Sorry, you have been blocked
This website is using a security service to protect itself from online attacks. The action you just performed triggered the security solution. There are several actions that could trigger this block including submitting a certain word or phrase, a SQL command or malformed data.
What can I do to resolve this?
You can email the site owner to let them know you were blocked. Please include what you were doing when this page came up and the Cloudflare Ray ID found at the bottom of this page.
Cloudflare Ray ID: 75b70d1bfd72c219 • Your IP: Click to reveal 155.133.64.137 • Performance & security by Cloudflare
Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства
Интегральные импульсные преобразователи SIMO PMIC производства Maxim Integrated, такие как MAX77278, MAX77640, MAX17271 позволяют минимизировать место на плате и повысить эффективность преобразования для портативных устройств интернета вещей с различными требованиями к электропитанию и разным набором дополнительных функций.
Промышленность беспроводных устройств интернета вещей (Internet of Things, IoT) производит большое количество устройств с батарейным питанием. И хотя базовая система управления питанием от батарей всем хорошо понятна, конкретная конфигурация будет зависеть от технологий батареи (батарея/аккумулятор, химический состав или форм-фактор) и ограничений нагрузки (напряжение, ток или чувствительность к шуму). Из-за этих ограничивающих факторов может показаться, что системы питания должны быть реализованы на отдельных компонентах, как, например, в типовой системе на рисунке 1. Но подобный подход противоречит другому важному требованию к портативным устройствам – минимизации размеров. В статье мы рассмотрим три примера портативных устройств с настолько различными требованиями к питанию, что решение использовать несколько составных блоков в системе питания может показаться для выполнения этих требований неизбежным. Но, как мы увидим, комплексный подход к управлению питанием, основанный на преобразователе с архитектурой SIMO, может упростить эту проблему.
Комплексный подход к питанию
При построении систем управления питанием портативных устройств архитектура SIMO помогает преодолеть низкую эффективность энергопотребления и уменьшить площадь на печатной плате, характерные для, традиционных решений с несколькими импульсными стабилизаторами напряжения (каждый – со своей катушкой индуктивности) или несколькими линейными стабилизаторами напряжения.
Хотя микросхема SIMO-преобразователя и является большим шагом вперед в объединении составных блоков систем питания, для построения более сложных систем могут потребоваться дополнительные функции. Возникает вопрос: возможно ли объединить базовый преобразователь SIMO с другими вспомогательными функциональными блоками, ограничив всю систему управления питанием пределами одной микросхемы?
Ниже приводятся примеры применения технологии SIMO в трех разных портативных приложениях.
Типовая система питания от аккумуляторов
Для сравнения возьмем типовую систему питания от аккумуляторных батарей, построенную на отдельных устройствах (рисунок 1). Сетевой адаптер переменного тока осуществляет заряд аккумулятора через зарядное устройство (CHARGER), если оно присутствует, а питание нагрузки – через ключ SW2. При отсутствии напряжения на разъеме подключения адаптера в работу вступает аккумулятор, запитывая систему через ключ SW1. Ограничения в размерах и стоимости обычно заставляют разработчиков использовать несколько LDO-стабилизаторов и один импульсный понижающий стабилизатор (BUCK), который обеспечивает питание нагрузки с наибольшей потребляемой мощностью. Дополнительно могут потребоваться один или несколько драйверов светодиодов для обеспечения питанием ИК-пульта дистанционного управления или индикации с помощью RGB-светодиодов.
Рис. 1. Типовая схема питания аудиогарнитуры
В следующих разделах мы адаптируем эту систему для трех разных устройств.
Система питания от аккумуляторов на SIMO PMIC-преобразователе
На рисунке 2 показан полностью интегральный подход к системе питания от аккумуляторов на базе SIMO PMIC-преобразователя. Сравним его с дискретным подходом, показанным на рисунке 1:
- Эффективное обеспечение питания двух нагрузок с помощью двух импульсных понижающе-повышающих (buck-boost) преобразователей (BB3, BB2) вместо линейных LDO-стабилизаторов (LDO3 и LDO2 на рисунке 1);
- третий понижающе-повышающий импульсный преобразователь (BB1) заменяет собой понижающий импульсный преобразователь BUCK (на рисунке 1);
- для чувствительных к шуму нагрузок в систему интегрирован линейный стабилизатор LDO1;
- в микросхему интегрирован драйвер светодиодов (LED DRIVER);
- зарядное устройство и коммутаторы на рисунке 1 встроены в блоки зарядного устройства (CHARGER) и тракта питания (POWER PATH) на рисунке 2.
Рис. 2. Система питания от аккумуляторов на преобразователе SIMO PMIC1
Преимущества в энергоэффективности и размерах при использовании импульсного преобразователя SIMO по сравнению с решением на базе линейных стабилизаторов очевидны. А использование импульсных понижающе-повышающих преобразователей, которые стабилизируют выходное напряжение, даже когда входное напряжение падает ниже выходного, позволяет полностью использовать эффективную емкость аккумулятора.
Пример 1. Пульт дистанционного управления с зарядкой аккумуляторов
Пульты дистанционного управления, поддерживающие зарядку аккумуляторов, например, пульты для телевизоров или систем умного дома, требуют, чтобы система управления питанием включала в себя зарядное устройство и драйвер для инфракрасного светодиода.
Для подобной системы идеально подходит SIMO PMIC-преобразователь MAX77278. Он включает в себя линейное зарядное устройство (375 мА), понижающе-повышающий преобразователь SIMO с тремя выходами (общий ток 300 мА), драйвер светодиодов (425 мА) и LDO-стабилизатор (50 мА). Настройка и проверка состояния устройства возможны с помощью двунаправленного интерфейса I 2 C.
Реализация зарядного устройства и коммутаторов в PMIC-преобразователе показана на рисунке 3. Схема Smart Power Path распределяет питание между запитываемой системой (SYS) и аккумулятором. Петля управления входом (INPUT CONTROL) при наличии питания от адаптера переменного тока стабилизирует напряжение питания системы (SYS) на уровне 4,5 В (VSYS—REG). В этом случае зарядное устройство – транзистор T2 и связанный с ним элемент управления – получает питание с вывода SYS и заряжает аккумулятор. При отсутствии входного напряжения питания от адаптера переменного тока аккумулятор питает блоки микросхемы SIMO PMIC-преобразователя, и вся система запитывается через транзистор T2. Данная конфигурация более эффективно использует компоненты по сравнению со схемой на рисунке 1, поскольку T2 выполняет две задачи: служит как проходной транзистор в линейном зарядном устройстве, когда питание поступает от адаптера переменного тока, и работает как ключ, когда отсутствует напряжение с адаптера переменного тока.
Рис. 3. Схема Smart Power Path. Разделение токов нагрузки и заряда аккумулятора
Благодаря импульсным стабилизаторам в схеме SIMO и малому падению напряжения на LDO-стабилизаторе этот небольшой PMIC-преобразователь в корпусе WLP размером 2,15×3,15×0,5 мм обеспечивает питание системы с минимальными потерями места на печатной плате (всего 21 мм 2 ), что более чем в два раза меньше, чем площадь, занимаемая компонентами при реализации типовой системы питания. На рисунке 4 показана компоновка печатной платы для данного решения, учитывающая все пассивные и активные компоненты схемы питания.
Рис. 4. Компоновка печатной платы системы питания на преобразователе MAX77278, чья занимаемая площадь составляет 21 мм2
Кроме того, данный PMIC-преобразователь в режиме ожидания потребляет только 300 нА, что по крайней мере в два раза лучше, чем другие доступные решения. Такое значение потребления и повышенная эффективность в рабочем режиме увеличивают время автономной работы и помогают уменьшить размер системы за счет использования минимального по размеру аккумулятора при одновременном увеличении времени работы между зарядками.
Система питания от первичных (неперезаряжаемых) элементов на SIMO PMIC-преобразователе
На рисунке 5 показан более простой преобразователь PMIC2, удовлетворяющий всем требованиям к системе, питающейся от неперезаряжаемой батареи.
Рис. 5. Система питания от неперезаряжаемой батареи на преобразователе SIMO PMIC2
Пример 2. Неперезаряжаемые мониторы активности
Такие портативные устройства как мониторы активности и инсулиновые ручки работают от неперезаряжаемых элементов типоразмера AA и AAA. Данные устройства используют светодиоды по-разному. Интеллектуальные дозирующие устройства помогают заряжать ручку нужным количеством инсулина и посредством включенного светодиода сигнализируют об окончании загрузки. Регистраторы, например, мониторы физической активности и сна, носятся на запястье как часы. Свет от их светодиодов, настроенный на различные частоты, проникает в кожу, после чего фотодетекторы улавливают отраженный сигнал, модулированный кровотоком и тканями тела, и предоставляют информацию о частоте сердечных сокращений, движении и дыхании.
Для подобных устройств идеально подходит SIMO PMIC-преобразователь MAX77640. Он включает в себя понижающе-повышающий SIMO-преобразователь с тремя выходами (общий ток 300 мА), три драйвера светодиодов (3,2 мА каждый) и LDO стабилизатор (150 мА). Настройка и проверка состояния устройства возможна с помощью двунаправленного интерфейса I 2 C.
Данный PMIC-преобразователь в корпусе WLP 2,15×2,75×0,7 мм обеспечивает питание устройства, занимая при этом минимальное пространство на печатной плате (16 мм 2 ). На рисунке 6 показана компоновка печатной платы для данного решения, учитывающая все пассивные и активные компоненты системы питания.
Рис. 6. Компоновка печатной платы системы питания на преобразователе MAX77640 (площадь 16 мм2)
Кроме того, данный PMIC-преобразователь потребляет лишь 300 нА в режиме ожидания и 5,6 мкА в активном режиме.
Миниатюрная система питания от неперезаряжаемой батареи на основе SIMO-преобразователя
На рисунке 7 показан упрощенный преобразователь PMIC3, объединяющий три понижающе-повышающих стабилизатора и использующийся в простейших и самых компактных системах с питанием от неперезаряжаемых элементов.
Рис. 7. Система питания от неперезаряжаемой батареи на преобразователе SIMO PMIC3
Пример 3. Датчики с питанием от элементов типоразмера «таблетка»
Для питания датчиков, использующихся в устройствах интернета вещей для измерения различных параметров, таких как температура, влажность и так далее, требуются надежные системы управления питанием, обеспечивающие наименьшие размеры и максимально возможное время работы.
Для подобных устройств идеально подходит SIMO PMIC-преобразователь с низким током покоя MAX17271. Данный PMIC-преобразователь включает в себя понижающе-повышающий SIMO-преобразователь с тремя выходами (общий ток 300 мА). Настройка и проверка состояния устройства возможна с помощью двунаправленного интерфейса I 2 C.
Данный PMIC-преобразователь в корпусе WLP 1,77×1,77×0,5 мм обеспечивает питание устройства при минимальном использовании пространства на печатной плате – всего 14 мм 2 . На рисунке 8 показана компоновка печатной платы для данного решения, учитывающая все пассивные и активные компоненты.
Рис. 8. Компоновка печатной платы системы питания на преобразователе MAX17271 (площадь 14 мм2)
Кроме того, данный PMIC-преобразователь потребляет только 330 нА в режиме ожидания и 1,5 мкА в активном режиме.
Заключение
В данной статье мы обсудили проблему реализации эффективных и минимальных по размерам систем управления питанием для устройств с батарейным питанием. Также был показан индивидуальный подход, использующий преимущества архитектуры SIMO в отношении занимаемого пространства и энергопотребления путем выборочной интеграции в один PMIC-преобразователь блоков, необходимых для поддержки требуемых функций, таких как наличие зарядного устройства, линейного стабилизатора, драйверов светодиодов и так далее.
Такой подход к управлению питанием позволяет обеспечивать наименьшее по размерам и самое эффективное по мощности решение для построения системы управления питанием портативных устройств.
Интегральная схема управления питанием — Power management integrated circuit
Интегральные схемы управления питанием (ИС управления питанием или PMIC или PMU как единица) интегральные схемы для управление энергопотреблением. Хотя PMIC относится к широкому спектру микросхем (или модулей в система на кристалле устройств), большинство из них включает несколько DC / DC преобразователи или их контрольная часть. PMIC часто включается в аккумулятор -управляемые устройства, такие как мобильные телефоны и портативные медиаплееры чтобы уменьшить необходимое пространство.
Содержание
Обзор
Термин PMIC относится к классу интегральные схемы которые выполняют различные функции, связанные с требованиями к питанию. PMIC может иметь одну или несколько из следующих функций: [1]
ИС управления питанием — это твердотельные устройства, которые контролируют поток и направление электроэнергии. Многие электрические устройства имеют несколько внутренних напряжения (например, 5 В, 3,3 В, 1,8 В и т. д.) и источники внешнего питания (например, настенная розетка, аккумулятор и т. д.), что означает, что конструкция источника питания устройства предъявляет несколько требований для работы. PMIC может относиться к любой микросхеме, которая является отдельной функцией, связанной с питанием, но обычно относится к микросхемам, которые включают в себя более одной функции, например различные преобразования мощности и управления мощностью, такие как контроль напряжения и защита от пониженного напряжения. Путем включения этих функций в одну ИС можно внести ряд улучшений в общую конструкцию, например повысить эффективность преобразования, уменьшить размер решения и улучшить отвод тепла. [2]
особенности
PMIC может включать в себя управление батареей, регулирование напряжения, и функции зарядки. Он может включать Преобразователь постоянного тока в постоянный позволять динамическое масштабирование напряжения. Известно, что некоторые модели имеют КПД преобразования мощности до 95%. Некоторые модели интегрируются с динамическое масштабирование частоты в комбинации, известной как DVFS (динамическое масштабирование напряжения и частоты).
Он может быть изготовлен с использованием BiCMOS обработать. Они могут прийти как QFN пакет. Некоторые модели имеют I²C или SPI Интерфейс связи по последовательной шине для ввода / вывода.
Некоторые модели оснащены регулятор с малым падением напряжения (LDO) и часы реального времени (RTC), работающий с резервной батареей.
PMIC может использовать частотно-импульсная модуляция (PFM) и широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Он может использовать коммутирующий усилитель (Электронный усилитель класса D).
Pmic что это
Использование PMIC для управления питанием для SoC
(Источник: graphicINmotion / Shutterstock.com)
Новые технологии и приложения в сочетании с более жесткой компоновкой и повышенными требованиями к подключению раздвигают границы существующих процессоров и их систем питания. Эти процессоры должны поддерживать вычисления с увеличивающимся объемом звука, видео, графики высокой четкости (HD), потоковой передачи, игр и всего остального. По мере увеличения объема и качества контента растет и желание предложить улучшенную производительность на меньшем пространстве. Этот ориентированный на пользователя подход выдвигает интеграцию на первый план, что делает ее ограничивающим фактором в развитии технологий.
Задача достижения высокой производительности при одновременном снижении затрат побудила инженеров разработать интегральные схемы (ИС) системы на кристалле (SoC). Эти решения объединяют многие системные функции в ИС, снижая энергопотребление, стоимость и усилия, а также технические знания. требуется для реализации функций, которые в противном случае требуют глубоких знаний в области, таких как обработка видео и графики. Достижение высокой производительности при приемлемой стоимости требует, чтобы производители разрабатывали SoC по глубокой субмикронной технологии (комплементарный металл – оксид – полупроводник (CMOS), ≤ 16/14 нм).
Для таких систем на кристалле требуются источники питания, обеспечивающие высокий ток, что может быть проблемой для реализации в продвинутых субмикронных КМОП-процессах. Для цепей питания требуются большие транзисторы, чтобы выдерживать высокие токи и высокое напряжение (по сравнению с напряжением цифрового ядра). Эти атрибуты диаметрально противоположны атрибутам транзисторов, используемых в цифровых схемах. Поэтому технически сложно (или невозможно) реализовать источники питания на том же кристалле, что и цифровые схемы, и, вероятно, это будет неэкономично. По большому счету, эти несовместимости всегда существовали в конструкции ИС, но они усиливаются по мере того, как современные процессоры внедряются в постоянно сокращающиеся процессы КМОП.
Здесь мы проиллюстрируем управление и оптимизацию кодовых обозначений SoC-Power Management Integrated Circuit (PMIC) с помощью процессоров семейства NXP i.MX 8M ( Mini и Nano ) и ROHM BD71847 / BD71850 . Эти решения были выбраны потому, что их сочетание функций, низкая стоимость спецификации (BOM) и компактные размеры позволяют OEM-производителям быстро разрабатывать и производить интеллектуальные подключенные устройства.
Компромиссы и решение
Повышенная интеграция питания на системном уровне на SoC влечет за собой несколько затрат:
- Сниженная гибкость дизайна
- Неоптимальная эффективность системы
- Более высокая стоимость разработки и спецификации
- Более длительное время выхода на рынок
Эти компромиссы создают возможность для инноваций на системном уровне при создании современных процессоров и их подсистем питания.
Способы повышения гибкости дизайна
NXP i.MX 8M / 8Mini / Nano не имеет встроенных преобразователей постоянного тока в постоянный или стабилизаторов с малым падением напряжения (LDO). Подобные SoC также не интегрируют преобразователи постоянного тока в постоянный, но во многих из них используются встроенные LDO-стабилизаторы, чтобы преобразовать внешнюю шину питания с более низким напряжением в ядра процессора, применяя динамическое масштабирование напряжения и частоты (DVFS) к ядрам. Сохраняя DC / DC и LDO вне кристалла, разработчики SoC полностью использовали дорогостоящие 14-нм кремниевые компоненты, оптимизированные для цифровых функций, таких как ядра процессора, кэш-память и аппаратные ускорители аудио / видео. Не обремененные внутренними требованиями к управлению питанием, они могут свободно формулировать (внешнюю) архитектуру питания, которая облегчает, а не ограничивает разработку процессора. Достаточно большое количество шин питания (8 баксов и 7 LDO), необходимых для i.MX 8M, свидетельствует об этой свободе. В то же время разработчики ROHM PMIC реализовали свои силовые цепи в 130-нм процессе ROHM Bipolar-CMOS-DMOS (BCD), который оптимизирован для функций управления питанием. У каждой команды была свобода выбора наиболее подходящего процесса и IP-адресов для решения поставленных задач.
Способы повышения эффективности системы
Реализация силовых цепей в процессе 130-нм BCD позволяет BD71847AMWV / BD71850MWV ( рис. 1 ) достичь КПД до 95 процентов для выходного напряжения 0,7–3,3 В. На системном уровне эффективность еще больше повышается, когда внешний DC / DC используется для непосредственного применения DVFS к ядру процессора. В конце концов, с помощью внешнего DC / DC с на чипе LDO для DVFS составляет конверсию 2 стадии, что влечет дополнительные потери во 2 — й стадии.
Часто забывают о точности выходных напряжений (+/- 1,5 процента). Наряду с более высоким разрешением на этапе регулировки выходного напряжения (шаг 10 мВ), программное обеспечение управления питанием может точно установить выходное напряжение шины питания на самом низком уровне, чтобы минимизировать энергопотребление, и все же позволяет подсистеме, питаемой от этой шины питания, работать на желаемая частота.
Рисунок 1 : ROHM Semiconductor BD71850MWV PMIC объединяет все шины питания, необходимые процессорам i.MX 8M Nano и системной периферии, а также секвенсор, совместимый с режимами питания, поддерживаемыми процессорами i.MX 8M Nano, что позволяет значительно сократить время разработки, уменьшить размер и упростить дизайн приложения. (Источник: Mouser Electronics)
Способы снижения затрат на разработку и спецификации
В условиях продолжающегося рыночного давления, направленного на добавление дополнительных функций и / или уменьшение размера и веса продукта, инженеры постоянно пытаются найти способы интегрировать больше функций в ИС и повысить надежность. Однако более высокий уровень интеграции также может повлечь более высокую стоимость разработки и кристалла. Разделение разработки SoC и управления питанием позволяет каждому действовать в оптимальном темпе. Каждый этап процесса — от проектирования, проверки, компоновки ИС до производства ИС — проще и быстрее и значительно увеличивает шансы получить нужные силиконы с первого раза. Более низкая (общая) стоимость кристалла достигается за счет реализации функций мощности в более дешевом (BCD) процессе.
Способы сократить время выхода на рынок
Как и во многих других технологических компаниях, время выхода на рынок имеет решающее значение. Для очень сложных компонентов, таких как процессоры приложений, разделение разработок принципиально несовместимых технологий, таких как элементы цифровой обработки (ЦП, аппаратные ускорители) и управление питанием, снижает затраты на разработку и риски, что приводит к более быстрому выходу на рынок.
Заключение
Соображения по разработке программируемых PMIC для SoC предлагают компромиссы в пользовательском опыте и разработке продукта. 8M / 8MM / Nano от NXP и 847/850 от ROHM Semiconductor — это тщательно спроектированные продукты, которые обеспечивают успех на обоих концах жизненного цикла продукта. Эти компоненты используются в самых разных приложениях: от потоковых медиа-боксов и ключей до AV-ресиверов и беспроводных звуковых панелей, до промышленных HMI, SBC, IPC и панельных компьютеров. Полупроводники оптимизируют критически важные для пользователя функции — производительность и цену — за счет таких удобных для производителя активов, как гибкость конструкции и время выхода на рынок. Это готовые к выпуску на рынок продукты, которые демонстрируют критический баланс между гибкостью неинтегрированных компонентов и высокоинтегрированным PMIC-SoC.