פתרונות הספק רבי פס עבור יישומיי רדיו מהירי תדר רדיו

עם המשך צמצום הגודל של ציוד מאופשר – ענן לתקשורת, רפואה ותחומים אחרים, ניהול הספק הופך לשיקול תכנון אשר חשיבותו הולכת וגדלה. הפתרונות רבי השילוב האחרונים לניהול הספק, מספקים יתרונות לאספקת כוח למערכות תדר רדיו,  (fieldprogrammable gate array) ומעבדים, והם מספקים גם כלי תכנון חזקים המסייעים במידה רבה למהנדסים ביישום מהיר של תכנון חדש.

הופעת הפמטוסלים (femtocells)

וה-פיקוסלים (picocells) בתשתיות תקשורת מניעה את הצורך בתחנות בסיס קטנות יותר, אשר להן דרישות מורכבות לאספקת כוח לפס בסיס דיגיטלי, לזיכרון, למודמים מקלט/משדר תדר רדיו, ולמגברי כוח בשטח הקטן ביותר ועם יעילות הספק הגבוהה ביותר. קביעת תדר המיתוג של ווסתי המיתוג מחוץ לפסי תדר רדיו הקריטיים מקטינה רעש, וסנכרון הווסתים מוודא כי תדרי הקצב לא משפיעים על ביצועי תדר הרדיו. צמצום מתח הליבה (VCORE) של פס הבסיס הדיגיטלי, ממזער את צריכת ההספק למודמים בעלי הספק נמוך, ורצף האספקה מוודא כי מעבד פס הבסיס הדיגיטלי פועל בטרם מודם המקלט/משדר תדר רדיו מאופשר. ממשק I2C (מעגל משולב עם ממשק פנימי בין הרכיבים על אותו מעגל או מחוברים באמצעות כבלים) בין פס הבסיס הדיגיטלי לבין ניהול ההספק, מאפשר את שינוי מתח היציאה של מפסקי הוויסות. להגדלת המהימנות, מערכת ניהול ההספק יכולה לפקח על מתח הכניסה שלה עצמה ועל טמפרטורת התבנית, ולדווח על כל תקלה למעבד פס הבסיס. רצף האספקה הוא קריטי לווידוא פעולת ה-FPGA בטרם אפשור הזיכרון. ווסתים בעלי כניסה מאפשרת – דיוק ויציאה מיועדת להספק – טוב, מאפשרת רצף הספק ופיקוח על תקלות. לעתים קרובות, מתכנני הָסָפָק רוצים להשתמש באותם מעגלי הספק משולבים ביישומים שונים, כך שהיכולת לשנות את גבולות הזרם, חשובה. שימוש חוזר זה בתכנון עשוי לצמצם באופן משמעותי את זמן הגעת המוצר לשוק – חלק קריטי בכל הליך פיתוח מוצר חדש.

יישום יחיד טיפוסי, המוצג באיור 1a, מחבר ארבעה ווסתי מיתוג לפס ה-12 וולט. היציאה של ווסת מיתוג אחד מווסתת באופן מִקְדָמי את ה-LDO להקטנת פיזור ההספק. גישה חלופית, המוצגת באיור 1b, משתמשת בווסת אחד כדי להקטין בהדרגה את כניסת ה-12 וולט לפס ביניים של 5 וולט, מתח המורד בהדרגה בנקודה זו ליצירת כל אחד מהמתחים הנדרשים. ליישום זה קיים פתרון בעל עלות נמוכה, אך גם יעילות נמוכה יותר עקב המרת ההספק בעלת שתי הדרגות. בשני המקרים, יש לאפשר כל ווסת באופן עצמאי, כך שרצף אספקת הכוח עשוי לדרוש ווסת רצף ייעודי לאספקת כוח. רעש עלול להיות אף הוא בעיה, אלא אם אפשר יהיה לסנכרן את כל המפסקים על מנת להקטין את תדרי הקצב.

פתרון משולב מפיק יעילות גבוהה, גודל קטן

שילוב של ווסתי מיתוג רבים ו-LDO לתוך אריזה יחידה, עשוי לצמצמם באופן משמעותי את הגודל הכללי של תכנון ניהול ההספק. בנוסף, פתרונות משולבים חכמים, מספקים יתרונות רבים בהשוואה ליישומים יחידים מסורתיים. הקטנת מספר הרכיבים היחידים עשויה לצמצמם באופן משמעותי את העלות, המורכבות ואת עלות הייצור של התכנון. התקנים כגון היחידות המשולבות לניהול הספק ADP5050 ו- (PMU) יכולים ליישם את כל המתחים והתכונות הללו במעגל משולב אחד, תוך שימוש בפחות שטח PCB וברכיבים מעטים יותר. ליעילות גבוהה ביותר, ניתן לספק כוח לכל אחד מווסתי המיתוג ישירות מהמקור של 12 וולט (בדומה לאיור 1a), וכך להסיר את הצורך בשלב וויסות מקדים. לווסתי המיתוג 1 ו-2 יש גבולות זרם ניתנים לתכנות (4 אמפר, 2.5 אמפר, או 1.2 אמפר), ובכך, הם מאפשרים למתכנן ההספק לשנות במהירות ובקלות את הזרם לתכנונים חדשים ולצמצם באופן משמעותי את זמן הפיתוח. ניתן לספק כוח ל-LDO מאספקת מתח של 1.7 וולט ועד ל-5.5 וולט. בדוגמה זו, היציאה של 1.8 וולט מאחד מווסתי המיתוג, מספקת כוח ל-LDO למטרת הענקת פס של 1 וולט בעל רעש נמוך למעגלים האנלוגיים הרגישים לרעש.

תדר המיתוג, fsw, נקבע לערכים שבין 250 קילוהרץ ו-1.4 מגה הרץ באמצעות הנגד RRT. תחום תדר המיתוג הגמיש מאפשר למתכנן הספק למקסם את התכנון, להקטין את התדר למען היעילות הגבוהה ביותר, או להגדיל את התדר למען הגודל הכללי הקטן ביותר.

בתכנונים מסוימים, רצוי כי שני היעדים יהיו קיימים: תדר מיתוג נמוך על מנת לספק את יעילות ההספק הגבוהה עבור פסי הזרם הגבוה יותר, ומיתוג תדר גבוה יותר על מנת לצמצם את גודל הinductor ולהקטין את שטח ה-PCB עבור פסי הזרם הנמוך יותר. אפשרות “חלק – לשניים” על תדר המיתוג הראשי, מאפשרת ל-ADP5050 לפעול בשתי תדירויות, כמוצג באיור 2. ניתן לקבוע את תדר המיתוג עבור ווסתי המיתוג 1 ו-3 באמצעות יציאת המעגל המשולב I2C לחצי אחד של תדר המיתוג הראשי.

רצף הספק

כפי שמוצג באיור 3, להתקנים ADP5050 ו-ADP5052 יש ארבע תכונות המפשטות את רצף אספקת הכוח הנדרש ליישומים המשתמשים ב-FPGA ובמעבדים: כניסות – מאפשרות – דיוק, אתחול רך הניתן לתכנות, יציאת הספק – טוב, ומפסק פריקת יציאה פעיל.

כניסות מאפשרות – דיוק

לכל ווסת, כולל ה-LDO, קיימת כניסה – מאפשרת בעלת ייחוס מדויק של 0.8 וולט (איור 1 – 3). כאשר המתח בכניסה – מאפשרת גדול יותר מ-0.8 וולט, הווסת מאופשר; כאשר המתח נופל מתחת ל-0.725 וולט, הווסת מנותק. נגד פנימי מנתק בעל התנגדות של 1 מגה אום מונע טעויות אם הפין נותר צף. מתח הסף לאפשור דיוק מאפשר בקלות רצף בתוך ההתקן, כמו גם לגבי אספקה חיצונית.

אתחול רך הניתן לתכנות

מעגלים בעלי אתחול רך, מגדילים בעוצמה ובאופן מבוקר את מתח הכניסה המגביל את הזרם הפורץ פנימה. זמן האתחול הרך נקבע ל-2 מילי שניות, כאשר הפינים של האתחול הרך קשורים ל-VREG, או שהוא ניתן להגדלה עד ל-8 מילי שניות באמצעות חיבור נגד – מחלק מפין האתחול הרך ל-VREG ולאדמה (איור 2 – 3). ייתכן כי תצורה זו תידרש לאפשר רצף אתחול ספציפי או יישום בעל קבל עם יציאה גדולה.

יציאת הספק טוב

יציאת הספק טוב עם ניקוז פתוח (PWRGD) גדלה כאשר ווסתי המיתוג הנבחרים פועלים כרגיל (איור 3 – 3). הפינים של ההספק הטוב מאפשרים להספק לאותת למערכת המארחת אודות מצבו. כברירת מחדל, ה-PWRGD מפקחים על מתח היציאה בווסת המיתוג 1, אך ניתן לקבל ערוצים אחרים לפי הזמנה לבקרת פין ה-PWRGD. ניתן לקרוא את הסטטוס של כל ערוץ (PWRGx bit) באמצעות ממשק ה-l2Cהנמצא על ADP5050. רום לוגי על גבי הביט PWRGx מורה על כך שמתח היציאה המווסת נמצא מעל 90.5% מערך היציאה הנקוב שלו. הביט PWRGx נקבע על שפל לוגי כאשר מתח היציאה המווסת נופל מתחת ל-87.2% למשך יותר מ-50 פּיקו שניות. היציאה PWRGD היא ה-AND הלוגי של האותות הפנימיים הלא מוסווים של PWRGx. אות PWRGx פנימי חייב להיות גבוה יותר מ-1 מילי שנייה לפני שה-PWRGD עולה; אם אות PWRGx כלשהוא נופל, ה-PWRGD יורד ללא השהיה. הערוצים המפקחים על ה-PWRGD (ערוץ 1 עד ערוץ 4) מצוינים באמצעות נתיך יצרן או באמצעות ביטים הנקבעים דרך ממשק ה-l2C.

מפסק פריקת יציאה פעיל

כל מפסק וויסות כולל מפסק פריקה מצומת המיתוג לאדמה (איור 3-4). בהיותו פעיל כאשר הווסת שלו מנותק, המפסק מסייע לקבּל היציאה להתפרק במהירות. ההתנגדות הטיפוסית של מפסק הפריקה, הנה 250 אום עבור ערוץ 1 עד ערוץ 4. מפסק הפריקה הפעיל, מוריד את היציאה לאדמה כאשר הווסת מנותק, אף כאשר קיים עומס קיבולי גדול.

ממשק C2I

ממשק ה-C2I מעניק יכולת בקרה מתקדמת ומדרוג מתח דינמי בסיסי של שתי יציאות ווסתי המיתוג (ערוץ 1 עד ערוץ 4).

בקר מתח כניסה

מתח הכניסה ניתן לבקרת תקלות כגון תנאי תת-מתח. למשל, עם מתח של 12 וולט כניסה, ממשק ה-C2I מתוכנן להפעיל התרעה אם המתח נופל מתחת ל-10.2 וולט. האות על פין ייעודי (nINT) מודיע למעבד המערכת כי אירעה בעיה ומכבה את המערכת על מנת לאפשר את תיקונה.

בקר טמפרטורת צומת

טמפרטורת הצומת ניתנת לבקרה עבור תקלות כגון תנאי טמפרטורה חורגת. אם מידת הטמפרטורה של הצומת גדלה מעל רמה אשר נקבעה מראש (105°C, 115°C, 125°C או), תיווצר התרעה על פין nINT. שלא כמו במקרה של כיבוי חומני, פונקציה זו שולחת אות אזהרה אך אינה מכבה את ההתקן.

מדרוג מתח דינמי

מדרוג מתח דינמי מאפשר למערכת להקטין צריכת הספק על ידי הקטנה דינמית של מתח ההספק בערוצים 1 עד 4 לאופני פעולה בעלי הספק נמוך, או שהוא יכול לשנות באופן דינמי את מתח היציאה בהתאם לתצורת המערכת ועומס המערכת. כמו כן, מתחי היציאה של כל ארבעת ווסתי המיתוג, ניתנים לקביעה דרך ממשק ה-l2C.

תכונות רעש נמוך

קיימות מספר תכונות המקטינות רעש הנוצר על ידי ספק הכוח: תחום מיתוג רחב הניתן לתכנות באמצעות נגד: נגד המצוי על גבי פין תדר הרדיו, מתכנת את תדר המיתוג בין 250 קילו הרץ ל-1.4 מגה הרץ. גמישות זו מאפשרת למתכנן ספק הכוח לקבוע את תדר המיתוג למניעת פסי רעש מערכת.

הזזת פאזת ווסת המיתוג

הזזת הפאזה של ווסת המיתוג ניתנת לתכנות דרך ממשק ה-C. כברירת מחדל, הזזת הפאזה בין ערוץ 1 וערוץ 2 ובין ערוץ 3 וערוץ 4, הנה 180°. היתרון של פעולה שלא בפאזה, הנו הקטנת גל זרם הכניסה והקטנה של רעש אדמה בספק הכוח. הזזת הפאזה של ערוצים 1, 2, 3 ו-4 ניתנת לקביעה ל-, 90°,180°, או 270° ביחס לערוץ 1 על ידי שימוש בממשק l2C. כאשר מבצעים קינפוג של פעולה מקבילה על מנת לספק יציאה משולבת יחידה של עד 8 אמפר בערוץ 1 ו-2, תדר המיתוג של ערוץ 2 ננעל להזזת פאזה של 180° ביחס לערוץ 1.

שעון סנכרון

תדר המיתוג ניתן לסנכרון עם שעון חיצוני בתחום שבין 250 קילו הרץ ל-1.4 מגה הרץ דרך פין ה-SYNC/MODE. יכולת זו חשובה בתדרי רדיו וביישומים רגישים לרעש. כאשר מתגלה שעון חיצוני, תדר המיתוג עובר באופן חלק לתדר שלו. כאשר השעון החיצוני נעצר, ההתקן חוזר לשעון הפנימי וממשיך לפעול באופן רגיל. סנכרון לשעון חיצוני מאפשר למתכנן המערכת להתרחק מפסי תדר בעלי רעש קריטי ולהקטין את הרעש הנוצר על ידי התקנים מרובים במערכת.

לסנכרון מוצלח, יש לתכנת את תדר המיתוג הפנימי לערך קרוב לזה של השעון החיצוני; מוצע הפרש תדירות של פחות

מ-.

פין ה-SYNC/MODE ניתן לקינפוג כיציאת שעון סנכרון דרך נתיך יצרן או ממשק l2C. נוצר פולס חיובי של שעון עם מחזור עבודה של 50% בפין ה-SYNC/MODE עם תדר השווה לתדר המיתוג הפנימי. מתרחשת השהיית זמן קצרה (15%~ מ-tSW) בין שעון הסנכרון הנוצר וצומת המיתוג של ערוץ 1.

איור 4 מציג שני התקנים המוגדרים במצב סנכרון תדר: התקן אחד מוגדר כשעון יציאה על מנת לסנכרן את ההתקן השני. יש להשתמש בנגד הרמה של 100 קילו אום על מנת למנוע שגיאות אם פין

ה- SYNC/MODE נותר צף. שני ההתקנים מסונכרנים לאותו שעון, וכך, הזזת הפאזה בין ערוץ 1 של ההתקן הראשון וערוץ 1 של ההתקן השני הוא ° 0.

כלי התכנון ADIsimPower

ADIsimPower תומך עתה ב-PMU בעלי מתח גבוה רב-ערוציים ADP5050 ו-ADP5052, המספקים הספק ל-4, 5 ערוצים עם זרם עומס של עד 4 אמפר לערוץ, מכניסות בעלות מתח של עד 15 וולט. כלי התכנון מאפשר למשתמשים למטב את התכנון על ידי שימוש במפלי ערוצים בכך שאפשר למקם ערוצים בעלי זרם גבוה במקביל על מנת ליצור פס עם זרם של 8 אמפר, ובהתחשבות בתרומה החומנית של כל ערוץ. עם התכונות המתקדמות, המשתמשים יכולים לציין באופן עצמאי את הביצועים של כל ערוץ בנוגע לביצוע של גל זרם וביצוע ארעי, תדר מיתוג, וערוצים התומכים בחצי מהתדר הראשי. PMU מתקדמים רבי-שילוב, מאפשרים פתרונות ניהול אספקת כוח מורכבת עם יעילות הספק גבוהה, מהימנות גבוהה וגודל אולטרה-קטן. כמו כן, כלי תכנון חדשים משולבים עם מעגלים משולבים גמישים, מצמצמים את הזמן הנדרש להגיע לשווקים עבור ספקים מורכבים אלו. התקנים כגון אלו ממשפחת ה-ADP505X, התוספת האחרונה לתיק ה-ADI של ווסתים רבי שילוב, מאפשרים שימוש מהיר וקל במעגל משולב יחיד ביישומים שונים רבים, המקטינים את זמן אספקת התכנון.