dva 400 mA snižující regulátory a jeden LDO. Výstupní napětí jsou nastavena pevně, čímž odpadá nutnost použití externích nastavovacích rezistorů. Specifická výstupní napětí jsou u výrobce k dispozici na vyžádání. TPS65705x však obsahuje tři piny umožňující zapnutí a vypnutí DC/DC převodníků a LDO. Volitelný je rovněž i vstup LDO, který lze spojit buď s napájením na vývodu Vcc, VIN1, VIN2, nebo s libovolným jiným napětím v systému, které splňuje požadovaný rozsah vstupního napětí. Například tedy i s výstupem jednoho z DC/DC konvertorů. Tím je možné udržet rozdíl napětí na LDO na minimální velikosti a zajistit tak nejvyšší účinnost.

Ještě o krok dál v integraci je obvod TPS65720. Kromě snižujících převodníků a LDO, integruje rovněž i nabíječku pro Li-Ion nebo Li-Polymer baterie. Obvod tak představuje kompletní řešení napájení včetně nabíjení napájecí baterie a power managementu, starajícího se o inteligentní volbu zdroje mezi externím vstupem a baterií, pokud je již plně nabitá. Samozřejmě zcela nezávisle na výstupním proudu.
I obvod TPS65720 je určen do aplikací s minimem prostoru, je tedy dodáván v pouzdru s rozměry 2 x 2 mm a 0,4 mm BGA piny (kuličkami). Pro méně prostorově náročné aplikace je k dispozici obvod TPS65721, vyráběný v klasickém QFN provedení s rozměry 4 x 4 mm. K dispozici je tak maximálně kompaktní provedení i provedení s větší flexibilitou, díky externě programovatelnému výstupnímu napětí.

U přenosných systémů je obvykle zapínání řešeno stiskem tlačítka po určitou dobu. Pro PMU to znamená poskytnutí příslušných pinů, neboť v opačném případě je provedení této funkce komplikovanější. Jakmile je aplikace zapnutá, může být vypnuta opět stiskem tohoto tlačítka. Jelikož ve vypnutém stavu neběží ani hlavní procesor, musí být tato funkce realizována pouze pomocí hardwaru, nebo přidáním malého, nízkopříkonového mikroprocesoru, určeného speciálně pro tuto funkci. Takové řešení však zvyšuje náklady a vyžaduje i další prostor na desce, což je zcela vyloučené u i již tak prostorově náročných aplikací. Obvody z řady TPS6572x poskytují tuto funkci interně, čímž odpadají veškeré problémy s dalším mikroprocesorem. Funkce je realizována pomocí dvou vstupů a jednoduchého stavového automatu uvnitř TPS6572x, realizujícího požadovanou funkci při typické vlastní spotřebě pouhých 12 uA.


Obr. 4: Blokový diagram TPS65720

Obrázek 4 ukazuje blokové schéma, složené z nabíječky a napájecího obvodu. V cestě napájení je zde řada spínačů oddělujících baterii od zátěže tak, že je baterie připojena k zátěži pouze pokud není přítomno dostatečné externí napájení z vnějšího zdroje. Pokud je přítomno vstupní napětí na pinu AC, je toto připojeno k zátěži a baterie se nabíjí přes samostatnou cestu. To umožňuje nabíjení baterie nezávisle na zatěžovacím proudu tak dlouho, dokud je vstupní zdroj schopen dodat potřebný proud pro systém i baterii. V případě, že aktuální schopnost napájení (typicky z malého síťového adaptéru nebo USB portu) není dostatečná pro poskytnutí požadovaného proudu i plného nabíjecího proudu, je funkce omezena pouze na zásobování zařízení a udržení napětí na výstupu a pinu SYS. Tato funkce je označována jako Management dynamické volby napájecích cest – DPPM (Dynamic Power Path Management). Uvedený obvod TPS65720 implementuje blok nabíjení, který do baterie typu Li-Ion umožňuje dodat proud až 300 mA. Dále je k dispozici omezení vstupního proudu na 100 mA a 500 mA, stejně jako úsporný režim, který snižuje vstupní proud až na typických 50 uA.

Výstupní pin SYS (označovaný rovněž jako Power path/charger) je využíván k řízení snižujícího měniče, který je optimalizován pro vysokou účinnost při nízkém výstupním proudu. Ten se automaticky přepíná mezi provozními režimy PFM a PWM, avšak může být rovněž provozován i čistě v PWM režimu. Především v případě požadavku na zajištění nejmenšího zvlnění výstupního napětí. Tato konfigurace se provádí povelem z I2C sběrnice.

Obvody LDO v TPS6572x s maximálním výstupním proudem 200 mA jsou optimalizovány pro nízké vstupní napětí a nízký vlastní klidový proud. Mohou tak být napájeny například i z okolních snižujících převodníků a navíc umožňují i mírnou regulaci svého pevného výstupního napětí, poskytujícího nominálně 1,85 V z 2,05 V vstupního napětí.

Pomocí standardního rozhraní typu I2C je možné nastavit výstupní napětí LDO z obvodu TPS65720 v rozmezí od 0,8 V do 3,3 V. Obdobně externě konfigurovatelné je výstupní napětí LDO i v TPS65721.
Čtyři dostupné GPIO piny lze využít k rozšíření pinů řídicího procesoru v podobě obecných vstupních nebo výstupních portů. Dva z dostupných pinů přitom mohou být nastaveny současně jako proudový zdroj tak, aby LED připojené mezi napájecím napětím a GPIO byla napájena konstantním proudem 5mA. Tedy zcela bez omezovacího rezistoru. To umožňuje zajištění optimálního buzení pro celý rozsah napájecího napětí a minimalizuje počet vnějších komponent.

Rozhraní I2C a množství dostupných registrů, podporuje širokou škálu programovatelných možností nabíjení, stejně jako kupříkladu volbu zdroje přerušení. Nadřazený procesor tak může velice snadno reagovat například na události typu: "baterie plně nabitá", "napětí připojeno k nabíječce" nebo "uživatelské tlačítko bylo stisknuto“.

Uvedená zařízení umožňují návrh účinných řešení, optimalizovaných pro cílové aplikace, jako jsou datové karty, moduly fotoaparátů, nebo zařízení standardu Bluetooth. Vzhledem ke své flexibilitě, mohou být však snadno použity i v celé řadě dalších řešení, vyžadujících regulovatelné nebo pevné výstupní napětí.

Autor: Thomas Schaeffner, Texas Instruments

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
Přehled distributorů

Informace o obvodech TPS65051
Informace o obvodech TPS65000
Informace o obvodech TPS657051
Informace o obvodech TPS65720







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 07. 09. 2010 v 08:51 zaslal host
Bez titulku
Nedávno mě nabídka TI z oblasti správy napájení docela zklamala. Hledal jsem obvod pro vytvoření ATX napájení ze vstupních 12V a nikdo nic takového nedělá. Přitom různých ombedded zařízení je všude víc než dost.


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Anténa 2J020 - 900/1800/2400MHz
Anténa 900/1800/2400MHz, přímá s konektorem SMA.
Skladem od 83 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