Buck-boost-muuntimen hyödyntäminen esiregulaattorina mobiililaitteessa tarjoaa vakaasti säädetyn väyläjännitteen alijärjestelmien käyttöön. Esiregulaattori estää hetkelliset jännitenotkahdukset, kun akun napajännitteessä esiintyy vaihtelevan kuormavirran aiheuttamia jännitepudotuksia. Samalla se tarjoaa koko järjestelmälle entistä korkeamman hyötysuhteen.
| Artikkelin kirjoittaja Chuck Wong toimii Intersilin mobiilisovellusten suunnittelupäällikkönä. Hän johtaa sovellusten suunnittelutiimiä ja vastaa suorituskykyisten PMIC-piirien suunnittelusta ja tuotekehityksestä sekä buck-boost- ja boost-muunninpiireistä. |
Mobiilisovelluksissa käytettävien prosessorien ja grafiikkasuorittimien jatkuvasti kasvavan suorituskyvyn vuoksi buck-boost-tyyppisten regulaattorien soveltaminen litium-akun jännitteen stabiloimiseen on yhä tärkeämpää. Buck-boost-tyyppisellä muuntimella voidaan estää jännitteen lyhytaikaiset notkahdukset (brownout) vahvistamalla syöttöjännitettä aina akkujännitteen notkahduksen aikana. Ja kun akkujännite on korkea, buck-boost-regulaattori laskee syöttöjännitteen alemmalle tasolle tehohäviöiden vähentämiseksi alijärjestelmiä syöttävissä jänniteregulaattoreissa.
Tässä artikkelissa tarkastellaan mobiililaitteiden tehonsyötön alijärjestelmien tyypillistä arkkitehtuuria sekä buck-boost-regulaattorien hyödyntämisen perusteita. Lisäksi käydään läpi joitakin järjestelmän hyötysuhdelaskelmia, jotka kuvaavat niitä etuja, jotka saavutetaan käyttämällä buck-boost-tyyppistä muunninta esiregulaattorina. Laskelmat varmistavat, että hyviin tuloksiin päästään käyttämällä tähän korkean hyötysuhteen omaavaa buck-boost-piiriä.
Jännitenotkahdukset kuriin
Kaikilla mobiililaitteilla on yksi yhteinen piirre: ne toimivat akun voimin. Kaikilla akuilla puolestaan on sisäinen resistanssi, jonka vaikutuksesta jännite akun navoissa vaihtelee, kun varausta puretaan purskemaisilla virroilla. Sisäinen resistanssi vaihtelee akun varaustilasta riippuen ja on suurimmillaan, kun varaustila on alimmillaan. Kun litium-akun varaus on hiipumaisillaan, se tapahtuu noin 3,4 voltin jännitetasolla. Silloin sisäinen resistanssi saattaa olla niinkin korkea kuin 200 mΩ. Tällöin esimerkiksi neljän ampeerin purskemainen virta aiheuttaa 800 millivoltin pudotuksen akun napajännitteeseen, jolloin syöttölinjalle lähtevä jännite putoaa 2,6 voltin tasolle. Jos tavoitteena on saada LDO-regulaattorille (Low Drop Out) 2,85 voltin lähtötaso, ajautuu sen tulopuoli jo alijännitetilaan ja hetkellinen jännitenotkahdus on nähtävissä.
Matkapuhelinjärjestelmien tehonhallintapiirit (PMIC) hyödyntävät yleensä 20 – 30 LDO-regulaattoria, jotka syöttävät erikoistuneita alijärjestelmiä. Näitä ovat esimerkiksi Bluetooth, eMMC-muisti, microSD-muisti, WiFi, RF-lähetin-vastaanotin ja muut vastaavat lohkot. Kuvassa 1 nähdään tyypillisen tehonsyöttöjärjestelmän lohkokaavio sekä välijänniteväylällä nähtävä jännitenotkahdus voimakkaan purskemuotoisen kuormavirran aikana.
Kuva 1. Tyypillinen mobiililaitteen tehonsyötön lohkokaavio. Syntyvä väyläjännitteen notkahdus voidaan poistaa.
Hyötysuhde paremmaksi
Jos mobiililaitteen tehonsyöttöjärjestelmässä käytetään buck-boost-muunninta esiregulaattorina, saavutetaan lisäetuna entistä korkeampi hyötysuhde. LDO-regulaattorit voivat jakaa eteenpäin tasaisemman lähtöjännitteen niiden korkean PSRR-suhteen (power supply rejection ratio) ansiosta. LDO-regulaattorien lineaarisen säätöluonteen vuoksi tehohäviö saattaa kuitenkin olla liian suuri. Tämä ilmenee silloin, kun akku on ladattu täyteen ja tulojännite on korkeimmillaan lähtöjännitteeseen nähden.
Mobiilijärjestelmien tehonhallinnassa käytettävien LDO-piirien lähtöjännitteet ovat yleensä luokkaa 1,2 – 3,3 volttia. Litium-ioniakun tyypillinen jännite vaihtelee 4,35 voltista alimmillaan 2,5 volttiin, kun kuormitusvirran transientit otetaan huomioon, vaikka akun napajännite säilyisikin 3,7 voltin tasolla suurimman osan ajasta. Suuri jännitepudotus LDO-regulaattorissa aiheuttaa merkittävän heikennyksen hyötysuhteeseen.
Kun buck-boost-muuntimia käytetään PMIC-piirien hallinnoimien LDO-regulaattorien esiregulaattoreina, niiden avulla voidaan merkittävästi parantaa koko järjestelmän hyötysuhdetta ja siten pidentää akun käyttöaikaa. Hakkuriregulaattorit ovat hyötysuhteeltaan paljon parempia kuin lineaariregulaattorit. Akkujännite muunnetaan ensin hieman korkeammaksi kuin tavoiteltu LDO-ryhmän lähtöjännitetaso, joka on tyypillisesti 3,3 volttia. Buck-boost-lähtö asetetaan 3,4 voltin tasolle eli 100 mV korkeammaksi. LDO-regulaattorit saavat näin aina 3,4 voltin tulojännitteen akkujännitteestä riippumatta.
Hyötysuhteen laskuesimerkki
Seuraavassa esimerkissä on käytössä viisi LDO-regulaattoria, joista kunkin lähtövirta on 300 mA, eli kokonaisvirta on 1500 mA. Niiden lähtöjännite vaihtelee 1,7 – 3,3 voltin välillä keskiarvon ollessa 2,5 V. Akun jännite on 3,8 volttia ja buck-boost-muuntimen lähtö on asetettu 3,4 volttiin, jotta se ylittää LDO-ryhmän korkeimman lähtötason 3,3 V. Buck-boost-regulaattorin hyötysuhteelle käytetään tässä tilanteessa arvoa 97%, mikä on nähtävissä myös kuvan 3 hyötysuhdekuvaajasta. Tämän kaksivaiheisen muunnosarkkitehtuurin tarjoama hyötysuhde voidaan laskea seuraavasti.
LDO-regulaattorin hyötysuhde 3,8 voltin tulojännitteellä suoraan 3,8 V akusta:
LDO:n hyötysuhde esiregulaattorin kautta 3,4 voltin jännitteestä:
Yllä oleva esimerkki osoittaa hyötysuhteen paranevan 2,5 prosenttia. Vaikkei ero ole järin suuri, se voi merkittävästi pidentää akun käyttöaikaa (ks. kuva 5).
Korkean hyötysuhteen buck-boost-regulaattori
Intersilin kehittämiä korkean hyötysuhteen ja virtakapasiteetin omaavia buck-boost-muuntimia käytetään laajasti esiregulaattoreina erilaisissa mobiililaitteissa. Esimerkiksi ISL91127-piiri pystyy syöttämään kahden ampeerin virran 3,3 voltin lähtöjännitteellä, vaikka akkujännite laskisi alimmillaan 2,5 V tasolle. Tämä on luokkansa suurin virtakapasiteettilukema tämäntyyppisille muuntimille. Regulaattoripiirin tyypillinen sovellus nähdään kuvan 2 piirikaaviossa ja tyypilliset hyötysuhdekäyrät kuvassa 3.
Kuva 2. ISL91127-regulaattorin tyypillisen sovelluksen piirikaavio.
Kuva 3. Buck-boost-regulaattoripiirin ISL91127 hyötysuhde (VOUT = 3,3 V).
Korkean hyötysuhteen lisäksi ISL91127-piiri tarjoaa erinomaisen transienttivasteen, mikä auttaa eliminoimaan lähtöjännitteen notkahduksia. Kuvassa 4 nähdään piirin transienttivaste, kun tulopuolella esiintyy 800 millivoltin jännitenotkahdus. Ylempi kuvaaja esittää akun napajännitettä, kun kuormituksessa esiintyy voimakkaita purskemaisia virtoja. Alempi kuvaaja esittää väyläjännitettä regulaattorin lähdössä, josta LDO-regulaattorit ottavat tehonsa. Nopean transienttivasteen ansiosta jännitenotkahdus on saatu merkittävästi pienemmäksi.
Kuva 4. ISL91127-piirin transienttivaste (ylemmän kuvaajan skaala VIN 2V/div, alemman skaala VOUT 0,5V/div). VIN = 3,8V...3V...3,8V. VOUT = 3,3V, IOUT = 1 A.
Iso parannus suorituskykyyn
Edellä esitetty menettely tarjoaa merkittävän parannuksen hyötysuhteeseen, kun ISL91127-piiriä käytetään esiregulaattorina mobiilisovelluksessa. Akun käyttöaikavertailussa ajettiin suurella virralla kahta alijärjestelmää, WiFi-moduulia ja SD-muistikorttia. Videovirtaa ajettiin WiFi-verkon yli ja luku-kirjoitusoperaatioita tehtiin SD-muistikortille. Vertailua varten akun käyttöaika mitattiin esiregulaattorin kera ja ilman sitä. Tässä tapauksessa todettiin, että esiregulaattoria hyödyntämällä käyttöaikaa voitiin pidentää yli 12 prosenttia. Kuvassa 5 nähdään vertailu akun purkautumisesta esiregulaattorin kera ja ilman, kun samaa sovellusta ajettiin samalla akulla.
Intersilin buck-boost-piiri ISL91127 tarjoaa näin mittavan virtakapasiteetin ja korkealla hyötysuhteella toimivan tehonjakelun sekä nopean transienttivasteen kaikenlaisiin mobiililaitteisiin.
Kuva 5. Käytännön vertailuesimerkki mobiilisovelluksen käyttöajasta esiregulaattorin kera ja ilman.
Tekoäly, kehittyneet yhteydet ja tietoturva muuttavat sulautettujen järjestelmien arkkitehtuureja. Laskentateho kasvaa nopeasti samaan aikaan, kun laitteiden fyysinen koko pienenee. Tietoturva, datan hallinta ja uudet säädökset lisäävät vaatimuksia niin yhteyksille kuin suunnittelullekin. Samalla laitevalmistajat pyrkivät nopeuttamaan tuotekehitys- ja testaussyklejään.
