Bildergalerie
Bild 1: Architektur der Power XR-Familie.
Bild 2: Applikation des XRP7740 (Vin = 12 V, Iout = 3 bis 15 A, Vout = 0,9 bis 2,5 V).
Bild 3: Das Tool Digital Power Studio ermöglicht schnelles und einfaches Design von komplexen Leistungslösungen.

Verluste reduzieren und on-the-fly konfigurieren

Die Power XR Technik kombiniert digitale Steuerung und Monitoring mit der High Performance Analogtechnik von Exar und ermöglicht es Produkte zu entwickeln, die Verluste auf ein Minimalmaß reduzieren und die on-the-fly konfigurierbar sind. Produktänderungen lassen sich auf einfache Weise vornehmen und durch eine echte What-if-Analyse kann sich der Entwickler in Iterationsschritten an die optimale Lösung heranarbeiten. Außerdem lässt sich eine mit Power XR entwickelte Stromversorgung später im Feldeinsatz für Upgrades oder Reparaturzwecke umkonfigurieren. Die verwendete Analoghalbleitertechnik ermöglicht die effiziente Aufteilung der digitalen und analogen Schaltungsanteile im IC und damit die Möglichkeit, ein Produkt auf alle Anforderungen zuzuschneiden und dies mit einem geringeren Platzbedarf als bei nicht konfigurierbaren Techniken.

Halbleiterhersteller bieten unter dem Begriff Digital Power eine Reihe von unterschiedlichen Lösungen für Stromversorgungscontroller. Einige verstehen unter Digital Power die Kombination von digitalen Funktionen und Kommunikation mit einer analogen PWM. Bei anderen ist es eine Statemachine mit einer digitalen PWM und weitere schließlich verwenden einen DSP auf dem ein Algorithmus läuft, der die Regelschleife schließt.

Die Power XR-ICs von Exar integrieren das Beste aus zwei Welten: preiswerte und flexible digitale Leistungssteuerung ebenso wie die robusten Möglichkeiten von Hochleistungs-Analogschaltern. Damit kann der Entwickler eine kleine, auf einem SoC basierende Stromversorgungslösung mit vier integrierten Leistungscontrollern, einem LDO und allen notwendigen Powermanagementfunktionen auf nur einem Chip integrieren. Power XR-Produkte reduzieren die Entwicklungszeit von Monaten auf wenige Wochen und ermöglichen so einen erheblichen Time-to-Market-Vorteil für Systementwickler. Weitere Vorteile liegen darin, dass eine einheitliche Plattform für verschiedene Kundendesigns verwendet und insgesamt die Risiken eines Powerdesigns minimiert werden können.

Die Power XR-Produkte

Die Bausteine der Power XR-Familie integrieren drei oder vier digitale pulsbreitenmodulierte Step-down DC/DC-Controller (DPWM) sowie ein komplettes Powermanagement inklusive umfassender Überwachungsfunktionen, zusammen mit einem konfigurierbaren LDO für Standby-Power und GPIOs. Die Bauelemente XRP7704, 7708, 7714, 7740 (mit vier DPWMs) und der XRP7713 (drei DPWMs) stellen eine komplette Powermanagementlösung in einem IC dar.

Die Bauelemente XRP7704, XRP7708, XRP7714, XRP7740 (mit vier DPWMs) und der XRP7713 (drei DPWMs) stellen eine komplette Powermanagementlösung in einem IC dar.

Die Bauelemente XRP7704, XRP7708, XRP7714, XRP7740 (mit vier DPWMs) und der XRP7713 (drei DPWMs) stellen eine komplette Powermanagementlösung in einem IC dar.Exar/Eurocomp

So sind beispielsweise die Ausgangsspannungen sowie viele weitere Parameter im Entwicklungsstadium und später auch im Feld on-the-fly über das serielle I2C-Interface konfigurierbar und rekonfigurierbar, also vollständig programmierbar. Die drei oder vier unabhängigen digitalen Pulsbreitenmodulatoren regeln die Ausgangsspannung und bieten alle erforderlichen Schutz- und Überwachungsfunktionen wie Strombegrenzung und Überspannungsschutz. Die Power XR SoC-Lösung ersetzt in einem nur 6 x 6 mm2 messenden Gehäuse bis zu 13 einzelne ICs nebst externer Beschaltung und umständlichem Eindesignen. Für eine Spannungsversorgung mit beispielsweise vier Ausgangsspannungen kann damit die Anzahl der bei einem analogen Aufbau bis zu 150 erforderlichen Komponenten auf unter 40 Komponenten reduziert und damit der entsprechende Flächenbedarf auf ein Minimum reduziert werden.

Die Merkmale der Power XR-Familie

Bild 1 zeigt die Architektur der Power XR-Familie. Zu den besonderen Merkmalen der Mixed-Signal-Bausteine zählen die 3 bis 4 getakteten digitalen Buck- (Step-down) PWM-Controller, von denen jeder mit einem nachfolgenden nFET-Treiber ausgestattet ist. Die Ausgangsspannungen sind jeweils im Bereich von 0,9 V bis 5,1 V programmierbar. Außerdem bieten die Bausteine bis zu sechs (re)konfigurierbare GPIO-Pins, mit deren Hilfe zum Beispiel Power-Good-Signale generiert werden können oder einzelne oder Gruppen von Kanälen individuell ein- und ausgeschaltet werden können. Die Bausteine werden via I2C-Interface programmiert und sind so einfach in Systeme einzubinden. Weitere wesentliche Merkmale sind:

  • Unabhängige digitale Pulse Width Modulator (DPWM) -Kanäle mit einer digitalen 5-Koeffizienten PID-Regelung.
  • Hohe Integration: Eliminiert externe Schaltungen und Komponenten, die für Kompensation, Parameterabgleich, Überwachungsfunktionen und Schnittstellen notwendig wären.
  • Programmierbarer DPWM-Frequenzbereich (300 kHz bis 1,5 MHz) ermöglicht hohe Effizienz und optimiert die Größe der Komponenten.
  • Komplettes Power-Monitoring und -Reporting.
  • Unabhängig gesteuerte Start-up-Verzögerung und Rampe für jeden der integrierten Regler.
  • Unabhängig gesteuerte Soft-stopp-Verzögerung und Rampe für jeden Regler mit einer programmierbaren Stopp-Spannung.
  • Übertemperaturschutz (OTP) und Unterspannungs-Lockout (UVLO); Überstromschutz je Kanal (OCP) sowie Überspannungsschutz (OVP).

Außerdem verfügen die Bausteine über einen built-in LDO (konfigurierbar für Spannungswerte bis 3,3 V oder 5 V, 100 mA), sowie Überstromschutz, Temperaturüberwachung und Konfigurationsregister sowie einen nichtflüchtigen Systemspeicher in dem die Bausteinkonfiguration abgelegt wird.

Applikationen

Die Power XR Familie ist eine vollständige digital (re)konfigurierbare SOC-Stromversorgungslösung, die über einen breiten Bereich von Eingangsspannungen verfügt und so mit einer Vielzahl von embedded Prozessoren, FPGAs, ASICs oder SoCs eingesetzt werden kann. Sie bietet eine hohe Effizienz von bis zu 93 % an vier kombinierten Ausgangskanälen. Zu den möglichen Applikationen zählen Consumer-Set-Top-Box (STB), IP-Kameras, Plasma Display Panel (PDP) sowie Server und Speichersysteme. Weitere Anwendungen, in denen die Programmierbarkeit von Vorteil ist, finden sich in Testsystemen, Point of Sales-Geräten, Medizingeräten sowie in Netzwerk- und Telekommunikationsgeräten und Ethernet-Adapter-Karten.

Entwicklungsunterstützung

Power Architect von Exar ist eine einfach anzuwendende und kostenlos verfügbare Softwareumgebung, die den Entwickler mit einer grafischen Oberfläche in die Lage versetzt, komplexe sequenzielle Schaltungen und Leistungssysteme zu entwerfen und Spannung, Strom und andere Parameter in Sekunden anzupassen, alles ohne Hardwareänderungen. Das interaktive Designtool ermöglicht es, mit ein paar Mausklicks, eine komplette, optimierte 4-Kanal-Stromversorgung mit komplexem Sequencing und vielen fortschrittlichen Powermanagement-Merkmalen zu entwickeln.

Für die Power XR-Familie sind einfach zu handhabende Evaluierungsplattformen verfügbar, mit denen in weniger als einer Stunde erste Designergebnisse erzielt und erste Messungen durchgeführt werden können.