logotypen
 
 

IN FOCUS

IP suojaan ulkoiseen muistiin

Monet markkinoilla olevat mikro-ohjaimet tarjoavat tallennuskapasiteettia muutamien megatavujen verran, mikä vaikuttaa merkittävästi tuotteen hintaan. Sopiva vaihtoehtoinen ratkaisu on käyttää ulkoista muistia, jota voidaan hankkia suuremmissa määrissä selvästi edullisempaan hintaan ja useilla eri kapasiteettivaihtoehdoilla – yleensä muutamasta megatavusta satoihin megatavuihin.

Lue lisää...

Tehopiireissä voidaan uusilla CMOS-rakenteilla pienentää sisäistä resistanssia ja siten kutistaa kytkinhäviöitä. Itävaltalaisen ams:n artikkeli kertoo, mihin tämä perustuu.

Artikkelin kirjoittaja Emir Serdarevic on toiminut ams:llä suunnittelijana ja projektipäällikkönä vuodesta 2004 lähtien. Hän on vastannut ams:n standardilineaarituotteiden suunnittelusta, pääasiassa tehonhallinnan alueella. Emirillä on elektroniikkasuunnittelijan tutkinto Grazin teknisestä yliopistosta.

DC-DC-muunninpiirien suunnittelussa on edistytty viime vuosina paljon kasvattamalla niiden kytkentätaajuutta. Tämä on johtanut parempaan suorituskykyyn – tarkempaan regulointiin ja nopeampaan vasteeseen jännitevaihteluissa – sekä muuntimien viemän tilan pienentymiseen.

Silti muunninsuunnitteluja on haitannut kaksi perustavaa heikkoutta, mitä tulee energiatehokkuuteen: tehokytkimen koon pienentämisellä on taipumus heikentää sen tehokkuutta ja tehon pienentäminen takaisinkytkentäosiin (feedback elements) heikentää muuntimen suorituskykyä.

Nyt uudet lähestymistavat tehomuuntimien valmistuksessa ja takaisinkytkennän toiminnassa ovat korjanneet DC-DC-muuntimien hyötysuhteen aiemmat rajoitukset. Tässä artikkelissa kuvataan näitä lähestymistapoja ja kuvataan niiden vaikutuksia pienitehoisten ja akkukäyttöisten laitteiden suunnitteluun.

DC-DC-muuntimen perustoiminta

Vaikka sekä buck- että boost-tyyppisten muuntimien valmistajat ovat omaksuneet useita eri topologioita yrittäessään optimoida piirien kokoa, nopeutta, hyötysuhdetta tai hintaa, ne kaikki sisältävät käytännössä samat peruselementit. Tulojännite muunnetaan syöttöjännitteeksi kahden kytkimen avulla (ks. kuva 1). Ohjain monitoroi lähtöjännitettä ja tätä feedback-palautteen avulla se määrittelee pulssinleveyden, joka vaaditaan halutun syöttöjännitteen tuottamiseen.

Kuva 1. Kun S1 (kytkin 1) on kiinni ja S2 auki, induktori L1 on varattu. S1:n ollessa auki ja S2:n kiinni L1:n varaus on purettu.

Useat tekijät tällaisessa DC-DC-muuntimessa aiheuttavat tehohäviöitä:

- epäihanteelliset ulkoiset komponentit kuten käämit ja kondensaattorit
- epäihanteelliset kytkimet, jotka aiheuttavat kytkinhäviöitä kun virtaa johdetaan niiden läpi, nämä hävikit ovat hallitsevia jatkuvassa toiminnassa (suurissa kuormissa)
- sisäinen kontrolliosat, jotka kuluttavat tehoa: näihin saattaa kuulua esimerkiksi virta-anturi ja referenssijännite (nämä hävikit ovat hallitsevia kevyissä virtakuormissa)

Tehomuuntimien suunnittelun perusrajoitukset

On olemassa yksinkertainen tapa vähentää kytkinhäviöitä jatkuvassa toiminnassa: kytkimien koon kasvattaminen. Mutta tätä ei haluta tehdä sovelluksissa, joissa tilaa on vähän käytössä. Piirin koon kasvattaminen myös tekee siitä kalliimman. Siksi on tarpeen tehdä kytkimistä riittävän suuria, jotta ne kestävät kuormahuiput ja hyötysuhteeltaan riittävän tehokkaita samalla, kun ne saadaan sopivat haluttuun piirikorttialaan ja materiaalikustannusten budjettiin.

Kevyillä kuormilla tärkeimpiä hävikkejä voidaan pienentää vähentämällä sisäisiin ohjainlohkoihin syötettyä tehoa, mutta tämä hidastaa piiriä ja heikentää sen tarkkuutta. Lisäksi toimintojen kuten nollakohtien (zero-crossing) havaitsemisen ja virran aistimisen täytyy toimia laadukkaasti tai koko muuntimen toiminta heikentyy.

Uusia valmistustekniikoita virranhallintaan

Yllä kuvattujen kompromissien perusluonteen määrittävät fysiikan lait. Tämän takia esimerkiksi suurempi tietyssä valmistusprosessissa valmistettu kytkin hukkaa vähemmän energiaa kytkentäoperaatioissa kuin samassa prosessissa valmistettu pienempi kytkin.

Parannettu prosessi voi kuitenkin tuottaa tehokkaamman pienemmän kytkimen, ja tähän muunninpiirien valmistajat nyt keskittyvät pienentääkseen aiemmin kuvattujen kompromissien vaikutuksia.

Esimerkiksi ams:n uusimmissa tehokytkimien sukupolvissa mosfet on toteutettu kennotyyppisellä waffle-rakenteella standardissa CMOS-prosessissa. Tätä rakennetta luonnehtii sen hyvin alhainen resistanssi ja jokaisen virtaa kuljettavan polun suuri liitäntöjen määrä. Molempien ominaisuuksien tarkoitus on pienentää kytkinhäviöitä.

AS3729B-mosfet hyötyy tästä uudesta rakenteesta. Se on tarkoitettu suurten, esimerkiksi tabletteja ja älypuhelimia ohjaavien sovellusprosessorien tehopiirien toteuttamiseen. Piiri tukee 8 ampeerin kuormahuippuja ja sen hyötysuhde on yli 90 prosenttia. Silti piirin koko on vain 1,615 x 1,615 millimetriä WLP-kotelossa.

Piirissä on kaksi kanavaa, joissa kuormapiikki voi olla neljä ampeeria (ks. kuva 2). Jokainen kytkinnapa on symmetrisesti liitetty kahteen nystyyn kotelossa. Tämä tarkoittaa, että yhden nystyn läpi virtaa enimmillään kahden ampeerin virta. Tämä suhteellinen alhainen virta napaa kohti auttaa pitämään kytkinhäviöt alhaisempina kuin mitä normaalisti 8 ampeerin kuormia kytkevältä mosfetilta odotetaan.

Kuva 2. AS3729B-tehopiirillä on symmetrinen kaksikanavainen rakenne.

Takaisinkytkentä

Jos halutaan pienentää kytkimen tehohäviöitä pienentämällä sen sisäisten osien resistanssia, tehokkain tapa pienentää häviöitä takaisinkytkentäsilmukassa olisi kääntää se pois päältä. Silmukka on kuitenkin muunninjärjestelmän peruskomponentti, joten sitä ei voi täysin kääntää off-asentoon.

Tämän takia muunnin pitää suunnitella niin, että sisäiset lohkot voidaan sammuttaa silloin kun niitä ei tarvita. Tarvittaessa ne pitää käynnistää ja saada käyttöön erittäin nopeasti.

Itse asiassa tämä toimintatapa mahdollistaa suuren virran syöttämisen näihin lohkoihin – joten ne voivat toimia suuremmalla nopeudella – niinä lyhyinä aikoina, jolloin niitä tarvitaan. Keskimääräinen tehohäviö voi silti olla alhainen, sillä kulutettu energia = teho*aika. Tämä lähestymistapa on osoittautunut paljon paremmaksi kuin menetelmä, jossa ohjainlohkoihin syötettyä virtaa pienennetään normaalissa toiminnassa.

Osittaista sammuttamista voidaan kuvata tavallisella buck-muuntimella, joka näkyy kuvassa 1. Kytkimet S1 ja S2 varaavat ja purkavat käämiä L1. Boost-muunnosprosessissa on kaksi tilaa:

1) S1:n ollessa kiinni ja S2:n auki virta johtuu käämiin (koska Vin>Vout) ja energiaa varastoidaan käämiin.
2) Kun S1 on auki ja S2 kiinni, käämiin varastoitua energiaa puretaan ja siihen johtuva virta putoaa (koska Vout>Vin).

Kun S1 on kiinni ja käämin virta nousee, muuntimen pitää aistia virta jotta se olisi valmis avaamaan kytkimen, kun virtaraja saavutetaan. Jos kytkin avataan liian aikaisin, piiri ei tue sille määriteltyä maksimikuormaa. Jos kytkin avataan liian myöhään, käämi saattaa vahingoittua. Tämä tarkoittaa, että virtaa haistelevan lohkon täytyy toimia hyvin tarkasti kaikissa olosuhteissa.

Kun S2-kytkin on suljettu ja käämin virta pienenee, tarkka nollakohdan havaitseminen estää negatiivista virtaa johtumasta, mikä heikentäisi järjestelmän tehokkuutta. Samaan aikaan kytkentäpisteen pitäisi tulla mahdollisimman lähellä nollaa ampeeria, mikä minimoisi kytkinhäviön ja kohinan. Näin nollakohta pitää havaita erittäin tarkasti kaikissa olosuhteissa.

Asiat tekee vielä monimutkaisemmaksi se, että pieniä hyötysuhteeltaan suorituskykyisiä tehopiirejä on mahdotonta ohentaa (TRIM). Siksi tehopiirin suunnittelussa täytyy varautua prosessivariaatioihin ja kahden eri komponentin erilaisuuteen.

Miten näissä hankalissa oloissa voidaan osa feedback-järjestelmästä kääntää pois päältä?

Itse asiassa todellinen haaste on se nopeus, jolla käämin virta nousee ja laskee. Kaavion U = L*di/dt mukaisesti muutoksen nopeus käämin virrassa on suoraan verrannollinen käämin jännitteeseen ja epäsuorasti verrannollinen käämin arvoon: di/dt = U/L.

Jännite U on tyypillisesti noin viisi volttia ja muunninsuunnitteluissa trendi vie käämin arvoa pienemmäksi ja pienemmäksi. Uusimmat myyntimet käyttävät käämejä, joiden arvo on 1µH tai jopa 0,5µH. Jos U = 2 V ja L = 0,5 µH, di/dt = 2V/0.5µH = käämin virta muuttuu 4A mikrosekunnissa.

Tämä on erittäin nopeaa. Virta muuttuu 4 milliampeeria joka nanosekunti! Tarvitaan siis erittäin nopeaa virrantunnistusta ja vastetta. Tämä taasen vaatii, että takaisinkytkentään syötetään vähintään muutaman milliampeerin virtaa. Syöttövirran pienentäminen liikaa heikentäisi näiden lohkojen suorituskykyä tavalla, jota ei voi hyväksyä.

Siksi on parempi kääntää nämä osat pois päältä kokonaan, kun niitä ei tarvita ja syöttää niihin kaikki niiden tarvitsema virta silloin kun niitö tarvitaan. Tämä tarkoittaa, että lohkojen pitää käynnistä erittäin nopeasti. Kun katsotaan uudestaan kuvaa 1, virranaistimislohko voidaan kääntää päälle ja pois, kun S1-kytkin käännetään päälle ja pois. Nollakohdan tunnistus voidaan kääntää päälle ja pois, kun S2 kytketään päälle ja pois.

AS3729B-piirillä tämä on toteutettu virran monitoroinnilla ja muilla tekniikoilla, jotka mahdollistavat takaisinkytkennän käyttöönoton alle 10 nanosekunnissa. Tällä pienellä viiveellä ei ole varsinaista vaikutusta toimintojen suorituskykyyn, mutta ratkaisun myötä säästetään kaikki se energia, joka olisi muuten kulunut näiden osien käynnissä pitämiseen silloinkin, kun niitä ei tarvita.

Uusilla tekniikoilla lähes 90 prosentin hyötysuhteeseen

Tehojärjestelmän suunnittelijan kannalta DC-DC-muuntimen tärkein ominaisuus ei ole sen sisäinen rakenne, vaan (normaalisti) sen hyötysuhde. Korkea hyötysuhde auttaa pidentämään akkukäyttöisen laitteen toiminta-aikaa latausten välillä ja lisäksi se auttaa välttämään ylimääräisen hukkalämmön tuottamista. Tämän päivän akkukäyttöisissä laitteissa suunnittelijat tyypillisesti määrittelevät monihyötysuhteen koko toiminta-alueella 80 prosenttiin, ja huippukuormilla noin 90 prosenttiin.

AS3729B-tehopiirillä kahden tärkeimmän tehohävikin lähteen pienentäminen on auttanut saavuttanut hyvin korkean hyötysuhteen. Kuten kuva 3 näyttää, hyötysuhde lähes koko toiminta-alueella on tyypillisesti lähellä 90 prosenttia.

Tämä osoittaa, että läpimurrot valmistustekniikassa ja edistysaskeleet ohjaussilmukan toiminnassa voivat pienentää muuntimeen koon ja hyötysuhteen välillä tehtävän kompromissin vaikutuksia. Näinkin pieni piiri voi käsitellä suuria virtoja hyvin tehokkaasti.

Kuva 3. Hyötysuhde lähtövirtaan verrattuna erilaisia YDK-käämejä käyttävissä järjestelmissä.

 

MORE NEWS

Trumpin politiikka voi nostaa seuraavan iPhonen hintaa jopa 40 prosenttia

USA Todayn mukaan Applen iPhonet saattavat kallistua jopa 43 prosenttia Yhdysvaltain presidentin Donald Trumpin uusien tullien seurauksena. Trump ilmoitti keskiviikkona laajasta uudesta tullisuunnitelmasta, jonka tavoitteena on vauhdittaa yhdysvaltalaista tuotantoa. Tämä sisältää 34 prosentin lisätullit Kiinasta tuotaville tuotteille, mikä nostaa kokonaistullin 54 prosenttiin – korkeimmaksi Yhdysvaltain historiassa Kiinaa kohtaan.

Tänä vuonna jo joka viides uusi auto kulkee sähköllä

Sähköautojen suosio jatkaa kasvuaan haasteista ja epäilyksistä huolimatta. Uusimpien tilastojen mukaan vuonna 2025 jo 18 % maailmanlaajuisista autokaupoista kohdistuu sähköautoihin – kolme kertaa enemmän kuin viisi vuotta sitten.

Microsoft lähti liikkeelle 50 vuotta sitten BASIC-tulkista

Microsoft juhlii tänä vuonna 50-vuotista taivaltaan, ja juhlan kunniaksi yhtiön perustaja Bill Gates julkaisi alkuperäisen ohjelmakoodin, joka käynnisti koko teknologiayrityksen – Altair BASIC -tulkin. Gatesin mukaan kyseessä on "siistein koodi, jonka olen koskaan kirjoittanut".

Rohde lisäsi tehoa EMC-mittauksiin

Rohde & Schwarz on julkaissut päivitetyn version ELEKTRA-ohjelmistostaan, joka tuo lisää tehoa ja automaatiota EMC-mittauksiin. Uusi ohjelmistoversio tukee kaikkia ajankohtaisia EMC-standardeja eri toimialoilla – mukaan lukien kaupallinen elektroniikka, autoteollisuus, langattomat järjestelmät, puolustus ja ilmailu.

Tekoäly vaikuttaa lähes joka toiseen työpaikkaan

Tekoäly on nopeasti nousemassa maailman talouksien uudeksi moottoriksi – ja murroksen keskiössä ovat työmarkkinat. YK:n kauppa- ja kehitysjärjestön (UNCTAD) tuoreen Technology and Innovation Report 2025 -julkaisun mukaan jopa 40 prosenttia maailman työpaikoista on alttiina tekoälyn vaikutuksille. Se voi tarkoittaa joko työn automatisointia tai sitä, että työtehtävät muuttuvat perustavalla tavalla.

Tamperelaissiru purkaa useampia audiovirtoja kuin mikään muu prosessori

Tamperelainen VLSI Solution on julkaissut uuden sukupolven audioprosessorin, joka asettaa uudet standardit äänenkäsittelylle sulautetuissa järjestelmissä. VS1073-uutuuspiiri pystyy purkamaan ja käsittelemään enemmän äänenpakkausmuotoja kuin mikään muu prosessori markkinoilla – mukaan lukien uudet tuetut formaatit kuten ALAC, DSD, Opus ja AC-3.

Uusi LUMI-supertietokone yllättää: kylkeen tulee kvanttitietokone

Suomeen rakennetaan maailman tehokkainta tekoälysupertietokonetta, ja sen rinnalle kehitetään nyt myös täysin uusi kvanttilaskenta-alusta. LUMI AI Factory -hankkeen johtaja Pekka Manninen vahvistaa, että uusi huippuluokan laskentaympäristö käynnistyy keväällä 2027.

Samsungin uusin tuo tekoälyn jäässä oleville tablettimarkkinoille

Tablettimarkkinat hakevat suuntaa, mutta Samsung uskoo tekoälyyn. Yhtiö julkaisi 2. huhtikuuta uuden Galaxy Tab S10 FE -sarjan, joka tuo älykkäät ominaisuudet yhä useamman käyttäjän ulottuville. Vaikka markkina kokonaisuudessaan junnaa lähes paikallaan, Samsung pyrkii herättelemään sitä AI-pohjaisella tuottavuudella ja kevyellä muotoilulla.

Trumpin tullit aiheuttavat suurta epävarmuutta puolijohdealalla

Yhdysvaltain presidentti Donald Trump on ilmoittanut uusista tullipolitiikoista, jotka uhkaavat horjuttaa puolijohdeteollisuuden globaaleja toimitusketjuja. Trumpin hallinto on määrännyt 10 prosentin perustullin kaikkiin tuontituotteisiin ja jopa 32 prosentin tullit valikoiduille maille, kuten Taiwanille. Vaikka Taiwanin puolijohteet ovat toistaiseksi tullivapaita, alan toimijat elävät epävarmuudessa mahdollisista tulevista muutoksista.

Maailman ensimmäisessä MEMS-kompassissa ei ole liikkuvia osia

Ranskalainen teknologiayritys SBG Systems on esitellyt maailman ensimmäisen MEMS-pohjaisen gyrokompassin, joka kykenee määrittämään suunnan ilman GNSS-apua ja täysin ilman liikkuvia osia. Tämä inertianavigoinnin läpimurto avaa uuden luvun tarkassa ja kompaktissa paikannuksessa, erityisesti merenkulun ja robotiikan sovelluksissa.

Cadence demosi eurooppalaisvoimin kehitettyä ajoneuvojen SoC-piiriä

Euroopassa pitäisi vähentää riippuvuutta sekä kiinalaisesta että amerikkalaisesta tekniikasta. Muutaman viikon takaisilla Nürnbergin Embedded World -messuilla nähtiinkin tähän suuntaan kasvavia versoja. Esimerkiksi Cadence ja saksalainen Dream Chip Technologies esittelivät uuden sukupolven älykkään SoC-järjestelmäpiirin ajoneuvosovelluksiin.

LUMI-tekoälytehdas on yksi ensimmäisiä Euroopassa

LUMI-tekoälytehdas avaa uuden luvun eurooppalaisessa tekoälyn kehityksessä yhdistämällä huipputeknologian, asiantuntijuuden ja yhteistyön ainutlaatuiseksi kokonaisuudeksi. Tekoälyhubin fyysiset tilat sijoittuvat Espoon Otaniemeen Aalto-yliopiston yhteyteen, ja laskennan ydin toimii Kajaanissa, missä nykyinen LUMI-supertietokone tarjoaa maailmanluokan suorituskykyä tekoälykehitykselle.

Jyväskylän ylioppilaskylään maailman nopein opiskelijanetti

Kotimainen valokuituyhtiö Lounea toteutti Jyväskylän yliopiston ylioppilaskunnan Soihtu-asuntoihin huippumodernit nettiyhteydet. Opiskelijakylä nousi kerralla maailman kärkeen tarjoamalla asukkailleen poikkeuksellisen nopeat verkkoyhteydet. 

Painetun elektroniikan tutkija TactoTekin teknologiajohtajaksi

Oululaistaustainen elektroniikkayhtiö TactoTek on nimittänyt tekniikan tohtori Pälvi Apilon uudeksi teknologiajohtajakseen. Apilo on ollut osa TactoTekin asiantuntijatiimiä vuodesta 2018 ja toiminut viimeksi yhtiön ennakoinnin ja tutkimuksen johtajana.

Linuxista tulee parempi pelaajille

Linux-kernelin tuore 6.14-päivitys lupaa merkittäviä suorituskykyparannuksia Windows-pelejä pelaaville Linux-käyttäjille. Ytimeen on tuotu parannettu NTsync-ajuri, jonka ansiosta Wine- ja Proton-yhteensopivuuskerrosten kautta ajettavat pelit voivat hyötyä jopa satojen prosenttien teholisästä tietyissä tilanteissa.

Eficoden aprillijuttu oli hieno

Yli 600 koodaajan ohjelmistotalo Eficode päätti tänä vuonna aprillipäivän kunniaksi viedä kehittäjähuumorin uudelle tasolle julkaisemalla kuvitteellisen SUAMI-järjestelmän – Single Unified AI Metrics Indicator – joka mittaa kehittäjien tuottavuutta sielunmaiseman, eksistentiaalisen ahdistuksen ja astrologian avulla.

Maksupäätteen kosketusnäyttö vaatii vahvan tietoturvan

Kosketusnäyttö on olennainen osa jokaista nykyaikaista maksujärjestelmää ja myyntipisteen POS-päätettä (point of sale terminal). Sen tietoturvaan on kiinnitettävä erityistä huomiota.

Taivuteltavien älypuhelimien markkina kutistuu ensimmäistä kertaa

Taivuteltavien älypuhelimien maailmanlaajuinen markkina kutistuu tänä vuonna ensimmäistä kertaa historiassaan, kertoo Counterpoint Researchin tuore ennuste. Vuonna 2025 odotetaan neljän prosentin laskua, mikä katkaisee segmentin tähän asti kasvaneen trendin.

Tekoäly havaitsee poikkeamat avaruudessa

AMD on julkistanut uuden avaruuskelpoisen järjestelmäpiirin, Versal AI Edge XQRVE2302:n. Se vie tekoälypäättelyn (AI inferencing) avaruuteen. Piiri on nyt saavuttanut Class B -luokituksen, joka perustuu Yhdysvaltain puolustusvoimien MIL-PRF-38535-standardin vaatimuksiin.

Julkinen Wi-Fi altistaa hakkereille – silti miljoonat ottavat riskin

Julkiset Wi-Fi-verkot löytyvät lähes jokaisesta kahvilasta, junasta ja lentokentältä. Ne houkuttelevat nopeaan nettiyhteyteen liikkeellä ollessa, mutta uuden globaalin tutkimuksen mukaan kyseessä on digitaalinen miinakenttä. Kyberturvayhtiö NordVPN:n teettämä kysely paljastaa, että 69 % matkustajista on huolissaan kyberuhkista matkan aikana – ja pelko on perusteltu.

Maksupäätteen kosketusnäyttö vaatii vahvan tietoturvan

Kosketusnäyttö on olennainen osa jokaista nykyaikaista maksujärjestelmää ja myyntipisteen POS-päätettä (point of sale terminal). Sen tietoturvaan on kiinnitettävä erityistä huomiota.

Lue lisää...

Tekoäly vaikuttaa lähes joka toiseen työpaikkaan

Tekoäly on nopeasti nousemassa maailman talouksien uudeksi moottoriksi – ja murroksen keskiössä ovat työmarkkinat. YK:n kauppa- ja kehitysjärjestön (UNCTAD) tuoreen Technology and Innovation Report 2025 -julkaisun mukaan jopa 40 prosenttia maailman työpaikoista on alttiina tekoälyn vaikutuksille. Se voi tarkoittaa joko työn automatisointia tai sitä, että työtehtävät muuttuvat perustavalla tavalla.

Lue lisää...

 

Tule tapaamaan meitä tulevissa tapahtumissamme.
R&S-seminaareihin saat kutsukirjeet ja uutiskirjeet suoraan sähköpostiisi, kun rekisteröidyt sivuillamme.
 
 R&S -seminaari: 5G Advanced & Beyond
Oulussa 13.5.2025
Espoossa 14.5.2025
 
R&S -seminaari: Calibration
Tampereella 22.5.2025

Seminaareihin ilmoittautuminen ja tiedustelut:
asiakaspalvelu@rohde&schwarz
 

 

LATEST NEWS

NEW PRODUCTS

 

ETNinsta

THIS SPACE TEMPORARILY LEFT BLANK
 
article