ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
Oct 29/9 30/9 # Rohde supersquare
6/2-15/5 # Period: start idag om möjligt 6/2—15/5 egen prenannons, över- och  underdeldel

ETNtv

Watch ECF videos

 
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Ziphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

logotypen

 2022  # square  (4)
TMSNet  advertisement
ETNdigi
Mar Apr May Jun # Farnell sajt skyskrapa
Mar 1-9/4 # Ansys sajt
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Tweet

TECHNICAL ARTICLES

Mobiililaitteen tehosuunnittelu uusiksi

Tietoja
Kirjoittanut Peter Tang, ams
Julkaistu: 04.06.2014
  • Sähkö & Voima

Nykyiset mobiililaitteet ovat tehonsyötön osalta hankalia. Välillä ne vaativat suuria kuormia, välillä virrankulutuksen pitää pudota mahdollisimman alas. Tämä vaatii uudenlaista lähestymistapaa koko tehosuunnitteluun.

Artikkelin kirjoittaja Peter Tang on itävaltalaisen ams:n vanhempi sovellusinsinööri. Hän työskentelee ams:n Taiwanin yksikössä. Aiemmin hän työskenteli Maxim Integrated Circuitin sovellusinsinöörinä. Ams:llä Peter on keskittynyt tehonhallinnan sovelluksiin, erityisesti kannettavissa laitteissa. Hänellä on elektroniikkasuunnittelun tutkinto Taiwanin kansallisesta yliopistosta.

Mobiililaitteiden kuten älypuhelimien ja tablettien tehoratkaisujen kehitys hyppäsi vastikään ison askeleen eteenpäin. Kuluttajat vaativat parempaa suorituskykyä - terävämpää grafiikkaa ja nopeampia yhteyksiä - ja yhä houkuttelevampia ominaisuuksia. Tällä on tapana rasittaa prosessoria yhä enemmän, vaikka kuluttaja samalla haluaa akun kestävän yhä pidempään yhdellä latauksella.

Nämä ristiriitaiset vaatimukset vaativat uudenlaisia ratkaisuja laitteiden tehopiiristöihin. Tämä artikkeli kuvaa yhtä niistä. Kyse on uudesta lähestymistavasta mobiilitehonkulutuksen suorituskyvyn, koon, tehokkuuden ja lämpenemisen väliseen kompromissiin.

Erillisratkaisujen heikkoudet

Jotta voisi selittää tämän uusimman lähestymistavan syyt tehosuunnittelussa, on syytä katsoa mobiililaitteiden kuten matkapuhelinten historiaan. Se paljastaa, että suunnittelijat ovat aina painineet tehopiirien tuomien kompromissien kanssa.

Kuva 1. Piirikaavio näyttää tyypillisen AMR-pohjaisen mobiililaitteen monimutkaiset tehovaatimukset.

Yllä oleva piirikaavio näyttää tyypillisen AMR-pohjaisen mobiililaitteen monimutkaiset tehovaatimukset. Niihin kuuluu:

  • latauspiiri litiumioniakulle

  • kolme tai neljä erillistä DC-DC-muunnista, jotka syöttävät virtaa prosessoriytimelle sekä RAM- ja flashmuistille

  • useita LDO-regulaattoreita oheislaitteile ja I/O-osille

  • DC-DC-vahvistinmuunnin (boost converter) näytön taustavaloledeille ja audiovahvistimelle

Alkuaikojen matkapuhelimissa suunnittelija olisi vastannut näihin vaatimuksiin valitsemalla erillisen regulaattorin jokaista tehonsyöttöä kohti. Tällainen täysin erillispiireihin pohjaava ratkaisu oli joustava, mutta useiden erillispiirien käyttö vei paljon tilaa piirikortilla, merkitsi lisäkustannuksia ja oli sähkönkulutuksen kannalta tehoton. Lisäksi kortille asennettavien komponenttien määrän kasvaessa myös virheiden mahdollisuus tuotannossa lisääntyi.

Niinpä suunnittelijat ryhtyivät pian säästämään tilaa piirilevyllä integroimalla useita kytkimiä ja lineaariregulaattoreita yhteen piiriin, jota kutsuttiin tehonhallintapiiriksi (PMIC, power management IC) tai tehonhallintayksiköksi (PMU, power management unit). Ensimmäiset tällaiset ratkaisut olivat aika karkeita ja käytännössä vain pakkasivat joukon regulaattoreita samaan koteloon (ks. kuva 2).

Tämä menettely oli vielä kaukana nykyisestä PMIC:n ideasta. Esimerkiksi jokaisella regulaattorilla oli oma Input-, Output- ja Enable-nastansa, joten sirulta lähtevien ja sinne tulevien liitäntöjen topologia pysyi monimutkaisena. Lisäksi piiri ei mahdollistanut teholinjojen hallintaa tai muita hallintatoimintoja, ja vain harva nasta mahdollisti digitaalisen liitännän.



Kuva 2. Ensimmäiset PMIC-piirit yksinkertaisesti pakkasivat useita regulaattoreita samalle sirulle tai yhteen koteloon. Lähde: www.aikana.com/PMIC_modules.html.

Tällainen arkkitehtuuri osoittautui riittämättömäksi vastaamaan kannettavien laitteiden kasvaviin vaatimuksiin, ja erityisesti yhä monimutkaisempiin tehovaatimuksiin. Samaan aikaan uusien toimintojen aiheuttama lisääntynyt virrankulutus nostitti esiin uusia tehonsäästön ideoita, kuten dynaamisen jännitteen säätäminen.

Siksi PMIC-valmistajat ovat kehittäneet uusia, älykkäämpiä piirejä jotka osaavat halliata tehonjakamista useissa lähdöissä. (ks. kuva 3). Tämän sukupolven PMIC-piirien tyypillisiin ominaisuuksiin kuuluu:

  • Digitaalinen liitäntä kuten IC2, jonka kautta voidaan ohjata jokaista erillistä regulaattoria. Niitä voidaan konfiguroida, kääntää päälle ja pois, ja toteuttaa hallintatoimintoja (housekeeping).

  • Valvontatoimintoja kuten akun ja piirin lämpötilan valvonta, ja suojausrutiinien toteuttaminen.

  • Matalakohinaisia LDO-regulaattoreita ja korkeataajuuksisia kytkinregulaattoreita.

  • Joustava tehopolkujen (power-path) kytkentä järjestelmän, akun ja sovittimen välillä.

Kuva 3. PMIC-piirin toiminnallinen piirikaavio (ams:n AS3711).

Lisäksi moderni prosessori edellyttää tarkkaan konfiguroitua käynnistyssarjaa. Tätä ei voida toteuttaa dedikoidulla nastalla jokaiselle regulaattorille, koska se vaatisi PMIC-piiriin erittäin suuren määrän pinnejä. Se taas kasvattaisi piirin kokoa ja vaikeuttaisi sijoittelua piirikortille.

Tämä tarkoittaa, että PMIC:n täytyy toteuttaa esiohjelmoitu käynnistyssarja, jota yleisesti ajetaan kertaohjelmoitavasta OTP-muistista. Käynnistämisen jälkeen piiriä voidaan ohjata I2C-liitännän läpi normaaliin tapaan. Jokainen prosessori tarvitsee oman räätälöidyn käynnistyssarjansa. Kokenut PMIC-valmistaja kykenee toimittamaan sen jokaiselle tuetulle prosessorille. Itse asiassa prosessorivalmistajat myyvät yleisesti prosessoria ja dedikoitua PMIC-piiriä, jonka kolmas osapuoli kuten vaikkapa ams toimittaa, yhdessä kotelossa.

Seuraava ongelma: lämpötilan hallinta

PMIC-piirien evoluutio oli siten saavuttanut pisteen, jossa pitkälle integroitu piiri voi reguloida tehoa, hoitaa käynnistyssarjat, sekä toteuttaa valvonta- ja suojaustoimintoja.

Sitten markknoille tuli Applen iPad ja kaikki muuttui taas. Yhtäkkiä prosessorien monimutkaisuus laajeni nopeasti. Yksi- ja kaksiytimisiä prosessoreja on edelleen, mutta nyt mobiililaitteista löytyy jo 4 tai 8 ytimen prosessoreja.

Tämä on johtanut siihen, että ydinteholähteen suorituskyvystä on tullut kriittinen tekijä, mutta samaan aikaan paljon vaikeampi hallita. Jokainen ydin prosessorissa voi käynnistyä ja sammua useita kertoja sekunnissa, kun prosessorin kuorma lisääntyy ja vähenee. Tämä edellyttää, että tehopiiri vastaa nopeasti muutoksiin, ja kevyisiin ja raskaisin kuormiin. Lisäksi se edellyttää dynaamista jännitteensäätöä erilaisissa toimintamoodeissa, jotta tehoa voidaan säästää. Samaan aikaan virrantarve voi vaihdella suuresti yhdestä piirityypistä toiseen (ks. kuva 4).

Kuva 4. Ytimen virtavaatimukset vaihtelevat mobiilisovellusten välillä.

Tällaisilla arvoilla pintaa nousee yksi kysymys: pitäisikö korkean virran MOSFET integroida PMIC-piirille vai ei? Integrointi säästää levytilaa, mutta integroitu MOSFET vie enemmän piialaa, ja sisäisestä MOSFETista on paljon vaikeampi johtaa pois lämpöä kuin ulkoisesta piiristä.

Siirtyminen moniydinprosessoreihin tekee kaikesta vielä haastavampaa. Tehopiirin pitää nyt olla dynaamisempi ja joustavampi kuin koskaan aikaisemmin. Tyypillisessa neliytimisessä ARM-prosessorissa kaikki ytimet saattavat toimia täydellä kapasiteetilla vaikkapa pelisovelluksen aikana tai elokuvaa toistettaessa. Toisaalta kaikki neljä ydintä voivat olla toimettomia kun laite on valmiustilassa. Tyypillinen prosessorin käyttö näkyy kuvassa 5.

Kuva 5. CPU:n käyttö. Tyypillinen neliydinprosessoria hyödyntävä laite. Lähde: www.nvidia.com/content/PDF/tegra_white_papers/tegra-whitepaper-0911a.pdf

Tyypillisessä toiminnassa jännite eri ytimillä vaihtelee suuresti, joten PMIC:n pitää vastata muutoksiin erittäin nopeasti ja tarkasti. Tämän saavuttaminen on hyvin paljon hankalampaa mikäli MOSFETit on integroitu PMIC-piirille.

Suunnitellessaan uutta AS3721-tehonhallintapiiriä ams otti tämän huomioon. Sen seurana on erillinen tehopiiri - AS3729 MOSFET - johon AS3721 voidaan helposti liittää. Itse asiassa jokainen PMIC-valmistaja joutuu nyt ams:n tavoin miettimään kompromissia kustannusten ja koon sekä joustavuuden, suorituskyvyn ja lämpöominaisuuksia välillä.

AS3721-tehonhallintapiiri integroitu useita DC-DC-regulaattoreita ja LDO-regulaattoreita sekä täyden valikoiman tehonhallinnan toimintoja. Mutta prosessoriytimen teholähteenä AS3721 konfiguroidaan joustavana useiden erillistehoasteiden ohjaimena.

AS3729 koostuu kahdesta 2,5 ampeerin vaiheesta, jotka voidaan yhdistää viiden ampeerin lähtövirraksi (ks. kuva 6). Useita AS3729-piirejä voidaan yhdistää rinnan, jolloin saadaan jopa 20 ampeerin lähtövirta. AS3729-piiriä voidaan käyttää yksi- tai kaksivaiheisena konfiguraationa, joten sillä voidaan hyvin joustavasti tukea erilaisia sovelluksia koteloinnin tila- ja korkeusrajoitusten mukaisesti.

AS3729-piiri tarjoaa lämpötilan ja virran valvontatoimintoja. Tärkeää on, että se tarvitsee vain yhden nastan ohjatakseen tehoastetta ja monitoroidakseen virtaa. Tämän ansiosta lämmönhallinta on helppoa, koska ohjain ja tehoaste voidaan sijoittaa piirikortilla kauaksi toisistaan jopa hyvin kompaktissa sijoittelussa. Näiden kuumien komponenttien - prosessorin ja tehoasteiden sekä tehonhallintapiirin - helpottaa pienentämään ja viilentämään kortille syntyiven kuumia pisteitä (hot spots).

AS3721/AS3729-yhdistelmä on vasteiltaan erinomainen. Yhdistelmän hyötysuhde on hyvä ja se tukee jatkuvaa kytkentää täyden nopeuden ja valmiustilan välillä, mikä pidentää akun toiminta-aikaa myös suurinäyttöisissä tableteissa.

Uusi arkkitehtuuri uusille kannettaville laitteille

Kuluttajat ovat tykästyneet monikäyttöisiin kannettaviin laitteisiin. He haluavat katsella videoita, pelata pelejä, käyttää internetiä ja organisoida elämäänsä tabletilla tai kännykällään. Tämä on tehnyt mobiililaitteiden tehovaatimuksista monimutkaisempia ja vaativampia kuin koskaan aikaisemmin, ja se on pakottanut tehopiirien valmistajat uudelleenarvioimaan koon, kustannusten ja suorituskyvyn kompromissia.

Arkkitehtuuri, joka hyödyntää joustavia, kauaksi PMIC-piiristä sijoitettavia erillistehopiirejä tuo hyötysuhteeltaan korkean ja lämmönhallinnaltaan tehokkaan ratkaisun, joka samalla tukee nopeaa reagointia muuttuviin kuormiin, mikä on niin luonteenomaista näille suosituille mobiililaitteille.

back to top
MORE NEWS

Kontron lisäsi nopean ethernetin postimerkin kokoiseen moduuliin

Sulautettujen laitteiden moottorien kehitys on välillä hämmästyttävän nopeaa. Hyvä esimerkiksi kehityksestä on saksalaisen Kontronin uusi moduuli. Mitoiltaan vain 30 x 30 millimetrin sirulle on saatu istutettua kaksi gigabitin ethernet-liitäntää, viiden ytimen Arm-prosessori ja tuki verkon reaaliaikaisten toimintojen ohjaamiseen.

Canatu kasvatti tuotantonopeutensa kaksinkertaiseksi

Hiilinanomateriaalien kehittäjä Canatu on päivittänyt hiilinanoputki- eli CNT-kalvon valmistustaan vastatakseen ADAS-lämmitintuotteiden kasvavaan kysyntään autoteollisuudessa. Canatu lisännyt CNT-linjalleen uutta reaktorikapasiteettia ja nostanut samalla automaatiotasoa.

ChatGPT oppi selaamaan nettiä

OpenAI kertoo ryhtyneensä lisäämään ChatGPT-bottiinsa lisäosia eli plugineja. Niiden avulla chattibotti voi liittyä kolmansien osapuolten lähteisiin ja tietokantoihin. Tärkein lienee lisäosa, jolla botti voi hyödyntää Microsoftin Bing-hakukoneen hakuja.

Mystiikka pois valotutkasta!

Edistyneet kuljettajaa avustavat järjestelmät (ADAS) ja autonominen ajo voivat onnistua, kun ajoneuvoa ympäröivä ympäristö tunnistetaan tehokkaasti autonomisen navigoinnin mahdollistaviin algoritmeihin. Tässä käytetään useita anturimenetelmiä, joiden tiedot yhdistetään yhteen täydentämään toisiaan ja tarjoamaan redundanssia. Näin jokainen tekniikka voi hyödyntää omia vahvuuksiaan ja tarjota paremman yhdistetyn ratkaisun.

Matlab sai parannellun testityökalun

MathWorks on esitellyt uudet versiot Matlab- ja SImuLink-työkaluistaan. Tuttuun tapaan päivitykset sisältävät molempiin uusia ominaisuuksia. Ehkä tärkeimmät uudet toiminnot on tuotu Matlabin testaustyökaluihin

Terveysteknologia ennätysvientiin viime vuonna

Terveysteknologian tuotevienti oli viime vuonna 2,65 miljardia euroa. Kasvua edellisvuodesta oli 6 prosenttia. Terveysteknologia ry:n toimitusjohtaja Saara Hassisen mukaan viime vuonna ala palasi normaalin kasvun aikaan.

Embedded World ylitti järjestäjien odotukset

Sulautetun elektroniikan ammattilaiset kokoontuivat viime viikolla Nürnbergiin alan tärkeimmille messuille. Järjestäjän mukaan Embedded World oli menestys ja kävijämäärä ylitti järjestäjän odotukset.

Piirit alkavat tukea uutta Bluetoothia

Bluetooth Special Interest Group on julkaissut Bluetooth-tekniikan uusimman version. Tekniikan versio 5.4 tuo erityisesti IoT-käyttöön tärkeitä uusia ominaisuuksia, joita piirien valmistajat haluavat nyt hyödyntää. Infineon on yksi ensimmäisiä 5.4-versiota siruissaan tukevia.

Suomen Yhteisverkko sai uuden toimitusjohtajan

DNA:n ja Telian yhteisesti omistaman Suomen Yhteisverkko Oy:n toimitusjohtaja Antti Jokinen jättää tehtävänsä yhtiön palveluksessa. Uudeksi toimitusjohtajaksi on nimitetty huomisesta alkaen Sami Siiki, joka on aiemmin työskennellyt Telian verkoista vastaavana johtajana ja Suomen Yhteisverkko Oy:n hallituksen varapuheenjohtajana.

Neljä kymmenestä pelkää, että tekoäly vie oman työn

ChatGPT osoittaa, ettei tekoälyn kanssa kannata edes yrittää kisata ainakaan missään rutiinitehtävissä. Esimerkiksi muistioiden yhteenvedot tekoäly tekee paremmin ja nopeammin kuin kukaan. AtlasVPN:n esittämän datan perusteella neljä kymmenestä eli lähes joka toinen pelkää, että lopulta tekoäly vie oman työn.

 2022  # mobilbox
TMSNet  advertisement
6/2—15/5 # egenannons mobilbox ecf
Mar Apr May Jun # Rohde mobilbox
Mar Apr May Jun  # Farnell  mobilbox f skyskrapa
Mar 1-9/4 # Ansys sajt

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Mystiikka pois valotutkasta!

Edistyneet kuljettajaa avustavat järjestelmät (ADAS) ja autonominen ajo voivat onnistua, kun ajoneuvoa ympäröivä ympäristö tunnistetaan tehokkaasti autonomisen navigoinnin mahdollistaviin algoritmeihin. Tässä käytetään useita anturimenetelmiä, joiden tiedot yhdistetään yhteen täydentämään toisiaan ja tarjoamaan redundanssia. Näin jokainen tekniikka voi hyödyntää omia vahvuuksiaan ja tarjota paremman yhdistetyn ratkaisun.

Lue lisää...

OPINION

Poliitikot eivät kykene ratkaisemaan autoalan verotusta

Autoalan tiedotuskeskus järjesti tänään Nollasta sataan -paneelikeskustelun, jossa poliitikot keskustelivat sekä liikenteen päästöistä että sen verottamisesta. Paneeli osoitti ennen kaikkea, että poliitikoilla tulee olemaan suuria vaikeuksia laatia kestäviä, tasapuolisia ja järkeviä ratkaisuja ongelmiin.

Lue lisää...

LATEST NEWS

  • Kontron lisäsi nopean ethernetin postimerkin kokoiseen moduuliin
  • Canatu kasvatti tuotantonopeutensa kaksinkertaiseksi
  • ChatGPT oppi selaamaan nettiä
  • Mystiikka pois valotutkasta!
  • Matlab sai parannellun testityökalun

NEW PRODUCTS

  • Lähes gigatavu sekunnissa muistikorteille
  • 65 watin laturiproto nopeasti
  • Intelin ARC-näytönohjaimen saa nyt Rutronikilta
  • Sovellus lataa sähköauton automaattisesti halvimmalla sähkönhinnalla
  • Farnellilta nyt tekoälyä verkon reunalle
 

NEWSFLASH

twitter
ETN_fi @ETN_fi
ETN_fi RT @joeprkns: Last night I used GPT-4 to write code for 5 micro services for a new product. A (very good) dev quoted £5k and 2 weeks. G…
maalis 17 • reply • retweet • favorite
ETN_fi This is why Nokia lost the game in mobile phones - an insiders view https://t.co/NB5Wndkx5p
joulu 12 • reply • retweet • favorite
ETN_fi @OnePlus_FI lahjoittaa Pelastusarmeijalle 50 puhelinta jouluapuun. Iso- Britanniassa samanlainen lahjoitus tehdään… https://t.co/LKdl2Pywie
joulu 07 • reply • retweet • favorite
ETN_fi Finnish PM Sanna Marin: We need to cut our dependence on China. https://t.co/598gQXKvlj #Slush2022 #China #electronics #semiconductors
marras 17 • reply • retweet • favorite
ETN_fi https://t.co/ugg6A09vln Need cm level accuracy in your positioning device? Now you can explore this with #ublox two… https://t.co/5rQNxsAu5V
loka 07 • reply • retweet • favorite
web design services
 

Section Tapet