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.