Kā pagarināt daudzuzdevumu viedtālruņa dizaina darbības laiku

Aicina pagarināt tiesnešu disciplināratbildības noilgumu (Jūnijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Stingra jauda un siltuma vadība samazina izšķērdēto jaudu un kontrolē temperatūras paaugstināšanos

Ar Nazzareno (Reno) Rossetti un ChiYoung Kim, Maxim Integrated

Augstas veiktspējas daudzkodolu procesori ar integrētām grafikas apstrādes vienībām ir nonākuši pie viedtālruņiem. Viedtālruņos tagad ir iespējas, ko sagaidījām no augstas klases audio / video iekārtas un galddatoriem. Šodienas viedtālruņiem ir 4K video uztveršana, augstas klases spēļu, programmu daudzuzdevumu izpilde, virtuālās realitātes funkcijas un lielāka ekrāna izšķirtspēja.

Lai gan šīs ir lieliskas iezīmes no lietotāja viedokļa, tām nepieciešams liels aprēķinu apjoms, kas izraisa lielu enerģijas patēriņu sistēmā, kas rada lielu siltumu. Lai savienotu šo problēmu, aparatūras tilpums ir jāveido nelielos formas faktoros, tādēļ ir grūti izdalīt šo siltumu. Šajā rakstā ir apskatīts risinājums problēmām, kas saistītas ar viedtālruņa enerģijas izsalkušo procesoru barošanu.

1. attēls: viedtālruņu un planšetdatoru CPU kodols.

Lielāka jauda pārveidotājam
Saistībā ar iepriekš izklāstītajām tendencēm, buck pārveidotājs, kas spēlē šo pārstrādātāju, ir attīstījies no vienfāzes ierīces, kas nodrošina vairākus simtus mijmaiņus strāvas uz daudzfāžu ierīci, kas var veiksmīgi piegādāt vairāk nekā desmitus strāvas ampēros. Pat tad, jaunāko viedtālruni parasti akumulatora ietilpība nedaudz pārsniedz 2000 mAh. Tas nozīmē, ka, ja tas patērētu vienu nepārtrauktas strāvas ampēru, tas ilgst tikai divas stundas, nemaz nerunājot par plaši paredzamo pilnu darbības dienu. Pēc tam burvība tiek veikta stingrai jaudai un siltuma vadībai, kas samazina izšķērdēto jaudu un kontrolē temperatūras paaugstināšanos, nepieciešamības gadījumā sniedzot nepieciešamās jaudas pīķus un nekavējoties atkāpjoties mazjaudas režīmos.

  • Termiskā problēma

Piemēram, PCB montāžas procesors ar termoizturības savienojumu ar apkārtējo vidi R = 50 ° C / W un siltuma kapacitāti C = 6 džouli / ° C zem jaudas impulsa P = 10 W (10 A x 1 V), temperatūras paaugstināšanās piedzīvotu pietiekami ilgu laiku ar nepārprotami nepieņemamu daudzumu ΔT = R x P = 50 x 10 = 500 ° C. Tomēr, ja jaudas impulss ir ierobežots laikā - piemēram, t = 60 s - tad temperatūras paaugstināšanos samazinās RC konstanta ietekme un tā ir ierobežota ar pieņemamāku ΔT ≈ tx P / C = 60 x 10 / 6 = 100 ° C. Lineārais tuvinājums ΔT ir spēkā attiecībā uz t <RC un e -t / RC << 1. Šis piemērs parāda, cik svarīga ir dinamiskā, nevis statiskā vadīšana jauda, ​​saprotot un vadot sistēmas jaudas profilu laika gaitā attiecībā pret tā siltuma konstantes.

  • Efektivitātes izaicinājums

Attiecīgi slēdžu regulators IC ar siltuma pretestību R = 60 ° C / W un siltuma kapacitāte C = 4 džouli / ° C, piegādājot 10 W jaudas impulsu ar efektivitāti η = 85%, izkliedēs jaudu P = ( 1-η) x P = 0, 15 x 10 = 1, 5 W. Pieņemot, ka visiem zaudējumiem, pateicoties pietiekamam laika periodam, var attiecināt IC, tā temperatūra pieaugtu līdz ΔT = R x P = 60 x 1.5 = 90 ° C virs apkārtējā temperatūra. Tomēr pēc 60 s temperatūra paaugstināsies tikai ar ΔT ≈ tx P / C = 60 x 1, 5 / 4 = 22, 5 ° C.

Protams, jo augstāka ir efektivitāte, jo zemāki zudumi, kas rodas sprieguma regulatoram, un zemāks temperatūras pieaugums.

  • Precizitātes spēks

Sprieguma regulators, kas piegādā 0, 9 V izeju ar ± 1% precizitāti līdz rezistīvajai slodzei Rr ar + 1% kļūdu, nodrošinās 2% lielu jaudu (V 2 / Rr). Tas pats ir, ņemot efektivitātes līkni un samazinot to par diviem procentu punktiem! Precīzija taupa enerģiju.

  • Ātrās īslaicīgās reakcijas spēks

Lēna sprieguma regulatora izeja peld zem pozitīva pārejoša slodze, un tā būs jānovieto augstāka, lai nodrošinātu, ka slodze saņem minimālo spriegumu, kas nepieciešams darbībai. Līdzīgi apsvērumi ir spēkā arī regulatoram, kurš izstaro augstsprieguma pulsāciju. Abos gadījumos tas izraisa nevajadzīgu jaudu un lielāku siltuma ražošanu, un galu galā tas ilgst mazāk akumulatora darbības laiku. Ātra pārejoša atbilde un zems rippleps ietaupa enerģiju.

  • Izmēģinājuma izmērs

Kā minēts iepriekš, viedtālruņa nelielajam apjomam jāiepako liela jauda. Tādēļ, lai samazinātu jaudas zudumus, buck pārveidotājam jābūt precīzam, ātram un efektīvam. Efektivitāte arī jāsaglabā, strādājot ar augstu pulksteņa ātrumu, lai samazinātu pasīvo komponentu izmēru (izejas induktori un ieejas / izejas kondensatori).

Četrpakāpju buck converter
MAX77874 16-A, četrpakāpju regulators ( 2. attēls ) var tikt izmantots iepriekš minēto problēmu risināšanai. Strāvas sadalīšana starp četrām fāzēm, kas ir vienādi izvietotas laikā vienā pulksteņa periodā, ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar vienfāzes arhitektūru.

2. attēls: MAX77874 četrpakāpju blokshēma.

Pirmkārt, četras starplaiku fāzes garantē svārstību strāvas atcelšanu, kā parādīts 3. attēlā . Zema kopējā svārstību strāva tiek iegūta relatīvi zemā frekvences frekvencē. Apakšējais pulsācijas strāva nozīmē, ka izejas apstākļos nepieciešams mazāk kondensatoru, kā rezultātā ir mazāks materiālu skaits (BOM).

3. attēls: četrpakāpju izejas strāvas virpuļa atcelšana.

Otrkārt, daudzfāžu arhitektūra rada vajadzību pēc mazākiem ieejas kondensatoriem. 4.attēls parāda V LXA -to-V LXD sprieguma viļņu formas, kuras tiek pielietotas piespiedu impulsu platuma modulācijas (PWM) režīma induktoriem. To var arī apskatīt kā strāvas impulsu attēlošanu, ko katra induktors ievada laikā "ieslēgts". Kopējā ievades strāva ir četru ārpusfāzu strāvu summa. Šeit kopējā ieejas strāva tiek izplatīta laika gaitā, samazinot ievades strāvas kopējo RMS vērtību salīdzinājumā ar vienfāzes darbību, ļaujot izmantot mazāku ievades strāvas purpura filtru.

4. attēls: četrpakas LX sprieguma viļņu forma.

Treškārt, daudzfāžu sistēma ir efektīvāka nekā vienfāzes shēma. Pēdējais, četras reizes darbojoties četrkāršās fāzes frekvencei, var sasniegt arī zemu pulsāciju, bet ar lielākiem pārslēgšanās zaudējumiem. Abām shēmām ir vienāds skaits pāreju vienā laika periodā, bet četrpakāpju pārveidotāju pārejām ir ceturtdaļa no vienfāzes pārveidotāja strāvas.

MAX77874 piedāvā arī vairākus papildierīces, tostarp pielāgojamu laika kontrolierīču un turbo izlaišanas režīmu.

MAX77874 piedāvā pielāgotu laika kontroles vadības cilpu, kas ir uzlabotas populārās ātrās reaģēšanas, pastāvīgas laika kontroles sistēmas versijas. Pielāgošanas shēma rada pseido-konstantu frekvenci shēmā, kas citādi būtu mainīga frekvence, kas trokšņos jutīgos lietojumos var būt problemātiska. Šo darbības režīmu sauc arī par piespiedu PWM (FPWM) režīmu. Kompaktajam 48 collu, 0, 35 mm pikseļu WLP masīvu komplektam ir nepieciešama arī minimāla PCB zona.

Pie smagas slodzes pārejošas, četras fāzes pāriet no starplauktās uz paralēlu darbību. Paralēli četriem posmiem tiek iegūta visātrākā iespējamā slodzes strāvas pakāpes atbilde, jo četras induktīvās strāvas tiek vienlaikus piegādātas slodzei. 5. attēlā buck pārveidotājs darbojas FPWM režīmā jebkurā slodzē un pārejas laikā no vieglas uz lielu slodzi.

5. attēls: FPWM pārejoša atbilde.

Turbo palaišanas režīms apvieno izcilu īslaicīgu reakciju ar vieglās slodzes efektivitāti. Pie gaismas slodzēm un, kad tas ir iespējots, MAX77874 turbo palaišanas režīms ( 6. attēls ) ļauj visiem četriem fāzēm darboties secīgi, bet ar zemāku strāvas un mainīgo frekvenci. To sauc par rotācijas fāzes izplatīšanu.

6. attēls: vieglās slodzes rotācijas fāzes izkliedēšana.

Tādā veidā, pārejot no viegliem uz smagiem slodzēm, netiek aizkavēta visu četru fāžu aktivizēšana, un MAX77874 darbojas kā arī FPWM režīmā (parādīts, salīdzinot 5. attēlu ar 7. attēlu ).

7. attēls: Turbo lūzuma režīma pārejoša atbilde.

Salīdzinot ar fāžu izliešanu - izslēdzot dažus no četriem fāzēm pie vieglām slodzēm - šī shēma rada mazāk izejas pulsāciju un mazāk glitches. 8. attēlā redzams, ka ar rotācijas fāzes izkliedi izejas sprieguma sprogs ir mazāks par 3 mV PP no 0 līdz 500 mA. Turbo lūzuma režīms ir noklusējuma darbības režīms pie vieglām slodzēm.

8. attēls: izvades spriegums ir fāzu izplatīšanās .

Regulārais izlaistas režīms nodrošina zemāko barošanas strāvu un vislabāko efektivitāti pie vieglām slodzēm, lai gan ar nedaudz lēnāku reakciju. Darbības režīmus var ieprogrammēt caur I 2 C autobusu.

Ar sākotnējo izejas precizitāti ± 2.5 mV (± 0.25% pie 1-V izejas) un izcilu veiktspēju virs temperatūras, līnijas un slodzes regulēšanas, MAX77874 ir vislabākā izejas precizitāte. 9.attēls parāda sākotnējo izvades precizitāti salīdzinājumā ar iestatījumiem izlaižot, turbo izlaižot un FPWM režīmus.

9. attēls: izejas sprieguma sākotnējā precizitāte pret iestatījumu.

Turklāt MAX77874 iebūvētās jaudas MOSFET uzlabotās funkcijas nodrošina izcilu efektivitāti salīdzinājumā ar konkurētspējīgiem četrpakāpju risinājumiem. Efektivitātes salīdzinājums 10. attēlā rāda, ka MAX77874, pat ar mazāku 2012 induktoru, priekšrocība ir 4% salīdzinājumā ar konkurējošu ierīci.

10. attēls: efektivitātes salīdzinājums.

Lietojumprogrammai MAX77874 ir nepieciešams tikai neliels 37 mm 2 platums, ja to novieto uz PCB ( 11. attēls ), kopumā 29% izmēru priekšrocība salīdzinājumā ar konkurētspējīgu risinājumu.

11. attēls: MAX77874 lieluma priekšrocība.

Secinājums
MAXX77874 ir piemērots, lai risinātu jaudīgu un siltuma pārvaldības prasības, kas saistītas ar arvien spēcīgākiem viedtālruņu dizainu procesoriem un GPU. Tas nodrošina nozares vadošo pārejošu reakciju, izejas sprieguma precizitāti un augstu efektivitāti mazā PCB nospiedumā.

Par autoriem
Nazzareno (Reno) Rossetti, Ph.D. EE Maxim Integrated, ir pieredzējis analogo un enerģijas pārvaldības profesionālis un publicēts autors, kam ir vairāki patenti šajā jomā. Viņam ir Politecnico di Torino, Itālija, elektrotehnikas doktora grāds.

ChiYoung Kim ir "Maxim Integrated" Mobile Power biznesa vienības "Product Definition" un "System Engineering Group" direktors. Viņam ir vairāk nekā 20 gadu pieredze spēka elektronikas un pusvadītāju nozarē. ChiYoung ir Inha universitātes Dienvidkorejas inženierzinātņu bakalaurs elektrotehnikā.