Uusimmat älypuhelimet vaativat välillä enemmän tehoa esimerkiksi webbiselailussa. Tämä asettaa isoja vaatimuksia järjestelmän tehonsyötölle. Niihin voi vastata uuden polven regulaattoripiireillä.
Artikkelin kirjoittaja Sameer Dash on Intersilin sovellusinsinööri. Hän tuli Intersilin palvelukseen kesällä 2010 vastaamaan SIMetrix-simulointimallien kehityksestä. Helmikuussa 2012 Sameer siirtyi kehittämään mobiilisovellusten teholähteitä yhtiön Mobile Power Products -ryhmään. Hän vastaa uusien tuotteiden määrittelystä ja on ollut mukana suunnittelemassa teholähteitä useiden johtavien älypuhelin- ja tablettivalmistajien laitteisiin. Sameerilla on elektroniikkasuunnittelijan tutkinto DA-IICT-korkeakoulusta Intiasta sekä elektroniikkasuunnittleun johtamisen tutkinto Duken yliopistosta. |
Toiminta-aika akulla ja lämpöbudjetti ovat kaksi ratkaisevaa haastetta, joihin mobiililaitteiden tehonhallinnan järjestelmiä suunnittelevat törmäävät. Kun raudan ja ohjelmistojen suorituskyky on lisääntynyt, ja mobiililaitteisiin on tullut webbiselaimia, korkearesoluutioisia kameroita, suurempia teräväpiirtonäyttöjä, nopeampia prosessoreja ja 4G-yhteyksiä, ovat myös huipputehovaatimukset kasvaneet jänniteregulaattoreille, jotka syöttävät virtaa näihin järjestelmiin.
Rinnakkain toimivat prosessorit merkitsevät sitä, että virtakuormat kasvavat, mikä asettaa valtavia sähkö- ja lämpövaatimuksia tehonhallinnan järjestelmälle. Järjestelmäsuunnittelijat ovat kehittäneet luovia ratkaisuja lisätäkseen toiminta-aikaa akkuvirralla. Vaikka useimmat tehovaatimukset on jo integroitu älypuhelimen tai tabletin tehnhallintapiireille (PMIC, power management IC), tarvitaan myös erillisratkaisuja mobiililaitteiden seuraavan polven innovaatioille. Nämä kriittisen tärkeät ja hyvin erikoistuneet erillispiiriratkaisut parantavat PMIC:n suorituskykyä ja maksimoivat mobiililaitteen energiatehokkuuden.
Tässä artikkelissa kuvataan niitä haasteita, joihin mobiilituotteen energiatehokkuuden parantamisessa törmätään, ja näytetään kuinka tehosuunnittelijat hyödyntävät seuraavan sukupolven buck-boost -muuntimia eli jännitettä laskevia ja nostavia regulaattoreita lisätäkseen litiumioni- tai litiumpolymeeriakkujen elinikää, sekä pienentääkseen tehonkulutusta vastatakseen yhä tiukempiin lämpöbudjettien vaatimuksiin.
Buck-boost esiregulaattorina
Buck-boost -muuntimilla voidaan merkittävästi parantaa järjestelmän kokonaistehokkuutta ja pidentää sen akkutoiminta-aikaa. Erityisen menestyksekkäitä ne ovat olleet sellaisissa sovelluksissa, joissa niitä käytetään PMIC-piirillä LDO-regulaattorin (low dropout regulator) esisäädössä. Mobiililaitteiden PMIC-piirit voivat hyödyntää jopa 30 LDO-regulaattoria eri alijärjestelmissä kuten bluetoothissa, SD-muistissa, RF-vastaanottimissa, joissa LDO-lähtöjännite vaihtelee 1,2 ja 3,3 voltin välillä.
Näissä sovelluksissa tyypillisesti käytettyjen litiumioniakkujen jänniskaala voi yltää 4,35 voltista aina 2,5 volttiin nopeissa dynaamisissa kuormanmuutoksissa, vaikka akun jännite pidetään enimmän osan ajasta 3,7 voltissa.
Iso ongelma on se, että suuret LDO-jännitepudotukset aiheuttavat isoja tehohävikkejä ja jännitehäiriöt voivat aiheuttaa väliaikaisia alijännitteitä näissä alijärjestelmissä. Tämän voi ratkaista tuottamalla hyvin tarkkaan reguloidun lähtöjännitteen (esimerkiksi 3,3 volttia), mikä myös helpottaa LDO-järjestelmän suunnittelua ja tekee siitä ennustettavamman nopeissa kuormanmuutoksissa. Tärkein parannus saadaan kuitenkin siitä, että kaikkien LDO-regulaattorien drop-out -jännitettä voidaan laskea. Itse asiassa etu tehokkuudessa voi olla hyvinkin merkittävä. Myös lämpöbudjetin kannalta tämä on etu, sillä PMIC:n sisällä tehonkulutus pienenee. Tämä pienentää piirin lämpötilaa ja teho-MOSFETin resistanssia kaikissa PMIC-toiminnoissa.
On kaksi tapaa lähestyä tehonsyöttöä PMIC-LDO-regulaattoreilla, kuten kuvasta nähdään: joko suoraan akusta tai buck-boost -regulaattorin kautta.
Kuva 1: Tyypillinen mobiililaitteen tehojärjestelmä. Kaksi eri menetelmää LDO-tehonsyöttöön.
Intersilin suunnittelijat järjestivät kokeen verratakseen näiden kahden menetelmän vaikutusta akun toiminta-aikaan. Järjestely emuloi yleisiä käyttötilanteista, kuten videon lataamista wifi-yhteyden yli sekä luku- ja kirjoitusoperaatioita SD-muistikortille. Testissä havaittiin, että regulaattoria hyödyntävä ratkaisu lisäsi akun toiminta-aiikaa yli 8 prosenttia. Kaavio alla esittää pudotusta akun jännitteessä kun se puretaan samaan tilaan näissä kahdessa eri mentelmässä (akku-LDO vs. akku-regulaattori-LDO).
Kuva 2. Akun käyttötesti regulaattorin kanssa ja ilman.
Kuormattoman lepovirran pienentäminen
Normaalitoiminnassa saavutettujen tehonkulutussäästöjen lisäksi kytkinmuuntimet hyötyvät suuresti matalan tehon ohitus -moodista (low power bypass), joka on integroitu yllämainitussa testissä käytettyyn ISL91106-muuntimeen. Tämä näkyy alla kuvassa 3. Tässä moodissa muuntimen lähtö on suoraan liitetty tuloon, mikä auttaa pienentämään muuntimen lepovirtaa kuormattomassa tilassa jopa 98 prosenttia. Silti moodi säilyttää unitilan tai toiminnan monissa alijärjestelmissä - PMIC, SoC, audio, näyttö, kamera ja oheislaiteliitännät - joita esimerkiksi videonstriimaus vaatii.
Kuva 3. Buck-boost -muunnin, joka tarjoaa nastaohjatun ohitustoiminnon (bypass).
Tämä logiikkaohjattu ohitustoiminto tuo järjestelmäsuunnittelijoille sellaista joustavuutta, mitä perinteisillä kytkinmuuntimilla ei saada. Kun ohitustoiminto on otettu pois käytöstä (disabled), muunnin voi siirtyä takaisin tarkasti reguloituun lähtöjännitteeseen.
Seuraavan polven buck-boost -muuntimissa kuten ISL91106 ja ISL91107 käytetään H-silta-arkkitehtuuria, joiden hyötysuhde on jopa 96 prosenttia ja kotelokoko alle 20 neliömilliä. Silti ne tuottavat jopa 9 watin lähtötehon tyypillisistä litiumioni- tai litiumpolymeeriakuista.
Apple on ottanut ison askeleen irtautuessaan Qualcommin modeemeista ja julkaissut ensimmäisen oman 5G-modeeminsa, C1:n, iPhone 16e -mallin yhteydessä. Vaikka siirtymä tuo Applen laite- ja ohjelmistosuunnittelun entistä tiiviimmin yhteen, tuoreiden testien valossa Qualcommin modeemit tarjoavat edelleen parempaa suorituskykyä erityisesti nopeuden osalta.
OnePlus on päättänyt luopua yhdestä tunnistettavimmista ominaisuuksistaan eli fyysisestä Alert Slider -tilakytkimestä ja korvata sen uudella ohjelmoitavalla Plus Key -painikkeella. Muutos on osa yhtiön uutta tekoälystrategiaa, jonka keskiössä on ”käyttäjäkohtaisesti mukautuva älykkyys”.
Liikenne- ja viestintävirasto Traficomin mukaan mobiiliverkon laatu vaihtelee Suomessa huomattavasti alueittain. Bittimittari.fi-palvelun mittausten perusteella suurimmat erot näkyvät yhteysnopeuksissa kaupunkien ja maaseudun välillä.
Perinteinen elektroniikan valmistus perustuu prosesseihin, jotka johtavat usein materiaalihävikkiin, korkeisiin työkalukustannuksiin ja merkittäviin varastointikuluihin. Viime vuosina lisäävä valmistus (additive), erityisesti 3D-tulostus, on kuitenkin alkanut nousta varteenotettavaksi vaihtoehdoksi elektroniikan valmistuksessa, sillä se tarjoaa lisää suunnittelun joustavuutta sekä mahdollisia ympäristö- ja taloudellisia etuja.
Vaikka monet organisaatiot ovat jo ottaneet käyttöön perinteisiä tekoälyagentteja, tie täysin autonomisiin tekoälyagentteihin voi sisältää haasteita. Tekemällä strategisia investointeja ja omaksumalla metodisen lähestymistavan agenttien skaalaamiseen, sekä niiden erityisten roolien määrittelyyn, teollisuusyritykset voivat päästä loputtomalta tuntuvien kokeilujen yli ja alkaa nauttia tekoälyagenttien hyödyistä todellisessa elämässä, kirjoittaa teollisuuden ohjelmistoja kehittävän IFS:n tekoälyjohtaja Bob De Cuax.
