Power-Management-ICs zur Stromversorgung mobiler Geräte

Verlustleistungsarme Präzisionskomponenten haben das rapide Wachstum mobiler Geräte überhaupt erst ermöglicht. Produkte für industrielle oder medizinische Anwendungen brauchen aber höhere Standards bei Zuverlässigkeit, Betriebszeit und Robustheit als andere Branchen. Einen Großteil dieser Last trägt das Stromversorgungssystem: Es muss jederzeit korrekt arbeiten, nahtlos zwischen verschiedenen Versorgungsquellen umschalten und sich vor Fehlern schützen oder diese zumindest tolerieren. Das Ziel ist, die Betriebszeit zu maximieren, so lange die Energie aus Batterien kommt sowie sicherzustellen, dass das Gerät zuverlässig arbeitet, wann immer eine geeignete Stromquelle vorhanden ist.

Die dazu passenden Power-Management-ICs (PMIC) beziehen Strom aus Quellen wie einem Netzteil, einem USB-Port, einem Zigarettenanzünder im Auto oder einer Li-Ionen-Batterie. Für den Entwickler ist das Umschalten sehr viel einfacher, wenn der PMIC eine integrierte Power-Path-Regelung besitzt. Diese Technik stellt sicher, dass die Systemstromversorgung ununterbrochen funktioniert und sie schaltet im laufenden Betrieb zwischen einer externen Versorgung und der Batterie um. Auch eine Batterieladeschaltung kann in den PMIC integriert sein. Diese Schaltung muss die Batterie mit überschüssiger Leistung laden, die nicht von der Anwendung benötigt wird. Außerdem ist eine Schutzschaltung auf dem Chip sinnvoll, um vor externen Spannungsspitzen zu schützen, die 30 V übersteigen. Schließlich ist ein geringer Ruhestrom ohne Last essenziell, um einen optimalen Wirkungsgrad über einen großen Bereich an Last- und Betriebsbedingungen zu erzielen.

Trends in der Industrie

Mit Miniaturisierung, steigendem Funktionsumfang und immer leistungsfähigeren Mikroprozessoren, Mikrocontrollern und FPGAs sinken die Betriebsspannungen und wachsen die Ströme. Bei den Mikroprozessoren zum Beispiel gibt eine wachsende Liste von verlustleistungsarmen Typen von Herstellern wie Freescale, Intel, Nvidia, Samsung und vielen weiteren. Diese Prozessoren sind dafür entwickelt, einen geringen Leistungsbedarf bei hoher Verarbeitungsleistung für eine Vielzahl an portablen, drahtlosen und mobilen Applikationen in unterschiedlichen Marktsegmenten zu liefern.

Ursprünglich waren diese Bausteine für kleine und preisgünstige portable Handheld-Geräte mit langer Batterielaufzeit gedacht, die gleichzeitig die gesteigerte Rechenleistung bieten, um funktionsreiche Multimedia-Anwendungen zu ermöglichen. Längst ist die Nachfrage nach dieser Kombination von hoher Leistungseffizienz und Rechenleistung auch auf nicht-portable Applikationen übergeschwappt, vom Infotainmentsysteme im Auto bis zu Embedded-Applikationen. Sie alle brauchen ein spezialisiertes Hochleistungs-Power-Management-IC, um die Stromversorgung des Mikroprozessors exakt zu steuern und zu überwachen.

Der LTC3676 schaltet beim Power-On die einzelnen Spannungen in einer bestimmten Reihenfolge.Linear Technology

Auf die Reihenfolge achten

Viele der heutigen mobilen industriellen und medizintechnischen Geräte erfordern einen gesteuerten und sequenziellen Ablauf, der die Stromversorgungen hochfährt und an unterschiedliche Schaltungen anlegt. Einer hohe Systemflexibilität und eine einfache Methode zum Realisieren der Einschaltsequenz vereinfacht das Systemdesign nicht nur, sondern steigert auch die Zuverlässigkeit und erlaubt es einem einzigen PMIC einen größeren Bereich des Systems zu bedienen und nicht nur die spezifischen Anforderungen eines speziellen Prozessors zu erfüllen.

Vielen herkömmlichen PMICs fehlt die Leistung, um diese modernen Systeme und Mikroprozessoren zu bedienen. Gefragt sind ein hoher Integrationsgrad, einschließlich Hochstrom-Schaltregler und LDOs, ein weiter Betriebstemperaturbereich, Power-Sequenzierung sowie dynamische I²C-Regelung von Schlüsselparametern mit schwierig zu realisierenden Funktionsblöcken. Außerdem reduziert ein Baustein mit hoher Schaltfrequenz die Größe externer Komponenten, wobei Keramikkondensatoren auch noch die Welligkeit der Ausgangsspannung verringern. Diese geringe Welligkeit, kombiniert mit akkuraten, schnell ansprechenden Reglern, eignet sich für die anspruchsvollen, geringen Spannungstoleranzen moderner 45-nm-Prozessoren. Solche Leistungs-ICs müssen auch in der Lage sein, strenge Umweltauflagen zu erfüllen, wie die Unterdrückung abgestrahlter Emissionen, selbst, wenn die Eingangsspannung direkt von der Batterie selbst geliefert wird.

Design-Herausforderungen

Ein gemeinsames Ziel, das alle Smartphones und Tablet-PCs haben, ist es, die Menge an Energie zu reduzieren, die sie bei ihren jeweiligen Strompegeln verbrauchen. Der Leistungsbedarf in jedem System kann auf zwei Arten gesteuert werden. Zuerst durch das Maximieren der Wandlungseffizienz über den gesamten Bereich der Lastströme und zweitens durch Reduzieren des Ruhestroms, der von den DC/DC-Wandlern unter allen Betriebsbedingungen gezogen wird. Um diese spezifischen Anforderungen zu erfüllen, integriert Linear Technology seine Burst-Mode-Technik in viele seiner Power-Management- und -Wandler-ICs. Diese Technik minimiert den vom IC selbst benötigten Strom im Standby-Modus. In vielen Fällen liegt dieser Ruhestrom unter 20 µA.

Klassisch gibt es zwei Ansätze, um die Stromversorgung mobiler Geräte zu optimieren. Eine davon ist es, das System mit diskreten Komponenten aufzubauen, von der jede für eine bestimmte Funktion optimiert ist. Diese Methode resultiert in einer maximalen Flexibilität bezüglich Design, Layout und Wärmemanagement und erzielt auch eine ausreichende Leistungsfähigkeit für jede Funktion. Sie ist jedoch relativ teuer und benötigt eine große Fläche auf der Platine. Die zweite Alternative ist, dass Entwickler aus einer Vielzahl von hoch integrierten PMICs wählen.

Hoch integrierte PMICs unterstützen üblicherweise eine Obermenge der für die meisten Applikationen benötigten Funktionen, wie unhandliche Kombinationen von Schaltreglern, monolithischen Schaltern und zahlreichen LDOs, die Mixed-Signal-Funktionen versorgen, beispielsweise Touch-Screen-Controller und Audio-Codecs. Viele dieser Bausteine sind durch ihre Komplexität nur umständlich einzusetzen und benötigen eine beträchtliche Investition in Firmware, nur um sie einzuschalten. Außerdem konzentriert dieser Ansatz die Abwärme in einem einzigen Hot-Spot innerhalb des Produkts, was das Wärmemanagement verkompliziert. Ironischerweise benötigen diese hoch integrierten Lösungen wegen ihrer großen Gehäuse mit vielen Pins dennoch relativ viel Fläche auf der Leiterplatte. Schließlich zwingen sie zu wahren Heldentaten im Leiterplattenlayout, um alle zugehörigen externen Komponenten (MOSFETs, Spulen, Dioden und gemischte passive Komponenten) unterzubringen und die Leiterbahnen so zu verlegen, dass der Strom vom PMIC zu den zahlreichen im System verstreuten Verbraucher gelangt.

Cleverer Kompromiss

Linear Technology hat kürzlich eine Lösung auf den Markt gebracht, die zwischen beiden Ansätzen angesiedelt ist: Statt viele einzelne Leistungs-ICs oder einen einzelnen, hoch komplexen PMIC einzusetzen, fungiert der LTC3676/-1 als moderat integrierter, leistungsfähiger PMIC. Er liefert eine vollständige Power-Management-Lösungen für i.MX6-Prozessoren von Freescale und viele weitere Mikrocontroller und Prozessoren. Dazu enthält er vier synchrone DC/DC-Abwärtswandler mit bis zu je 2,5 A für Core-, Speicher-, I/O-, und SoC-Spannungspegel plus drei 300-mA-Regler für die rauscharme analoge Stromversorgung. Der LTC3676/-1 konfiguriert einen 1,5-A-Abwärtswandler als Quelle/Senke und den Tracking-Betrieb, um den Anschluss von DDR-Memories zu unterstützen und fügt auch noch einen V_TTR-Referenzausgang für DDR hinzu. Diese beiden Pinfunktionen ersetzen den LDO₄-Enable-Pin und die Rückkoppel-Pins des LTC3676.

Beim Ausschalten über einen Druckknopf sorgt der Baustein ebenfalls für einen geordneten Ablauf.Linear Technology

LDO₄ ist über I²C weiterhin programmierbar. Zur Unterstützung der Mehrfach-Regler dienen die einfach konfigurierbare Stromversorgungs-Ein-/Ausschaltsequenz, dynamisches Skalieren der Ausgangsspannung, ein „Druckknopf“-Schnittstellencontroller, plus Reglersteuerung via der I²C-Schnittstelle mit umfangreichen Zustands- und Fehlermeldungen über den Interrupt-Ausgang. Der LTC3676 eignet sich für i.MX6-, PXA- und OMAP-Prozessoren mit acht unabhängigen Spannungspegel bei entsprechenden Leistungspegeln mit dynamischer Regelung und Ein-/Ausschaltsequenzen. Weitere Eigenschaften beinhalten Schnittstellensignale, wie das des V_STB-Pins, der zwischen programmierten Betriebs- und Standby-Ausgangsspannungen an bis zu vier Rails simultan „toggelt“. Der Baustein wird in einem flachen QFN-Gehäuse mit 6 mm × 6 mm × 0,75 mm Kantenlänge und 40 nach außen geführten Anschlüssen geliefert.

Verträgt Hitze

Vereinfachtes typisches Applikations-Schaltbild des LTC3676-1.Linear Technology

Die Power-Management-Lösung LTC3676 eignet sich auch für industrielle und militärische Systeme. Der LTC3676IUJ ist in einer Hochtemperaturversion (I-Grade) mit einer Sperrschichttemperatur von -40 bis +125 °C erhältlich, was die Anforderungen zum Betrieb unter hoher Umgebungstemperatur erfüllt. Das IC enthält eine thermische Warnanzeige und einen Interrupt speziell für die Überwachung der Sperrschichttemperatur und hat auch eine „harte“ thermische Abschaltung zum zuverlässigen Schutz der Hardware, sollte die Wärmeabführung nicht ausreichen oder bei Auftreten eines schwerwiegenden Fehlers.

Die PWM-Schaltfrequenz des LTC3676 ist speziell auf 2,25 MHz getrimmt, wobei der Bereich garantiert zwischen 1,7 MHz und 2,7 MHz liegt. Seine internen Regler können auch fest auf einen erzwungenen kontinuierlichen PWM-Betriebsmodus eingestellt werden, um den Betrieb bei leichter Last im Pulse-Skip- oder Burst-Modus zu verhindern. Dies legt nicht nur die Frequenz fest, sondern reduziert auch die Spannungswelligkeit an den DC/DC-Ausgangskondensatoren noch weiter.

Ab durch die Mitte

Die Entwicklung eines modernen mobilen Geräts für industrielle oder medizintechnische Marktsegmente ist wegen der scheinbar diametral entgegengesetzten Anforderungen von hoher Rechenleistung in immer kleineren Geräten eine anspruchsvolle Aufgabe. Neue Power-Management-ICs setzen daher quasi auf der mittleren Ebene an: Ein moderat integrierter PMIC ist eine praktischere Methode, verglichen mit dem Einsatz von einzelnen ICs, um das System quasi Stück für Stück aufzubauen, oder der Verwendung von hoch integrierten PMICs mit all ihren umständlichen Funktionen und der Notwendigkeit Firmware einzusetzen.

(lei)