YHTEISTYÖARTIKKELI Älykelloista ja muista puettavista elektroniikkalaitteista on tullut hyvin suosittuja, mutta niiden akkukestävyyteen ja toiminta-aikaan haluttaisiin pidennystä. Tässä Intersilin Anub Gupta käy läpi, kuinka toiminta-aikaa voitaisiin pidentää yrityksen piiriratkaisujen avulla.

Puettava elektroniikka on laaja termi erilaisille mukana kuljetettaville elektroniikkalaitteille. Niitä ovat esimerkiksi älykellot ja erilaiset kuntorannekkeet.

Teknologiateollisuus ja markkinatutkijat hehkuttavat puettavia laitteita seuraavana ”isona juttuna”. ABI Research ennustaa, että puettavien laitteiden kategoria kasvaa 56,1 prosentin vuosivauhtia yltäen 487 miljoonaan myytyyn laitteeseen vuoteen 2018 mennessä.

Laitteiden suorituskykyodotusten kasvaessa niiden ladattavien akkujen toiminta-aika mietityttää kuluttajia. Samaan aikaan laitteiden suunnittelijat kehittävät yhä pienempiä, tehokkaampia ja enemmän toimintoja sisältäviä ratkaisuja.

Laitteiden toiminta-aika akkuteholla on kuluttajien tarkistuslistan kärkipäässä, kun he pohtivat erilaisia vaihtoehtoja ennen kuin päättävät ostaa jokin puettavan laitteen.

Tarkempi katse puettaviin

Aloitamme tarkastelemalla tyypillistä puettavan järjestelmän rakennetta ja sen jälkeen tutkimme, miten uusi regulaattori voi parantaa sen tehokkuutta ja siten pidentää akun toiminta-aikaa. Tyypillisen puettavan laitteen tehoratkaisut on esitelty kuvassa 1.

Tässä artikkelissa tarkastellaan uutta buck-boost-regulaattoria, joka on suunniteltu vastaamaan puettavien laitteiden ankarimpiin matalan tehonkulutuksen vaatimuksiin.

Artikkelissa esitellään muun muassa, miten regulaattorin adaptiivinen virtaa rajoittava pulssitaajuusmodulaatio (PFM) ja pakotettu ohitustila (bypass mode). Ne tuottavat teholähteessä sujuvan siirtymisen jännitteen laskemisesta (buck) jännitettä nostavaan (boost) tilaan. Ominaisuus ehkäisee häiriöitä puettavissa sovelluksissa, joissa tehokkuus kevyellä kuormalla ja nopeat vasteet virran vaihteluihin ovat kriittisiä.

Katsomalla tarkemmin kuvaa 1 voimme nähdä, missä puettavissa sovelluksissa buck-boost-regulaattori on hyödyllinen. Esimerkiksi sykeanturijärjestelmä vaati 3,3 voltin tulojännitteen ja järjestelmäsuunnittelijat tyypillisesti suosittelevat 2-3 ledin käyttämistä tarkkaan sykkeenseurantaan, koska se pienentää puettavan laitteen sijainnin merkitystä ja sopii laajemmalla joukolle loppukäyttäjiä. Tämä konfiguraatio kuitenkin vaatii suuremman virrankulutuksen.

Intersilin ISL9120-piirin käyttäminen esiregulaattorina sopii esitettyyn sovellukseen, koska sille voidaan syöttää virtaa suoraan akusta, mikä tuottaa järjestelmälle paremman hyötysuhteen ja pidemmän toiminta-ajan akulla, paremman suojauksen syöttövirran häiriöille ja alhaisen lähtövirran värinän.

Kun sykemittari ei ole aktiivinen, ISL9120-piiri voidaan pakottaa ohitustilaan, jolloin se kuluttaa vain 0,5 mikroampeeria virtaa ennen kuin se herätetään uudelleen toimimaan.

Puettavien laitteiden nestekidenäytöt ovat pieniä ja käyttävät tyypillisesti yhtä valkoista lediä taustavalaisuun. Kuten kuvasta 1 nähdään, virtaratkaisu käyttää viiden voltin jännitteen nostoa LCD-näyttölohkon sähköistämiseen.

Monia pieniä (1-2 tuuman) LCD-näyttöjä voidaan sähköistää 3-3,6 voltilla 5 voltin sijaan. Tämä tekee buck-boost-regulaattorista vaihtoehdon, jos halutaan paremmalla hyötysuhteella toimivaa ratkaisua.

Puettavissa laitteissa langattomuus ja sitä kautta Wifi-lohko vaatii tyypillisesti 3,3 voltin syötön ja alhaisen tehosyötön tulovärinän. Siihenkin uutuuspiiri soveltuu hyvin esiregulaattoriksi. Tilaa ei kannettavissa laitteissa useinkaan ole liikaa, joten piiriratkaisujen pitää tukea myös tilankäyttöä.

Puettavat tarvitsevat buck-boostia

Puettavien laitteiden tehoratkaisut käyttävät ainakin kolmea DC-DC-regulaattoria ja 3-5 LDO-regulaattoria, mikä vie arvokasta tilaa piirikortilta. LDO-regulaattoreilta puuttuu lisäksi buck-boost-regulaattorin korkea hyötysuhde ja luotettavuus.

Jos esimerkiksi LDO-regulaattoria käytetään syöttämään tehoa litium-ioni-akulla toimivaan oheislaitteiseeen, niin lähtöjännitteen (Vout) lähestyessä 3,3 volttia, sovellusprosessorilta tuleva iso virtapurske voi saada tulojännitteen (Vin) putoamaan alle LDO:n regulointijännitteen.

Tilanne voi aiheuttaa muistin nollautumisen tai sovelluksen sammumisen.  Intelin ISL9120 InBuck-boost-kytkinregulaattori ISL9120 poistaa tämän (kuva 2) ongelman laajemman Vin-alueen ansiosta. Piiri voi nostaa myös jännitettä välttääkseen matalan jännitteen aiheuttamat häiriöt. Ne voivat johtaa akun alijännitteeseen kun Vin putoaa alle lähtöjännitteen.

1,41 x 1,41 -milliseen koteloon pakattu piiri vaatii tuekseen vain yhden induktorin, ei suunnittelussa tarvitse tehdä kompromisseja tehokkuuden tai koon suhteen. Piiri toimii1,8-5,5 voltin tulojännitteestä ja tuottaa säädettävän 1-5,2 voltin lähtöjännitteen.

Piirin adaptiivinen PFM-toiminto yhdessä pakotetun ohitusmoodin ja kahden amperrin kytkimineen takaavat  pidemmän akun elinajan ja pienemmän lämmöntuoton.

Regulaattori tuottaa myös 800 milliampeerin virran 2,5 voltin tulolla ja 3,3 voltin lähtöjännitteellä. Kun regulointia ei vaadita, piiri siirtyy pakotettuun ohitustilaan, mikä pienentää tehonkulutuksen alle 0,5 mikroampeerin lepovirtaan.

Miten virta riittämään?

Buck-boost-regulaattori tuo lisäarvoa puettavaan järjestelmään. 3,3-3,6 voltin tulojännitettä vaativassa sovelluksessa buck-boost-regulaattoria voidaan soveltaa laajalti eri akkurakenteissa t 4,375 voltista 2,5 volttiin.

Regulaattori toimii puhtaassa boost-tilassa 2,5-3 voltin akkujännitteillä, buck-boost-tilassa yli 3 ja alle 3,9 voltin akkujännitteillä ja puhtaassa buck-tilassa 3,9-4,5 voltin akkujännitteillä.

Monet puettavan elektroniikkajärjestelmä osat kuten Wifi- tai näyttömoduuli saavat virtansa LDO-regulaattorilta. Jos virta tulee suoraan akulta näissä oheislaitteissa syntyy suuremmat tehohäviöt, koska LDO:n tehokkuus vastaa lähtöjännitettä  Vout jaettuna tulojännittellä  Vin.

Suuremmilla kuormilla LDO-ratkaisu hukkaa enemmän tehoa ja haihduttaa enemmän lämpöä. Uusien buck-boost-muuntimen käyttäminen LDO:n esiregulaattorina auttaa parantamaan järjestelmän tehokkuutta.

Lisäksi tässä ratkaisussa LDO:sta tulee aina tasainen Vin (buck-boost-lähtö) -häviö sen sijaan, että tehohävikki olisi suurempi kun virta tulee suoraan akulta.

Puettaviin laitteisiin pakataan entistä enemmän prosessointia, joka kasvattaa tarvetta tehokkaammalle tehonhallinnalle. Kun useat sovellukset toimivat rinnakkain, lyhyt korkea virtapulssi voi saada paikallisen jännitealueen putoamaan suositellun tuloalueen alle. Tilanne voi aiheuttaa jopa sammumisen. Se voitaisiin välttää käyttämällä buck-boostia esiregulaattorina.

Intelsilin ISL9120 on hyötysuhteeltaan tehokas sekä pienen että suuren kuorman tiloissa. Sen adaptiivinen PFM-toiminto auttaa säilyttämään jopa 98 prosentin hyötysuhteen suuremmissa kuormissa ja yli 86 prosentin hyötysuhteen pienissä kuormissa, kuten kuva 3 hyötysuhdekaavio osoittaa.

Tämä varmistaa pienemmän tehonkulutuksen ja vähäisemmän lämmöntuoton, mikä pidentää akun toiminta-aikaa ja säästää piirikorttialaa poistamalla ulkoisten jäähdytyselementtien tarpeen.

Tehokkuuden optimoimiseksi koko syöttövirta-alueella ISL9120-piirillä on monitasoinen virranrajoituskaavio, jossa 350 milliampeerin ja 2 ampeerin välillä on 32 eri tasoa.

Kuvasta 4 nähdään, siirtyminen yhdeltä tasolta toisella määritellään PFM-purskeen pulssien määrän perusteella. Virtatason piikissä pulssimäärä kasvaa syöttövirran kasvaessa.

Kun pulssimäärä yltää virtatason ylärajall

e, virranrajoitus kytkeytyy seuraavalle korkeammalle tasolle. Samoin, mikäli pulssimäärä alenee virtatason alarajalle, laite kytkeytyy seuraavalle alhaisemmalle virtapiikkitasolle.

Mikäli pulssimäärä saavuttaa korkeimman virtatason ylärajan, virtarajoitusta ei enää nosteta. ISL9120-piirillä on myös pakotettu ohitustila, jos lähtövirran regulointia ei tarvita.

Kuvan 4 ratkaisussa piirin virrankulutus lepotilassa putoaa alle 0,5 mikroampeeriin. Buck-boost -regulaattori käyttää pakotettua ohitustilaansa syöttäessään virtaa LDO:lle ja LDO on valmiustilassa syöttövirran olle lähellä nollaa. Tässä tilassa regulaattorin asettaminen ohitustilaa ei vaikuta LDO-regulaattoriin, mutta säästää regulaattorin 41 mikroampeerin lepovirran kulutuksen.

Tilavaateet vaativat tiukempaa tehonhallintaa

Uudet tehokkaammat sovellusprosessorit ja grafiikkaprosessorit integroidaan yhä useammin yhteen. Näin voidaan päästä aiempaa pienempiin fyysisiin mittoihin.

Integroiduissa ratkaisuissa tehonhallinnan haasteet tulevat esillle. Siihen uudet buck-boost-regulaattorit tuovat apua. Niissä käytetään adaptiivista virtaa rajoittavaa PFM-modulaatiota. Ne pidentävät myös akkukäyttöisten laitteiden toiminta-aikaa ja pitävät laitteet entistä viileämpinä.

Artikkelin kirjoittaja Anubhav “Anub” Gupta vastaa Intersilillä mobiilitehotuotteista. Hän on toiminut aiemmin NXP:ssä, Texas Instrumentsilla ja Freescale Semiconductorilla. Hän aloitti uransa analogia- ja RF-suunnittelijana Motorolalla. Hra Guptalla on elektroniikkainsinöörin tutkinto Indian Institute of Technologystä Intian Bombaysta, MSEE-tutkinto Virginian yliopistosta ja MBA-tutkinto Teksasin yliopistosta.

Kuva: Intersil

LISÄÄ: Intersil (LINKKI), SL9120 (LINKKI), videoesitys (LINKKI) ja kehityskortti (LINKKI) ja jakelijat (LINKKI)

LUE – UUTTA  – LUE – UUTTA – LUE – UUTTA

Uusi ammattilehti huipputekniikan kehittäjille – Lue ilmaiseksi verkossa!

http://issuu.com/uusiteknologia.fi/docs/1_2016?e=19307983/35580639