Ultrakevyet kannettavat tietokoneet ja uusimmat 2-in-1 -hybridit hyödyntävät älykkäitä tehonhallinnan menetelmä pidentääkseen toiminta-aikaa akkuvirralla. Uusimpien tehonhallintapiirien avulla tehonsäästö voidaan maksimoida samalla kun laitteista saadaan yhä ohuempia ja kevyempiä.
| Artikkelin kirjoittaja Sungkeun Lim toimii sovellusinsinöörinä Intersilin mobiilitehonhallinnan tuoteryhmässä Research Triangle Parkissa Pohjois-Carolinassa. Hänellä on elektroniikkasuunnittelijan tutkinto Busanin yliopistosta Etelä-Koreasta ja tohtorin tutkinto Pohjois-Carolinan yliopistosta. |
Tämän päivän digitaalinen elämäntapa vaatii ultramobiileja tietokoneita. Niiden pitää olla ohuita, kevyitä, aina nettiin liitettyjä PC-koneita, jotka antavat omistajansa työskennellä aina ja kaikkialla ilman jatkuvaa akun lataamisen tarvetta.
Tehokas tehonkulutuksen hallinta vaikuttaa merkittävästi tietokoneen kykyyn vastata käyttäjänsä odotuksiin akunestosta, samoin kuin sen kokoon, paksuuteen ja painoon. Tehomääritykset kuten Intel VR12.x tai Mobile Voltage Positioning (IMVP) pyrkivät yksinkertaistamaan ja standardoimaan teholähteen toiminnallisuuden PC-prosessoreilla sekä tukemaan erilaisia toimintamoodeja, joilla pyritään maksimoimaan energiatehokkuus sekä aktiivisessa että valmiustilassa.
IMVP8-määritykset esimerkiksi Intelin Atom-prosessoriperheelle antavat CPU-yksikön alentaa käyttöjännitettään aktiivitilassa, kun virrantarve on korkeimmillaan. Tämä vähentää tehonkulutusta jännitteen neliön (P = V2/R) mukaisesti mikä minimoi akusta imettävän virran määrän, mutta myös vähentää prosessorin tuottamaa lämpöä. Viileämpänä käyminen auttaa yksinkertaistamaan laitteen lämpösuunnittelua, mikä puolestaan auttaa vähentämään laitteen koteloinnin painoa ja paksuutta.
Muut kehitykset tehonhallinnassa auttavat PC:tä pidentämään toiminta-aikaansa akulla samalla kun ne ovat välittömästi käyttövalmiita älypuhelimiin tottuneiden käyttäjien vaatimusten mukaisesti. Intelin ja Microsoftin yhdessä kehittämä CS-määritys (Connected Standby) tuo mukanaan uuden primäärin OFF-tilan, joka pitää verkkoyhteydet käynnissä alhaisen tehonkulutuksen tilassa. Tämän ansiosta PC herää henkiin paljon nopeammin kuin on mahdollista perinteisistä ACPI-uni- tai -horrostiloista (Hibernate), ja tuo näin käyttäjille modernin käyttökokemuksen, jossa verkkoyhteyksiä ei tarvitse odotella.
Integraatio säästää tilaa ja tehoa
Valmistaakseen valitun alustan määritysten mukaisen teholähteen suunnittelijat voivat toteuttaa tarvittavat hakkuriteholähteet, LDO-regulaattorit ja ohjauspiiristön erillispiireinä, mosfet-ajureina, teho-mosfetteina ja lisäksi tarvittavina passiivikomponentteina tai käyttää erityisesti ko. prosessorialustaa varten suunniteltua tehonhallintapiiriä (PMIC, power management IC).
Integroidun PMIC-ratkaisun käyttäminen voi säästää keskimäärin 80 prosenttia erillisratkaisun vaatimasta piirikorttialasta. Säästö tuo suunnittelijalle lisää joustavuutta: tilaa voidaan käyttää lisäämään ominaisuuksia, pienentämään emolevyn kokoa tai vaikkapa lisäämään ylimääräinen akku, mikä kasvattaa mobiililaitteen toiminta-aikaa.
Intersilin ISL95906- ja ISL95908-piirit olivat ensimmäiset uutta CS-moodia tukevat yhden sirun PMIC-ratkaisut. Näiden piirien avulla voidaan suunnitella luottokortin kokoisia emolevyjä high end -pään ultrabookeihin ja tabletteihin, joiden virranlähteeksi riittää kaksikennoinen litiumioniakku.
ISL95906-piiri VR12.6-alustoille ja ISL95908 IMVP-alustoille integroivat molemmat ohjaimeen tehomosfetin ja ajurit, LDO -regulaattorin, itsenäiset enable- ja power-good -ilmaisimet, I2C-liitännät ja vikasuojauksen/monitoroinnin kahdeksalle synkroniselle buck-regulaattorille.
Kuva 1 näyttää, miten ISL95908-piiriä käytetään IMVP8-alustassa yhdessä NVDC-lataajan, VCORE-regulaattorin ja kaksikennoisen akun kanssa. Pitkälle viety integrointi on keskeisessä roolissa pienentämässä PC:n sisäisen teholähteen vaatimaa piirikorttialaa. Kytkentänopeudet aina yhteen megahertsiin asti mahdollistavat pienemmän kondensaattorien ja induktorien käytön, mikä myös auttaa koon pienentämisessä.
Kuva 1. CS-moodia tukeva PMIC-piiri säästää merkittävästi tilaa ja tehonkulutusta.
Molemmat PMIC-piirit hyödyntävät Intersilin omaa R4-modulointitekniikkaa ja synteettistä hystereesistä virtaohjainta, jonka avulla saavutetaan mobiililaitteen tiukkojen tilavaatimusten tuomat kohinaimmuniteetin ja nopeiden vasteiden vaatimukset. Järjestelmäsuunnittelijat tukeutuvat usein ulkoiseen R-C-kompensointiverkkoon saavuttaakseen halutun suorituskyvyn, mutta R4-modulaattori eliminoi näiden komponenttien tarpeen ja siten säästää arvokasta korttialaa.
Vakaissa toimintaolosuhteissa haluttu kytkentätaajuus säilyy koko määritellyllä syöttö- ja lähtöjännitealueella, sekä virtakuormilla. Kuorman heitellessä piikkien aikana ohjain lisää tai vähentää PWM-pulssien määrää ja kytkentätaajuutta säilyttääkseen reguloidun lähtöjännitteen. Kuva 2 esittää tätä vaikutusta kuorma lisääntyessä ja kuva 3 näyttää VDDQ-kytkimen lähtöjännitettä samassa tilanteessa. Kun jänniteikkuna alkaa kuorman kasvaessa nousta, aika PWM-pulssien välillä lyhenee samalla kun kytkentätaajuus kasvaa säilyttääkseen lähtöjännitteen halutussa reguloidussa arvossa. Tämä vaste kuormapiikkiin mahdollistaa myös kokonaislähtökapasitanssin vähentämisen.
Kuva 2. Modulaattorin aaltomuoto kuormapiikissä.
Kuva 3. VDDQ-lähtöjännitteen aaltomuoto kuormapiikissä.
Tehokkuuden parantaminen alhaisilla kuormilla
Sen lisäksi, että Intersilin uudet PMIC-piirit säästävät tilaa, ne myös hyödyntävät tekniikoita kuten diodiemulointi (DE, Diode Emulation), jotka auttavat parantamaan tehokkuutta alhaisilla kuormilla. Ja tehokkuuden parantaminen alhaisilla kuormilla on tunnetusti tehokkain tapa pidentää akun toiminta-aikaa mobiililaitteissa.
DE-moodissa mosfet johtaa vain, kun virta siirtyy lähteestä nieluun, eikä se salli käänteistä virtaa. Kuten nimikin vihjaa, tämä toiminta emuloi diodin toimintaa standardissa buck-regulaattoriratkaisussa.
Kuten kuva 4 näyttää, kun LGATE on kytketty, mosfet johtaa virtaa, mikä luo negatiivisen jännitteen vaiheeseen ON-resistanssissa tapahtuvan jännitepudotuksen takia. Ohjain monitoroi virtaa vaihejännitteen avulla. Se kytkee LGATEn pois päältä, kun vaihejännite pääsee nollaan estääkseen induktorin virtaa kääntymästä. Jos virtakuorma saavuttaa kriittisen johtamispisteen (50 prosenttia induktorin virtakeskiarvosta) induktorin virta pysyy nollassa ennen seuraavaa vaihepulssia. Näissä olosuhteissa regulaattori on katkonaisessa tai epäjatkuvassa johtamistilassa (DCM, discontinuous conduction mode). Kun virtakuorma nousee kriittisen johtamispisteen yläpuolelle, induktorin virta ei ylitä nollaa ampeeria kytkentäjakson aikana ja regulaattori toimii jatkuvassa johtamistilassa (CCM, continuous conduction mode) vaikka ohjain onkin DE-moodissa. Tämän ansiosta kytkentähäviöt pienenevät DE-moodissa ja tehokkuus alhaisissa kuormissa paranee kytkentätaajuutta alentamalla.
Kuva 4. Toiminta diodiemulointi- eli DE-moodissa.
Kun PC on CS-tilassa (Connected Standby), PMIC-piiri saa sopivan signaalin #CS-nastan kautta (ks. kuva 1). Sen jälkeen PMIC-piiri siirtää kaikki kytkentämuuntimet pois R4-modulointimoodista ja käyttää niiden sijaan modulaattoria pienentämään ohjaimen tehoa ja kytkentähäviöitä. Modulaattori hidastaa DCM-kytkentätaajuutta kaikissa sirulla olevissa hakkuriteholähteissä ja siten pienentää kytkentähäviöitä jokaisessa regulaattorissa. Kuva 5 vertaa VDDQ-kytkimen DCM-pulssia normaalissa ja CS-toimintatilassa.
Kuva 5. VDDQ DCM -pulssi normaalissa tilassa ja CS-moodissa.
Ylivirran, ylijännitteen ja ylilämpötilan vikasuojaukset, kuten alijännite ja ylilämpötilavaroitukset parantavat edelleen järjestelmän tehokkuutta. Dedikoitu lämpötilan varoitussignaali ilmaisee, mikäli PMIC toimii nousseessa lämpötilassa. Mukana on myös yleisvaroitus (ALERT), joka ilmaiseen mikäli jokin muu vika tai varoitus on tapahtunut.
Johtopäätös
Vaikka mobiilijärjestelmien odotukset lisääntyvät koko ajan, myös tehonhallinnan mahdollisuudet parantuvat jatkuvasti. Tämä mahdollistaa seuraavan sukupolven mobiililaitteiden kehittämisen, jotka ovat entistä monipuolisempia ja joita pitää ladata yhä harvemmin. PMIC-tekniikan uusimmat edistysaskeleet tukevat usia tehokkaita PC-toimintamoodeja ja ne voivat korvata erillispiiriratkaisut. Näiden saadaan kooltaan pienempiä ja yhä enemmän energiaa säästäviä akkujen hallintajärjestelmiä.
Lue lisää:
1. Intersilin ISL95906 ja ISL95908 -tehonhallintapiirit
2. Lataa ISL95906-datalehti ja ISL95908-datalehti.
Saksalaislähtöinen Ubitium on kehittänyt innovatiivisen prosessoriarkkitehtuurin, joka yhdistää eri suorittimien (CPU, GPU, DSP, FPGA) toiminnot yhteen siruun. Yrityksen mukaan tämä uusi RISC-V-arkkitehtuuriin perustuva ratkaisu mullistaa yli 50 vuotta vanhan suorittimien suunnittelun.
Moni uusi sähköauton omistaja kokee toimintasädeahdistusta. Tätä ongelmaa autonvalmistajat voivat helpottaa siirtymällä piipohjaista IGBT-piireissä piikarbidiopohjaisiin siruihin. auton vetoinvertterissä.
