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.