Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №5

Цифровое питание

Виллейт Марио (Mario Willeit)


Разработка источников питания, обеспечивающих работу электронных устройств, становится все более трудной задачей ввиду разнообразных и постоянно меняющихся требований к питанию, предъявляемых современными сложными логическими устройствами. В процессе разработки и по его окончании нередко возникает необходимость подстраивать и корректировать питающие напряжения. В этих условиях отсутствие гибкости, характерное для источников питания с фиксированным напряжением, выливается в повышенный риск разработки, который грозит срывом сроков выполнения проекта и даже его отменой. Решить эту проблему позволяет новый тип микросхем — программируемые пользователем источники питания (Field-Programmable Power Subsystem, FPPS). Будучи не дороже традиционных импульсных источников, они обеспечивают необходимый сегодня высокий уровень гибкости. В настоящей статье обсуждаются преимущества и возможности снижения рисков разработки с помощью FPPS.

Много лет назад разработчикам было относительно легко разрабатывать источники питания. Логические схемы работали от напряжения 5 В, для накопителей на жестких и гибких магнитных дисках требовался источник питания 12 В, а остальная часть системы питалась от этих двух источников плюс, быть может, еще один источник отрицательного напряжения. В сумме достаточно было предусмотреть три источника — и только. Но эти времена давно прошли.

Современные сложные логические устройства (ПЛИС, ASIC, SOC, ASSP и т. п.) предъявляют гораздо более сложные требования к питанию. Всего одной такой микросхеме может требоваться три или четыре источника питания. Хуже того, от последовательности и временных характеристик включения таких источников может зависеть успешная инициализация всего устройства. Порядок выключения источников также может быть исключительно важен для предотвращения повреждения ИС напряжением питания. Немаловажную роль может играть и временная синхронизация между одной или несколькими шинами сброса и шинами питания.

Далее, подсистемы питания должны активно взаимодействовать в реальном времени с множеством современных СБИС и поддерживать перенастройку в реальном времени исходя из быстро меняющихся характеристик сети питания и нагрузки. Иными словами, разработка подсистемы питания для современных сложных цифровых устройств требует гораздо более вдумчивого подхода, чем когда-либо прежде. Это послужило стимулом к созданию схем управления питанием нового типа (рис. 1), которые призваны удовлетворить все более сложные требования. И, тем не менее, у разработчиков остается все меньше времени на размышления об этих вопросах: гораздо сильнее их заботит достижение штатной работы сложнейших логических микросхем и интеграция больших объемов микропрограммного обеспечения с аппаратной частью конструкции.

Упрощенная блок-схема устройства, имеющего в своем составе подсистему управления питанием

Рис. 1. Упрощенная блок-схема устройства, имеющего в своем составе подсистему управления питанием

Проблемы и риски разработок, связанные с источниками питания

Разработчикам нужны нестандартные источники для питания современных микросхем ПЛИС, мультимедийных процессоров, ASIC, SOC и ASSP, и эта тенденция, без сомнения, продолжится в будущем. Но многим специалистам не хватает навыков проектирования эффективных импульсных источников питания, времени на изучение ряда традиционных микросхем управления питанием, необходимых для создания универсальных источников питания, а также желания производить сложные вычисления и выбирать для своих конструкций незнакомые компоненты, такие как мощные полевые транзисторы и силовые катушки индуктивности. Иными словами, у разработчиков остается все меньше времени на разработку все более сложных источников питания. Нехватка времени на разработку надлежащего источника повышает риск создания не адекватного задаче источника, который потребует переработки, в результате чего сорвутся сроки выпуска изделия.

Кроме того, необходимо снижать риски разработки, связанные с изменением проект-ных требований из-за замены компонентов, изменения номинальных параметров питания микросхем или необходимости в корректировке режима работы микросхемы путем варьирования напряжения питания. Все эти факторы риска можно уменьшить, используя программируемый источник питания, который может адаптироваться к меняющимся требованиям существующих компонентов или к новым требованиям, обусловленным заменой компонентов или расширением функциональности. Существует весьма эффективный способ преодоления трудностей, связанных с изменениями в составе и характеристиках компонентов до и после запуска изделия в производство.

Соответственно, разработчики нуждаются в новых методах, которые бы позволяли быстро и легко разрабатывать встроенные источники питания, поддерживающие перепрограммирование выходных напряжений, в процессе работы для адаптации к заранее неизвестным будущим изменениям в требованиях к питанию. Такие гибкие, простые в проектировании и конфигурировании источники питания снижают риски разработки. Что не менее важно, эти решения обеспечивают дополнительную гибкость в разработке, благодаря которой снижение рисков достигается без повышения стоимости источника питания.

Тенденции в сфере источников питания

Расширенные требования к питанию, предъявляемые современными сложными устройствами, создают потребность в компонентах с гораздо более развитой функциональностью, чем когда-либо прежде. Помимо значительно большего количества напряжений, соблюдения надлежащей последовательности включения/сброса и устойчивости к дрейфу, сегодняшние системы требуют существенно более точного и гибкого управления напряжениями питания. Истоки этих дополнительных требований лежат в разви-тых микросхемах (ПЛИС, мультимедийные процессоры, SOC и ASSP), составляющих основу современных устройств. Например, для самых сложных микросхем ПЛИС необходимы три или четыре источника питания.

В таблице приведены номинальные напряжения питания нескольких последовательно идущих поколений ПЛИС компании Altera (семейства Cyclone и Stratix). Обратите внимание, что одним ПЛИС требуется два напряжения питания, а другим три, и что все эти напряжения могут различаться от поколения к поколению и в зависимости от архитектуры.

Таблица. Номинальные напряжения питания различных поколений и семейств микросхем ПЛИС компании Altera

Семейство ПЛИС Напряжение ядра, В Напряжение цепей ввода/вывода, В
Stratix IV 0,9 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3
Stratix III 0,9; 1,1 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3
Stratix II 1,2 1,5; 1,8; 2,5; 3; 3,3
Stratix 1,5 1,5; 1,8; 2,5; 3; 3,3
Cyclone III 1,2 1,5; 1,8; 2,5; 3; 3,3
Cyclone II 1,2 1,5; 1,8; 2,5; 3; 3,3
Cyclone 1,5 1,5; 1,8; 2,5; 3; 3,3

Сведения, приведенные в таблице, весьма актуальны в контексте организации питания, поскольку они демонстрируют, как менялись номинальные напряжения питания ПЛИС на протяжении нескольких поколений компонентов. При разработке может возникнуть необходимость в использовании микросхем ПЛИС различных поколений или семейств с разными основными напряжениями питания.

Обратите внимание, что в таблице перечислены не все требования по питанию микросхемы ПЛИС. Все производители ПЛИС нормируют минимальное и максимальное значения времени линейного изменения (в микро- или миллисекундах) каждого из напряжений питания, необходимые для надлежащего функционирования микросхемы. Это еще один фактор, который приходится учитывать при разработке источника питания. Время линейного изменения должно быть не слишком малым и не слишком большим.

Сходные ограничения существуют в отношении напряжений питания мультимедийных процессоров, SOC, ASSP и ASIC. Поскольку стандартов на питание не существует, коллектив разработчиков ИС волен выбирать любую схему пуска источников питания, необходимую для реализации конкретной конструкции. Удовлетворение этих разнообразных требований — проблема не авторов ИС, а кого-то другого. Этим другим обычно является разработчик. Он обязан соблюсти все требования к питающим напряжениям и последовательности их подачи, налагаемые микросхемой. Когда разрабатываемый продукт содержит множество сложных микросхем, проблемы, связанные с их питанием, только усугубляются. Более того, требования к последовательности могут меняться от одной версии микросхемы к другой по причине более точного определения характеристик устройства или внесенных конструктивных изменений. И опять-таки задача учета всех этих обстоятельств, настоящих и будущих, ложится на плечи разработчика.

Таким образом, радикальное усложнение микросхем требует от подсистемы питания способности вырабатывать множество регулируемых напряжений с возможностью задавать для них время линейного изменения и точно управлять временной синхронизацией между различными шинами питания. При старых подходах к разработке управления питанием достижение этой цели является экономически нецелесообразным или попросту невозможным.

Краткая история источников питания

Прежде чем обсуждать различные подходы к созданию программируемых источников питания, рассмотрим вкратце прежние подходы, чтобы понять, почему современные конструкции требуют большего. В основе встроенных, или локализованных к нагрузке (point-of-load, POL) источников лежали существующие контроллеры с ШИМ и простые микросхемы управления питанием. В ранних импульсных контроллерах питания для стабилизации напряжения применялись хорошо изученные аналоговые алгоритмы ПИД-регулирования. Такие конструкции работали хорошо, но с ними был сопряжен ряд проблем конструктивного характера, которые приходилось решать.

Во-первых, контроллеры этого типа чувствительны к временному и температурному дрейфу характеристик внешних компонентов. Этот дрейф влияет не столько на точность стабилизации, сколько на способность контроллера питания работать в режиме стабилизации. Потенциальная возможность потери стабилизации связана с устойчивостью контура. Если характеристики компонентов в тщательно спроектированном компенсационном контуре уходят достаточно далеко от номинальных значений, контур теряет устойчивость, и контроллер полностью выходит из режима стабилизации. Решение этой проблемы состоит в закупке более дорогих внешних компонентов, которые не так подвержены дрейфу, поэтому данный вариант обычно не подходит для конструкций, требующих минимизации себестоимости. А какие конструкции сегодня этого не требуют?

Вторая проблема — совместимость. Как уже отмечалось, при разработке приходится учитывать целый ряд факторов, том числе последовательность включения напряжений питания, временную синхронизацию между встроенными источниками питания и сигналами сброса, а также потенциальную необходимость корректировать одно или несколько напряжений для обеспечения надлежащей работы. Все это требует функциональности, выходящей за пределы возможностей простых микросхем ШИМ-контроллеров.

В этой связи производители ИС создали микросхемы управления питанием, выступающие в роли цифрового интерфейса. Позволяя управлять последовательностью включения множества аналоговых ШИМ-контроллеров, они представляют собой одно из возможных решений проблемы разработки подсистем питания для множества микросхем. Хотя такой подход уже приближается к обеспечению того уровня гибкости, который необходим для управления последовательностью включения источников питания и синхронизацией сброса, он не позволяет корректировать напряжения питания на различных этапах до и после запуска изделия в производство, поскольку эти напряжения задаются внешними компонентами, подключенными к микросхемам ШИМ-контроллеров. Кроме того, при добавлении ИС управления питанием в конструкцию с множеством ШИМ-контроллеров количество микросхем возрастает еще на одну, повышается себестоимость и сложность конструкции, расходуется больше места на печатной плате. Таким образом, рассмотренный здесь подход к разработке подсистем питания влечет за собой ухудшение по всем этим важным конструктивным параметрам.

Что необходимо сейчас?

В свете всего вышесказанного необходим программируемый пользователем источник или система питания (FPPS), способный/ая вырабатывать множество точно настраиваемых напряжений с независимой регулировкой времени линейного нарастания и спада и относительных задержек. Это обеспечит разработчику необходимую гибкость. Причина малой распространенности таких микросхем сегодня — их чрезмерная дороговизна. Причем это не дороговизна лежащей в их основе технологии как таковой, а недостаточный уровень интеграции соответствующих схем на уровне кристалла, который обеспечивается производителями микросхем питания. Однако эта ситуация не могла долго сохраняться — и она изменилась.

Подобно микросхеме ПЛИС, которая с точки зрения разработчика является гибкой программируемой «логической фабрикой», легко приспосабливаемой к новым или меняющимся требованиям, микросхема FPPS представляет собой программируемую подсистему питания, позволяющую удовлетворить любые новые или меняющиеся требования к источнику питания разрабатываемого устройства. В обоих этих случаях необходимая гибкость обеспечивается возможностью программирования пользователем. В случае FPPS прирост в гибкости не сопряжен с дополнительными затратами благодаря резкому скачку в степени интеграции, необходимому для перехода от старых технологий на базе ШИМ к цифровому управлению подсистемами питания. Как следствие, разработчики получают существенное расширение функциональности без роста себестоимости.

Программируемые пользователем источники питания в большей степени соответствуют требованиям современных сложных устройств по сравнению со старыми подходами, предусматривающими использование множества стабилизаторов на фиксированные напряжения. Сегодня разработчикам необходима большая гибкость, чем прежде, поскольку напряжения питания сложных интегральных схем никогда не менялись столь стремительно. У ПЛИС, микроконтроллеров, SOC и ASIC, запущенных в производство некоторое время назад, номинальные характеристики питания могут быть уже стабильными, но у новых компонентов, в особенности находящихся на стадии альфа- или бета-образцов, требования в очередной версии могут измениться. Только программируемый источник питания может обеспечить требуемую гибкость в таких ситуациях.

Вдобавок программируемый источник питания может понадобиться для настройки производительности различных компонентов системы путем регулировки рабочего напряжения. Необходимость в регулировке напряжений питания становится все более насущной в условиях, когда значения этих напряжений варьируются в окрестности 1 В.

И даже при такой гибкости разработать программируемый пользователем источник питания может оказаться много проще, чем более традиционный импульсный источник питания. Микросхема FPPS в сочетании со специальным программным средством разработки позволяет с относительной легкостью задавать требуемые напряжения питания и определять параметры необходимых внешних компонентов. Более того, поскольку система питания программируемая, ее выходные напряжения можно варьировать в определенном диапазоне, просто внося изменения в программу контроллера FPPS. Некоторые микросхемы контроллера FPPS оборудованы последовательным портом, который позволяет изменять напряжения питания в ходе работы по команде со встроенного микроконтроллера.

Контроллер FPPS предоставляет разработчику еще одно существенное преимущество — отсутствие необходимости изучать множество устройств, чтобы обеспечить выработку всей гаммы напряжений, требуемых для питания устройств XXI века. Освоив всего одно устройство и одно специализированное программное средство разработки, разработчик сможет удовлетворить все требования, предъявляемые к питанию на стадиях первоначального проекта, разработки и эксплуатации. За счет этого процесс разработки подсистем питания упрощается.

17 аргументов в пользу программируемых источников питания по снижению рисков при разработке

  1. Несколько микросхем управления питанием вместе с необходимой обвязкой заменяются одной микросхемой FPPS. В результате управлять встроенными источниками питания и стабилизацией напряжения локализованных к нагрузке источников становится проще, а возможности такого управления расширяются за счет программируемости. Таким образом, мы получаем большую функциональность и гибкость при той же или меньшей стоимости деталей.
  2. Микросхема контроллера FPPS позволяет значительно снизить количество компонентов в источнике питания, одновременно расширив возможности управления питанием. Сокращение числа монтируемых на плате пассивных компонентов источника питания по сравнению со схемами управления питанием на базе ШИМ-контроллеров составляет как минимум 50% и может доходить до 80%. При этом исчезает необходимость в отдельной микросхеме для задания последовательности включения источников и управления питанием.
  3. Микросхема FPPS занимает меньше места на печатной плате за счет интеграции схемы управления затвором полевого транзистора и цепей управления, а также сокращения числа пассивных компонентов.
  4. Адаптивный подход к разработке источников питания, который обеспечивает микросхема контроллера FPPS, делает источник практически невосприимчивым к временному и температурному дрейфу характеристик пассивных компонентов, снижая его требования к допускам таких компонентов и уменьшая или вовсе исключая потребность в приработке готовых плат с компонентами.
  5. Программное обеспечение для автоматизированного проектирования схем на базе микросхемы контроллера FPPS позволяет разработчику быстро спроектировать полностью работоспособный источник питания в знакомой графической среде без необходимости вникать в тонкости цифрового управления ШИМ или управления питанием и выполнять сложные и чреватые ошибками расчеты параметров компонентов (хотя программа предусматривает возможность для разработчика взять на себя ту часть детальных расчетов, которую необходимо). Соответствующая спецификация деталей генерируется программой автоматически.
  6. Высокий уровень интеграции микросхемы контроллера FPPS позволяет разработчику по необходимости дополнять источник питания более сложной функциональностью (последовательность включения, задержки, линейное изменение, ограничения по току, корректировка напряжения питания) путем простого параметрического программирования и переконфигурирования в манере, подобной ПЛИС, не изменяя конструкцию аппаратной части источника.
  7. Независимое программирование параметров плавного пуска и останова источника питания, предусмотренное в микросхеме контроллера FPPS, уменьшает нагрузки на критические компоненты при включении и выключении устройства. Например, через эквивалентное последовательное сопротивление незаряженных конденсаторов фильтра в процессе включения может проходить ток в сотни ампер. Источник питания с плавным пуском ограничивает эти броски тока и уменьшает токовую нагрузку на кабели, разъемы и сами конденсаторы. Плавный останов обеспечивает полную разрядку конденсаторов при выключении.
  8. FPPS позволяет удовлетворять изменяющиеся в последний момент требования новых сложных компонентов (ПЛИС, микроконтроллеров, специализирован-ных процессоров) к источнику питания без внесения изменений в конструкцию аппаратной части на уровне печатной платы.
  9. FPPS позволяет реализовывать самые замысловатые последовательности включения и выключения сложных компонентов системы, при этом не нужно проводить трудоемкие изменения в конструкции аппаратной части на уровне печатной платы.
  10. FPPS позволяет адаптироваться к меняющимся требованиям в отношении основного источника питания — например, при переходе от одного поколения ПЛИС к другому без внесения изменений в конструкцию на уровне печатной платы или в спецификацию деталей.
  11. FPPS позволяет удовлетворять меняющиеся требования к источнику питания цепей ввода/вывода (например, при переходе с одного типа микросхем памяти SDRAM на другой — с DDR на DDR2 или с обычных DDR2 на маломощные/низковольтные DDR2 или DDR3).
  12. Прямое цифровое управление параметрами конфигурации FPPS позволяет главному, центральному или вспомогательному процессору оптимизировать производительность основных компонентов путем небольших изменений основных напряжений питания различных сложных логических устройств, входящих в ее состав.
  13. Прямое управление FPPS позволяет управлять энергопотреблением и тепловыделением, программно выключая питание бездействующих компонентов или целых подсистем.
  14. Управление FPPS позволяет автоматически реагировать на сбои, связанные со встроенным источником питания, путем подачи в нужном порядке питающих напряжений на затронутые потребители или отключения отказавших некритичных линий.
  15. Управление FPPS обеспечивает возможность дистанционной модификации или обновления всех питающих напряжений и последовательностей включения/выключения источников питания по каналам связи без отзыва изделия, внеочередного техобслуживания или выездов на место эксплуатации устройства, что снижает совокупную стоимость владения FPPS.
  16. Возможность переконфигурирования позволяет легко удовлетворять меняющиеся требования к источнику питания, обусловленные уменьшением размеров кристаллов или переходом на новые поколения важнейших компонентов.
  17. Возможность переконфигурирования позволяет адаптироваться к меняющимся требованиям в отношении источника питания, обусловленным сменой стандартов на интерфейсы связи с подключаемыми внешними устройствами, например, съемными накопителями и цифровыми жидкокристаллическими, светодиодными и плазменными дисплеями.

Что требуется от микросхемы контроллера FPPS

Чтобы микросхема контроллера FPPS могла обеспечить все перечисленные выше преимущества, убедитесь, что она соответствует следующим требованиям:

  • Достаточное количество каналов напряжения, чтобы одна микросхема FPPS обеспечивала потребности по питанию всей системы.
  • Независимая программная установка выходного напряжения и предельного тока в каждом канале.
  • Возможность независимого программного отключения отдельных каналов для реализации различных схем энергосбережения.
  • Отдельный LDO для блоков системы, питание которых должно обеспечиваться даже тогда, когда система выключена или находится в режиме сна.
  • Невосприимчивость к временному и температурному дрейфу компонентов.
  • Самоконфигурирование с использованием встроенного ПЗУ.
  • Простое внешнее цифровое управление ключевыми параметрами, начиная с выходного напряжения канала.
  • Легкость чтения статуса контроллера внешним главным процессором.
  • Полностью интегрированные средства защиты от перегрузок по напряжению и току, а также блокировки питания при пониженном напряжении.
  • Автоматическое управление временем линейного изменения и последовательностью включения/выключения напряжений питания.
  • Программируемая временная синхронизация сброса со стробированием и задержкой разрешающего сигнала корректности уровня выходного напряжения.

Микросхема контроллера FPPS, отвечающая всем требованиям

На рис. 2 показана упрощенная блок-схема микросхемы контроллера FPPS, которая обеспечивает все перечисленные выше преимущества и отвечает всем указанным критериям. На рисунке приведена блок-схема Exar XRP7704 и XRP7740 — двух совместимых по выводам микросхем контроллера FPPS.

Блок-схема контроллера FPPS XRP7704/7740

Рис. 2. Блок-схема контроллера FPPS XRP7704/7740

Микросхемы контроллера FPPS XRP7704 и XRP7740 наделены всей функциональностью, необходимой для реализации программируемого пользователем источника питания на 5 выходов. Эти микросхемы содержат четыре программируемых импульсных контроллера напряжения со встроенными схемами управления затвором полевого транзистора, которые позволяют управлять внешними мощными полевыми МОП-транзисторами в верхнем и нижнем плечах. На базе этих устройств можно создавать источники питания с допустимой нагрузкой по току от 5 А на канал (XRP7704) до 15 А на канал (XRP7740). Мощные полевые МОП-транзисторы и несколько дополнитель-ных пассивныхустройств — это все, что необходимо для реализации сильноточных импульсных источников питания, вырабатывающих четыре различных программируемых напряжения. Микросхемы XRP7704 и XRP7740 также содержат отдельный настраиваемый LDO на ток до 100 мА, способный вырабатывать напряжение питания (3,3 или 5 В). Этот настраиваемый стабилизатор напряжения может использоваться в качестве поддерживающего источника питания для компонентов, которые должны оставаться включенными, когда питание остальной части устройства отключено.

Помимо программирования напряжения питания, микросхемы XRP7704 и XRP7740 позволяют управлять характеристиками включения и выключения источников, в частности, независимо управлять скоростью линейного изменения напряжения в каждом из четырех каналов и осуществлять временную синхронизацию между напряжениями питания. Последняя характеристика позволяет разработчику включать одни источники питания раньше других, как это требуется для многих сложных логических ИС — ПЛИС, мультиме-дийных процессоров, ASIC, SOC и ASSP.

В XRP7704 и XRP7740 также встроен ряд функций управления, относящихся к источнику питания, включая UVLO, контроль корректности уровней выходных напряжений, защиту от перегрева и обработку сбоев. Все эти контрольные функции также являются настраиваемыми, и главный процессор может запрашивать их статус через интерфейс I2C.

Конфигурирование обоих устройств осуществляется с помощью программы Digital Power Studio для ПК. Вид одного из окон конфигурации программы Digital Power Studio приведен на рис. 3. На этом снимке можно видеть установленные значения выходных напряжений (изменяемые с шагом 50 или 100 мВ, в зависимости от выходного напряжения) для четырех сильноточных импульсных выходов, а также значения предельных токов и времени линейного изменения напряжения.

Вид программы Digital Power Studio в процессе конфигурирования микросхемы XRP7704

Рис. 3. Вид программы Digital Power Studio в процессе конфигурирования микросхемы XRP7704

Данные конфигурации, введенные в программе Digital Power Studio, служат двум важным целям. Во-первых, на основании этих данных работает встроенный в программу автоматизированный генератор спецификации необходимых внешних компонентов. Во-вторых, эти данные определяют содержимое регистров конфигурации микросхем XRP7704 и XRP7740. Инициализация этих регистров может производиться из встроенного ПЗУ или из внешнего источника через I2C.

Заключение

Программируемые контроллеры XRP7704 и XRP7740 компании Exar функционируют как центральный компонент программируемой пользователем подсистемы питания, которая позволяет успешно справляться с многочисленными факторами неопределенности, касающимися напряжений питания, не внося модификаций в конструкцию аппаратной части на поздних стадиях. Кроме того, такое решение дает возможность эффективно решать многие проблемы в этой сфере, проявляющиеся уже после выпуска изделия: процесс исправления почти целиком состоит в загрузке кода. Преимущества программируемого источника питания на базе ИС контроллера FPPS аналогичны преимуществам процессора с возможностью обновления микропрограммы в ходе эксплуатации, но применительно к питанию устройства, а не к логике его работы. Эти преимущества помогают создавать системы с заделом на будущее. Микросхемы XRP7704 и XRP7740 — первые изделия в семействе PowerXR компании Exar — облегчают и ускоряют разработку, обеспечивая разработчику необходимую гибкость.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке