Maailmasta on tulossa älykäs. Yhä useampi esine ympärillämme sisältää prosessorin. Niiden suorituskyvyn ansiosta elämästämme tulee helpompaa. Mutta kuinka näille eri prosessoreille syötetään virtaa parhaalla ja energiatehokkaimmalla tavalla?

Esineiden internet, älykoti, älykaupunki… Pitkän aikaa tällaisia termejä pidettiin tyhjinä iskusanoina. On kuitenkin yhä ilmeisempää, että termien takana on todellisia, konkreettisia sovelluksia, jotka tunkeutuvat jokapäiväisiin rutiineihimme tai ovat jo tiukasti integroituneet osaksi elämäämme.

Merkittävä osa esineiden internetiä ja vastaavia tekniikoita on liitettävyys. Kodin termostaatista autoon kaikki laitteet on liitetty verkkoon ja ne kommunikoivat toistensa kanssa tai pilvessä. Kasvavat datamäärät ja -nopeudet tarkoittavat, että tarvitaan uusia teknologioita kuten 5G. Ei kuitenkaan pidä unohtaa toista näkökulmaa: ilman riittävää laskentatehoa ei voida toteuttaa niin laitteiden toimintoja kuin niiden liitettävyyttäkään.

Oikea prosessori

Mikään laite ei tänä päivänä voi toimia ilman sovellusprosessoria. Pilveen tai muihin laitteisiin liittyminen on yksi niiden tehtävistä, mutta erityisesti kommunikointi käyttäjän kanssa vaatii paljon laskentatehoa. Laadukkaat videot, 2D- ja 3D-grafiikka ja ääniohjaus vaativat uusimpia ja edistyneimpiä prosessoreja.

Yksi esimerkki tällaisesta on NXP:n i.MX 8M Mini -perhe.

Optimoidakseen yhtä wattia kohti suoritettujen käskyjen määrän NXP i. MX 8M Minille on integroitu jopa neljä Arm Cortex-A53 -ydintä, jotka operoivat jopa 1,8 gigahertsin kellotaajuudella yhdessä Arm Cortex-M4 -prosessorin kanssa, jopa operoi jopa 400 megahertsin kellotaajuudella.

i.MX 8M Mini -piiriperhe tukee 1080p-videon prosessointia, 2D/3D-grafiikkaa, edistyneitä audiotoimintoja ja valikoimaa nopeita liitäntöjä. Tämä tekee siitä ihanteellisen laajaan valikoimaan kuluttaja- ja teollisuussovelluksia.

Teholähde

Pelkkä oikean prosessorin valinta ei riitä. Sille täytyy myös varmistaa vaadittava virransyöttö. Teholähteen suunnittelu on usein haastava tehtävä: prosessori vaatii valikoiman erilaisia, erittäin tarkkoja syöttöjännitteitä, jotka kaikki täytyy jaksottaa täsmällisesti prosessorin käynnistämiseksi tai sammuttamiseksi. Lisäksi muisti ja muut oheislaitteet vaativat myös virransyötön. Tietenkin voisi työskennellä useiden yksijännitteisten regulaattorien kanssa, mutta käytössä oleva piirikorttiala on rajoitettu ja jännitteen jaksotuksen vaatimukset voivat olla hyvin monimutkaisia.

Ilmeinen ratkaisu tähän ongelmaan on käyttää PMIC-tehonhallintapiiriä (Power Management IC). Juuri oikea tehonhallintapiiri yhdistää kaikki teholähteet hyvin pieneen tilaan, vähentää vaadittavien ulkoisten komponenttien määrää, kasvattaa aputoimintojen määrää sovelluksissa ja integroi mukaan tehonjaksotuksen. PMIC-piiri on paljon tehokkaampi ratkaisu kuin yksittäisten jänniteregulaattorien ja ohjauslogiikan käyttäminen.

Jotta teholähdepiiristä saisi täyden hyödyn irti, se täytyy räätälöidy kullekin prosessorille. Esimerkiksi ROHM:n uusi BD71847AMWV-piiri on optimoitu NXP Semiconductorsin i.MX 8M mini -sovellusprosessorille.

ROHM:n ratkaisu

PMIC-piirille on integroitu kaikki i.MX 8M mini -sovellusprosessorin vaatimat teholähteet sekä sovellusprosessorille että DDR-muistille ja järjestelmän yhteiselle I/O:lle: kuusi DC/DC-muunninta, kuusi LDO-regulaattoria ja 1,8/3,3 voltin tehokytkin SDXC-korteille. Lisäksi PMIC-piirillä on ohjelmoitava tehonohjauksen jaksotin (sequencer), joka voi tukea eri sovelluksia. Monia toimintaparametreja kuten lähtöjännitteet, jännitteen muutosnopeudet, tehotilasiirtymät, reset-toiminta, jne. voidaan konfiguroida OTP:n kautta ja/tai ohjelmoida ohjelmistolla. Kattava monitorointi ja suojauspiirit täydentävät PMIC-piirin mahdollisuudet.

Kaikki nämä toiminnot on integroitu kompaktiin 7 x 7 -milliseen QFN-koteloon, jossa on 56 nastaa. Nastoitus on suunniteltu mahdollistamaan helppo liitäntä NXP:n i.MX 8M mini -prosessoriin ja DDR-muistiin. Integroimalla kaikki välttämättömät komponentit samalle sirulla tarvitaan noin 47 prosenttia vähemmän komponenttia erillisratkaisuun verrattuna, ja piirikorttiala pienenee 42 prosenttia (3-tyypin yksipuolinen PCB). Kaksipuolisella kortilla voidaan saavuttaa alle 300 neliömillin korttiala. PMIC-piirin laaja 2,7-5,5 voltin syöttöjännitealue tukee useita syöttöjännitteitä yksikennoisista litiumioniparistoista USB-syöttöön ja teholähteisiin.

BD71847AMWV-piirillä voidaan syöttää virtaa koko järjestelmään ja sen kuudesta täysin integroidusta buck-tyyppisestä DC-DC-muuntimesta saadaan 16,5 ampeerin virta ja kuudesta LDO-regulaattorista yli 1,1 ampeeria. Hyvä tehomuunnoksen hyötysuhde saavutetaan laajalla lähtöjännite- ja kuorma-alueella valitsemalla automaattisesti pulssin leveys ja pulssin taajuusmodulointi. Kaikki buck-regulaattorit käyttävät integroituja tehokytkimiä 2/1,5 megahertsin taajuudella, minkä ansiosta voidaan käyttää matalan profiilin induktoreja.

Lähtöjännite on ohjelmoitavissa laajalla alueella ja kaksi buck-regulaattoria toimii DVS-tekniikalla (dynaaminen jännitteen skaalaaminen), mikä modernit järjestelmäpiirit vaativat. Näin saavutetaan prosessorien ihanteellinen energiankulutus tehtävää kohti. Kaikissa LDO-regulaattoreissa on ohjelmoitava lähtöjännite ja lähtövirtaa voidaan tuottaa jopa 300 milliampeeria.

BD71847AMWV-piirille on integroitu konfiguroitava tehojaksotin, jonka ansiosta voidaan ohjelmoida kaikkien 12 kytkin- ja lineaariregulaattorin käynnistysjakso sekä sen lähtöjännitteet SoC-piirin vaatimusten mukaan. Prosessorien tehotilasiirtymät käynnistetään I/O-liitännän kättelyllä ja ohjelmoitavalla virtanäppäimellä. Virtanapin toiminta voidaan ohjelmoida laajalla alueella I2C-liitännän kautta. Tätä liitäntää voidaan myös käyttää modifioimaan sähköistä toimintaa, kuten lähtöjännitettä, dynaamisen jännitteensäädön aloittamista (mikäli DVS on käytettävissä), toimintatiloja, jne. PMIC-piirillä on 32,768 kilohertsin kideoskillaattoriohjain ja ajastinvauhtikoira järjestelmän turvallisuutta varten.

Kehitysympäristön avulla käyttäjät voivat helposti evaluoida BD71847AMWV-piiriä. Tehonhallintapiiri sisältyy NXP:n i.MX 8M mini -evaluointipakettiin ja sen ajuri on integroitu evaluointipaketin BSP-korttiohjelmistoon.

Artikkeli on ilmestynyt ETNdigi-lehden numerossa 2/2019. Sitä pääset lukemaan ilmaiseksi täällä.