Bild 7: IoT-Gateway-Modul mit dem Kommunikationsprozessor LS1021 und dem Powermanagement-Baustein VR500. (Bild: NXP)
Bild 1: Komplexe Stromversorgung für Applikationsprozessoren der i.MX 6-Serie mit dem Powermanagement-Baustein MMPF0100. NXP
Ein typisches Multimediasystem kann aus einem Prozessor der i.MX 6-Serie mit zwei oder vier Rechenkernen inklusive 2D- und 3D-Grafikprozessoreinheit bestehen und darüber hinaus einen Prozessorblock für Videos mit 3D und 1080p-Auflösung sowie Schnittstellen für DDR Memory, WLAN, Bluetooth, GPS, Audioverstärker und verschiedene Sensoren enthalten. Blitz- und Kamerasteuerung sowie Aktuatoren, SD, eMMC-Speichersteuerung und Kommunikationsschnittstellen wie USB, HDMI, SATA, LVDS und mPCIe sind weitere Merkmale eines Multimediasystems (Bild 1).
Über eine ähnliche Ausstattung können auch Netzwerkgeräte wie etwa IoT-Gateways verfügen. Neben einem Dual-Core-Kommunikationsprozessor des Typs LS1021x und einem Audioblock enthalten typische Netzwerkgeräte einen integrierten Flashspeicher, DDR-Speicher, Displaysteuerung und mehrere Serdes-Schaltungen für Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie PCIexpress, SATA und SGMI-II. Für alle genannten Schnittstellenschaltungen in den Prozessoren sowie in den Peripheriemodulen sind unterschiedliche Versorgungsspannungen erforderlich (Bild 2).
Bild 2: Komplexe Stromversorgung für Kommunikationsprozessoren der Serie LS1021x mit der Powermanagement-Lösung MC34VR500. NXP
Immer schön der Reihe nach
Zum erfolgreichen Hochfahren des Systems muss die Versorgung aller Schaltungsfunktionen in der richtigen Reihenfolge erfolgen (Bild 3). Auch eine Überwachung auf Fehler während des Betriebs ist unverzichtbar. Die Entwicklung eines geeigneten Stromversorgungssystems ohne Einschränkungen der Produktqualität ist mit diskreten Leistungskomponenten praktisch unmöglich. In einem anderen Szenario können bei einem ungeeigneten Stromversorgungssystem Spannungsspitzen einen unsauberen Bootvorgang oder unerwartete Systemausfälle herbeiführen. Im schlimmsten Fall kann der Strom komplett ausfallen oder die Netzspannung stark absinken und das Systemverhalten beeinträchtigen. Ein Ausfall der Versorgungsspannung ist jedoch meist unproblematischer als die Auswirkungen einer ungeordneten Einschaltreihenfolge der Bauteile.
Bild 3: Komplexe Einschaltsequenz (vordefiniert) des integrierten Powermanagement-Bausteins MMPF0100. NXP
Die Fähigkeit von Powermanagement-ICs, zentral alle LDOs, DDR- und Schaltreglerblöcke auf Überspannung, Überstrom und Übertemperatur hin zu überwachen und die einzelnen Versorgungsspannungen zu steuern, erlaubt ein „sanftes“ Abschalten des Systems. Die Unwägbarkeiten des Systemverhaltens bei einem Wiederanlauf nach einem Spannungsausfall lassen sich mit den Powermanagement-ICs MMPF0100, MC34PF3000 und MC34VR500 von NXP beherrschen.
Beim MMPF0100 handelt es sich um eine programmierbare Powermanagement-Lösung, die für 11,7 A ausgelegt ist, über 14 Kanäle verfügt und die Applikationsprozessoren der i.MX 6-Familie adressiert. Mit dem MC34PF3000 können Entwickler auf eine ebenfalls programmierbare Lösung zurückgreifen. Diese ist für 7,2 A ausgelegt und adressiert mit ihren zwölf Kanälen die Applikationsprozessoren i.MX 6UL und i.MX 7. Der Baustein MC34VR500 ist ein Vierfach-Abwärtsregler mit einem Spitzenstrom von 4,5 A und fünf anwenderprogrammierbaren LDOs für Kommunikationsprozessoren wie zum Beispiel den Familien LS1 und T1.
Eckdaten
Moderne Mobilgeräte wie Smartphones und Tablets, die hohe Rechenleistung auf kleinstem Raum bieten und über zahlreiche Schnittstellen verfügen, sind ohne Powermanagement-ICs (PMICs) undenkbar. PMIC-Serien PF0100, PF0200, PF3000 und VR500 von NXP können diskret aufgebaute Powermanagement-Lösungen, die in Kosten und Entwicklungsaufwand leicht ausufern, ersetzen und die Time-to-Market verkürzen.
Nachteile bei diskreten Schaltungen
Diskret aufgebaute Powermanagement-Lösungen eignen sich oft für eine Vielzahl von Plattformen und lassen sich aufgrund hoher Stückzahlen bei der Abnahme der erforderlichen Bauteile meist preisgünstig realisieren. Allerdings sind diskrete Lösungen mit generischen Komponenten zusätzlich mit versteckten Kosten behaftet.
So sind Powermanagement-Lösungen mit diskreten Bauteilen oft nicht optimal an die Anwendung angepasst. Ein reibungsloses Zusammenspiel mit den Zielprozessoren ist häufig fraglich, da die Ausgangsspannungen und Einschwingzeiten diskreter Spannungsregler oft nicht den Toleranzvorgaben der Prozessoren entsprechen. Der Einsatz einer weniger als perfekten Stromversorgungslösung kann sich negativ auf die Qualität eines Gerätes und den Ruf des Herstellers auswirken. Auch der Formfaktor der Powermanagement- beziehungsweise Stromversorgungslösung spielt bei der Entwicklung der Hardware eine wichtige Rolle.
Ein typischer diskret aufgebauter DC/DC-Schaltregler benötigt insgesamt bis zu 20 passive Komponenten für die Programmierung der unterschiedlichen Parameter, darunter Uout, Soft-Start, Frequenz, Ein- und Ausgangsfilter, Sequencing, Regelschleifenkompensation und Synchronisation. Jeder LDO-Spannungsregler benötigt bis zu vier Komponenten, etwa Kondensatoren am Ein- und Ausgang oder für den Soft-Start sowie für eine Anlaufverzögerung. Die Zahl der Bauteile summiert sich rasch auf vier bis sechs Abwärtsregler und sechs LDOs, wobei das Powermanagement dieser Komponenten hohe Kosten verursachen kann.
Versteckte Kosten einer diskreten Lösung
Als versteckte Kosten einer diskreten Lösung sind zunächst die Leiterplatten- und Bestückungskosten zu nennen. Zwar erscheinen die Bestückungskosten pro Bauteil zunächst als vernachlässigbar, leisten aber einen signifikanten Beitrag zu den gesamten Fertigungskosten, da sich oft hunderte Komponenten addieren. In vielen Fällen übersteigen die Bestückungskosten sogar den Preis des Bauteils selbst. Mehrlagige Leiterplatten mit engen Toleranzen sind teuer. Höhere Leiterplattenkosten von bis zu 5 Cent pro cm² dürfen Entwickler bei der Entscheidung für eine diskrete Implementierung nicht vernachlässigen (Bild 4).
Bild 4: Die Komponenten einer diskreten Powermanagement-Lösung (links) und einer äquivalenten PMIC-Lösung. NXP
Weitere versteckte Kosten verursachen Logistik und Lagerhaltung, da die Lagerung und Verwaltung hunderter unterschiedlicher Bauteile eine logistische Herausforderung mit sich bringt. Zusätzliche Ressourcen für die Lagerhaltung und die Gewährleistung einer unterbrechungsfrei arbeitenden Produktionslinie gibt es nicht kostenlos.
Auch die Abmessungen der Powermanagement-Lösung verursachen versteckte Kosten. Bei jeder diskreten Implementierung erhöhen sich die Abmessungen der Endlösung. Je nach Betriebsfrequenz und Art der passiven Filterkomponenten nimmt die diskrete Implementierung im Vergleich zu einem Powermanagement-IC drei- bis fünfmal mehr Fläche auf der Leiterplatte ein. Größere Geräteabmessungen ziehen aufwendigere Verpackungen und somit höhere Kosten für Lagerung, Versand und Installation nach sich.
Die Ausfallrate (MTBF) eines Gerätes ergibt sich in hohem Maße aus der Zahl der Bauteile und der Lötverbindungen. So hängt die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Gerätes von der Komplexität, der Qualität, der Anzahl der Bauteile und den Umgebungsbedingungen ab, in denen das Gerät arbeitet. Hunderte zusätzlicher Komponenten auf der Stückliste einer diskreten Lösung beeinträchtigen die MTBF in signifikanter Weise und führen somit zu weiteren versteckten Kosten, etwa für Reparaturen.
Integrierte Powermanagement-Lösung
Die Notwendigkeit für eine extreme Integration entspringt der Forderung nach mehreren Versorgungszweigen bei gleichzeitiger Minimierung der Geräteabmessungen. Leistungshungrige Prozessorsysteme sowie Netzwerk-Switches und -Router benötigen eine dezentrale Versorgungsarchitektur, mit der sich sicherstellen lässt, dass sich die Point-of-Load-Regler (PoL) in unmittelbarer Nähe der elektronischen Lasten befinden. Bei energieeffizienten Geräten wie Wireless Access Points oder E-Book-Lesegeräten, wo man die Leiterplatte klein halten muss, ist eine Lösung mit hoher Integrationsdichte unabdingbar.
Ein typischer Abwärtsregler mit 2 bis 3 A beansprucht je nach Betriebsfrequenz und den gewählten passiven Komponenten eine Leiterplattenfläche von etwa 100 bis 150 mm². Die größenoptimierte Lösung (bis 120 mm²) setzt auf einen Betrieb bei relativ hoher Frequenz, kleine Keramikkondensatoren und kompakte Induktivitäten. Ein typischer LDO-Spannungsregler mit 200 bis 300 mA benötigt etwa 25 mm² auf der Leiterplatte. Dies bedeutet aber, dass eine diskrete Lösung, mit der man ein Powermanagement-IC vom Typ MMPF0100 (vier bis sechs DC/DC-Wandler, sechs LDOs) ersetzen könnte, ungefähr 800 mm² auf der Leiterplatte einnimmt. Im Vergleich dazu kann man eine Lösung mit dem MMPF0100 auf 350 mm² unterbringen und so eine Einsparung von 60 % erzielen. Bei einer Leiterplatte mit sechs bis acht Lagen reduzieren sich somit die Kosten deutlich.
Bild 5: Durch den Phasenversatz in den Bausteinen der Baureihe PF0100/PF3000 erhöht sich die Schaltfrequenz am Eingangskondensator. NXP
Phasenversetzt schalten
Die Abmessungen der Powermanagement-ICs von NXP sind von Grund auf optimiert. In den Bausteinen der Baureihe PF0100/PF3000 arbeiten mehrere DC/DC-Wandler bei der gleichen Frequenz, jedoch phasenversetzt. Durch den Phasenversatz erhöht sich die Schaltfrequenz am Eingangskondensator. So schalten die vier DC/DC-Wandler im PF0100 mit 2 MHz, arbeiten aber mit einem Phasenversatz von jeweils 90° zueinander, wodurch die Frequenz der am Eingangskondensator vorhandenen Welligkeit effektiv auf 8 MHz steigt (Bild 5).
Durch die höhere Eingangsfrequenz reduzieren sich die Anforderungen an den Eingangskondensator deutlich und die Gesamtlösung benötigt somit noch weniger Platz. Zu beachten ist, dass ein Betrieb mit Phasenversatz bei einer diskreten Lösung in der Praxis nicht realistisch ist, da dieser Fall einen Taktgenerator und zusätzliche Synchronisation erfordert, was die Kosten sowie die Komplexität erhöht.
Bild 6: i.MX 7-PF3000 Saber Board. NXP
Die zentrale Steuerung und Überwachung über den I2C-Bus ist unverzichtbar, wenn es um die Versorgung komplexer Systeme geht, die zum Beispiel Applikationsprozessoren aus der Serie i.MX und Kommunikationsprozessoren enthalten. Integrierte Leistungsregler und Powermanagement-ICs mit I2C-Schnittstelle erlauben eine reibungslose Steuerung und Überwachung im System. Über den I2C-Bus ist ein nahtloses Zusammenspiel zwischen internen Blöcken wie DC/DC-Wandler, LDOs, Temperatursensor, Unter- und Überspannungserkennung und Last in Form des Hauptprozessors möglich. Bei einer diskreten Implementierung dagegen ist es oft schwierig, an einzelnen DC/DC-Wandlern und LDOs Funktionen einzustellen und zu überwachen.
Bild 7: IoT-Gateway-Modul mit dem Kommunikationsprozessor LS1021 und dem Powermanagement-Baustein VR500. NXP
Weniger Bauraum, schneller am Markt
Es gibt gute Gründe, warum der Durchbruch der PMICs just mit dem Boom kleiner Portabelgeräte wie Handys, Smartphones und Tablets mit hoher Rechenleistung auf kleinstem Raum und einer Vielzahl von Schnittstellen zusammenfällt. Die PMICs sind aus relativ einfachen Vorgängern entstanden, die sich noch „Multi-Output-Regler“ nannten. Diese kamen in großem Umfang bei der Versorgung von Geräten wie Notebooks zum Einsatz. Für Gerätehersteller sind PMICs heute nicht mehr wegzudenken, wenn sie mit den Erwartungen ihrer Kunden an zuverlässige Geräte Schritt halten wollen. NXP liefert ein ganzes Spektrum robuster und zuverlässiger PMICs wie PF0100, PF0200, PF3000 und VR500 – diese können diskrete Lösungen ersetzen und verhelfen ganzen Gerätegenerationen zu einer raschen Marktreife.
Nitin Kalje
(hb)
