. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Optimalizace spotřeby energie pomocí integrovaných spínačů napájení

Optimalizace spotřeby energie pomocí integrovaných spínačů napájení

Článek shrnuje důležité technické údaje, které musí být brány v úvahu při spínání zátěže v mobilní elektronice. Dále pak přezkoumává tradiční řešení a demonstruje, jak mohou integrované výkonové spínače pomoci návrhářům při tvorbě optimalizovaných řešení.

V širokém spektru koncových zařízení, včetně přenosné elektroniky, jako jsou například mobilní telefony, přenosná spotřební elektronika, notebooky a další zařízení, roste potřeba využívání výkonových polovodičových spínačů. Tyto spínače jsou ve stále větší míře využívají v obvodech řízení spotřeby, pro distribuci výkonu z jednoho napájecího zdroje, nebo pro možnost odpojení nevyužívaných periferií (jako jsou například bezdrátové komunikační moduly, obrazové moduly, mechaniky paměťových karet, LCD displeje apod.) s cílem snížení ztráty výkonu a optimalizace spotřeby celého systému.

U nových návrhů přenosných a mobilních zařízení roste potřeba vícenásobných napájecích sběrnic, umožňujících zajištění možnosti připojení a odpojení napájení pro různé periferie dostupné na desce. Vypnutím zvolené periferie v případě její nečinnosti může návrhář zabránit ztrátám proudu v periferiích a pomoci optimalizovat celkovou spotřebu systému. Jedním z možných způsobů, jak toho dosáhnout, je použít stavební prvky v místě spotřeby (point-of-load (POL)) jako jsou DC/DC převodníky nebo napěťové regulátory s nízkým úbytkem napětí typu LDO (low drop out), jak je ukázáno na prvním řešení obr. 1. V tom případě lze použít ovládací vývody pro vypínání napájecích sběrnic v době, kdy nejsou potřebné. Toto řešení však vyžaduje zvýšený počet obvodových prvků, což s největší pravděpodobností povede k potřebě zvětšení velikosti desky a ceny.

Jiným možným řešením požadavku distribuce a vypínání napájecích sběrnic je použití jednoduchého výkonového spínače zátěže, jak je uvedeno ve druhém řešení obr. 1. V praxi je této metodě obvykle dávána přednost, neboť uživateli umožňuje poskytnout funkce, podobné prvnímu řešení, ale s menšími nároky na velikost desky a na koncovou cenu, protože nabízené spínače jsou obvykle menší a cenově dostupnější než DC/DC převodníky.


Obr. 1: Řešení architektury spínání napájení modulu fotoaparátu

Výkonové spínače zátěže se obvykle sestávají z P-kanálového tranzistoru typu MOSFET nebo tranzistoru PMOS, jehož hradlo je řízeno tranzistorem NMOS (viz obr. 3). V ideálním případě uživatel požaduje, aby signál na výstupu spínače zátěže byl stejný jako na jeho vstupu, v reálném provedení je však výstupní signál pozměněn v důsledku parazitních jevů spínače.

Pro návrh řešení se spínači zátěže uvádíme nejdůležitější parametry, které je třeba brát v úvahu:

  • rON – odpor v sepnutém stavu mezi kolektorem a emitorem pro průchozí tranzistor FET
  • tRISE – doba náběhu spínače
  • VIH/VIL – řídící úrovně spínače
  • ICC a ISHUTDOWN – proud v klidovém a vypnutém stavu
  • funkce rychlého vybití na výstupu

Jedním z kritických parametrů je odpor spínače v sepnutém stavu, protože ten ovlivňuje úbytek napětí, který se objeví na spínači. Ten je potřeba respektovat při každém nového návrhu, využívajícím výkonové spínače. Návrhář si musí být vědom, k jakému přijatelnému úbytku napětí může dojít vzhledem k nastaveným parametrům aplikace (napětí, proud), tyto mohou být snadno vypočítány z rovnice ,
kde V je úbytek napětí, rON je odpor tranzistoru FET v sepnutém stavu a I je proud procházející spínačem.

V následujícím příkladě je maximální povolený úbytek na spínači 0,026V. Odpor spínače v sepnutém stavu musí být tedy menší než a to v celém teplotním rozsahu při vstupním napětí (VIN) rovném 1,2V.


Obr. 2: Příklad aplikace pro napájecí sběrnici 1,2V

U tranzistoru PMOS je odpor rON závislý na vstupním napětí spínače. Průběh rON je uveden na obr. 3. Z průběhu je zřejmé, že odpor v sepnutém stavu vzrůstá s klesajícím vstupním napětím. V důsledku toho musí návrhář pečlivě volit spínač podle kombinace napětí/proud, který potřebuje řídit.


Obr. 3: Závislost odporu v sepnutém stavu na vstupním napětí pro TPS22922

Dalším kritickým parametrem, který musí vzít návrhář v úvahu, je náběhový proud generovaný při sepnutí spínače. Jestliže spínač sepne, aniž by byl řízen, vznikne velký náběhový proud, který by mohl mít za následek úbytek napětí na napájecí sběrnici na vstupu spínače. To může ve svých důsledcích ovlivnit funkčnost celého systému.

Náběhový proud může být vypočítán z následujícího vzorce

Tak například při CLOAD = 1µF, V = 3V a době náběhu 1µs může náběhový proud dosáhnout hodnoty až 3A!
Snadným způsobem, jak se zbavit takového náběhového proudu je prodloužení náběhové doby. U takového řešení se bude výstupní kondenzátor nabíjet pomalu, čímž se sníží špičkový proud. V uvedeném příkladu by měla náběhová doba o délce 200µs za následek náběhový proud o velikosti 15mA, což je již přijatelná hodnota.

Kromě toho při rozepnutí výkonového spínače je v některých případech výhodné zajistit sepnutí dalšího tranzistoru pro rychlé vybití výstupu, aby se sběrnice nestala plovoucí.

Výkonové spínače zátěže se používají v řadě aplikací a jsou běžně navrhovány s použitím kombinace diskrétních polovodičů (PMOS, NMOS, kondenzátory a odpory). Typické zapojení je představeno na obr. 4.


Obr. 4: Typická implementace spínače zátěže s diskrétními prvky

Tranzistor PMOS je vlastní výkonový spínač připojené zátěže, jehož hradlo je ovládáno běžným N-kanálovým tranzistorem MOS (NMOS). Logická jednička, poskytnutá mikroprocesorem sepne tranzistor PMOS tím, že připojí jeho hradlo k zemi prostřednictvím tranzistoru NMOS, zatímco logická nula vypne tento spínač tím, že vypne tranzistor NMOS, čímž je hradlo tranzistoru PMOS připojeno k napájení přes vnější odpor typu pull-up. Velikost tranzistoru PMOS závisí na požadovaném odporu rON a samozřejmě i velikosti připojené zátěže. Velký výkonový tranzistor PMOS je zapotřebí také v případě, chceme-li spínat s malým úbytkem i malé proudy. Aby bylo možné řídit dobu přechodu (dobu náběhu) tranzistoru PMOS, je použit RC člen pro změnu celkové časové konstanty, jak je uvedeno na obr. 4.

Je důležité, aby vstupní napětí výkonového tranzistoru FET zůstalo vyšší, než je jeho výstupní napětí. V opačném případě dojde k propojení vstupu prostřednictvím vnitřní diody tranzistoru PMOS, což způsobí, že z výstupu na vstup poteče i značný proud.

Toto řešení, realizované na diskrétních součástkách, lze celkem snadno přizpůsobovat, ale není optimalizováno z hlediska plošných rozměrů celého řešení, obzvláště při spínání napájecí sběrnice o nízkém napětí, kdy si nemůžeme dovolit velké napěťové úbytky. V převážné většině případů bude tranzistor PMOS s nízkým odporem rON větší než 5 mm2 (případně u dražších typů jen 1,5 mm2) a standardní tranzistor NMOS bude mít rozměr zhruba 2,5 mm2. Když přidáte dvojici odpor a kondenzátor, celková plocha nebude příliš větší než zhruba 6,5 mm2, pravděpodobně i větší než 10 mm2, podle použitých pouzder a to navíc neuvažujeme plochu potřebnou pro rozmístění součástek.

Jiným řešením je použití regulátoru LDO, což je řešení zajímavé, protože jsou obecně nabízeny v malém pouzdře. Velkou nevýhodou regulátoru LDO je však jeho slabina v případě nízkonapěťových systémů. Cenově dostupné regulátory LDO mají úbytek v rozsahu od 100 do 200 mV, což ve většině případů při spínání nízkonapěťových sběrnic není přijatelné. V příkladu znázorněném na obr. 2 není řešení s regulátorem LDO použitelné, neboť úbytek na regulátoru LDO (>100 mV) je větší než největší úbytek povolený na celém spínači. V některých případech bude problémem i spotřeba regulátoru LDO, která bývá v průměru 50 µA.

Třetím, a velmi pravděpodobně optimálním řešením je použití integrovaného výkonového spínače zátěže, který kombinuje všechny vlastnosti při použití diskrétních součástek. Integrované spínače jako jsou typ TPS22901 nebo TPS22902 od firmy Texas Instruments jsou navrženy se zřetelem na řešení požadavků, se kterými se setkávají návrháři řízení spotřeby přenosných zařízení. Integrují všechny hlavní funkce diskrétních spínačů na jednom čipu, čímž poskytují koncovému uživateli maximální funkčnost a zároveň pružnost.

Moderní integrované výkonové spínače zátěže typicky nabízejí:

  • P-kanálový tranzistor FET s mimořádně nízkým odporem rON
  • Interně nastavitelnou dobu přechodu bez vnějších součástek
  • Nízkou úroveň řídícího vstupu
  • Mimořádně malé pouzdro
  • Proud v klidovém a vypnutém stavu < 1µA
  • Vybíjecí výstupní tranzistor

Protože hlavním faktorem ovlivňujícím rozměry čipu takového prvku je odpor v sepnutém stavu, mohou si návrháři vybrat prvky s různými hodnotami odporu rON přesně podle požadavků jejich aplikace a mohou tak optimalizovat cenu jejich řešení.

Hlavní výhodou integrovaného spínače zátěže je jeho rozměr. Jak již bylo řečeno, implementace s diskrétními součástkami zabere plochu větší než 6,5 mm2, zatímco podobné integrované řešení jako je nový spínač TPS22901 s rozměrem pouzdra ve velikosti čipu zabere pouze 0,64 mm2, což je plocha více než desetkrát menší!

Další zajímavou výhodou je snadnost jejich použití. V případě implementace diskrétních součástek musí uživatel vybrat pět prvků a vhodně je propojit. Integrované řešení je odzkoušené a snadno a rychle použitelné provedení. A konečně pro uživatele, kteří neradi vidí plovoucí napětí na napájecí sběrnici při vypnutí spínače, nabízí integrované řešení schopnost rychle vybít výstupní sběrnici prakticky bez zvýšení nákladů.

A na závěr, použití integrovaných spínačů zátěže je správnou cestou pro implementaci architektury řízené distribuce výkonu a vypínání aplikací, které nejsou používány. Integrované spínače zátěže pokračují při řešení požadavků návrhářů dále tím, že poskytují pružnost a snížený počet obvodových prvků při současném zvýšení celkové spolehlivosti.

Autor: Philippe Pichot - TI

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







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:
PU232S - Převodník USB/RS232
Převodník USB / RS232 s obvody FTDI a plným sériovým portem RS232 Full.
Skladem od 395 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