Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Computer ControlsComputer Controls
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Zasilanie układów typu SoC (System on a Chip) - część 1

ghost666 21 Mar 2020 11:36 789 0
  • SoC (ang. System-on-a-chip - System w Układzie Scalonym) to układ scalony, w którym zintegrowano kompletny system elektroniczny, w tym układy cyfrowe, analogowe (także interfejsy radiowe itp) oraz systemy cyfrowo-analogowe. Bardzo często poszczególne elementy SoC pochodzą od różnych dostawców i są integrowane przez producenta układu w jednej strukturze półprzewodnikowej.

    Tego rodzaju elementy często stosuje się w systemach wbudowanych dzięki temu, że znaczna część elementów zintegrowana jest w jednym układzie. Typowy układ SoC do tych zastosowań zawiera w sobie procesor (CPU) w postaci pojedynczego (lub kilku) rdzeni ARM w różnej konfiguracji układów wejścia/wyjścia, w tym zaawansowane interfejsy komunikacji szeregowej, a często nawet systemy komunikacji bezprzewodowej, integrujące w sobie część cyfrową interfejsu, a także tor radiowy.

    Zasilanie tych popularnych elementów, z uwagi na różnorodność zintegrowanych modułów, konieczność podłączania zewnętrznej pamięci dynamicznej (często bardzo szybko taktowanej - DDR3 czy DDR4) nie jest trywialne. Dodatkowo, szczególnie w układach SoC, pracujących w systemach mobilnych, istotna jest wydajność energetyczna sekcji zasilającej - urządzenia te są zasilane z baterii.

    W tej serii artykułów przyjrzymy się na podstawom systemów dostarczania energii, do układów typu SoC. Kluczowym aspektem projektu tego rodzaju układu jest wydajna konwersja mocy dla urządzeń niskiego napięcia i wysokiego napięcia. Rysunek 1 pokazuje niektóre z powszechnie wykorzystywanych struktur zintegrowanych tranzystorów MOSFET wykorzystywanych w układach scalonych wysokim poziomie integracji.

    Zasilanie układów typu SoC (System on a Chip) - część 1
    Rys.1. Struktury niskonapięciowych tranzystorów VDMOS (pionowe, podwójnie dyfundowane tranzystory MOSFET) oraz tranzystorów Trench MOSFET, używanych w systemach zasilania SoC.


    Jako przykład można przyjrzeć się tranzystorowi VDMOS, który oparty jest na pionowym przepływie elektronów między źródłem a początkowym drenem, przez warstwę epitaksjalną z domieszką typu N. Po przepłynięciu przez tą początkową ścieżkę przepływ prądu odchyla się o 90°, stając się przepływem poziomym przechodzącym przez podłoże domieszkowane N+ do zasadniczej części drenu.

    Istnieje wiele technik projektowania cyfrowych i analogowych systemów zarządzania energią. Jedno z najczęściej przyjętych rozwiązań opiera się na przetwornicach impulsowych, które są obwodami przekształcającymi ciągłe napięcie wejściowe na inne napięcie, najczęściej stabilizowane. Nazywane są impulsowymi z uwagi na charakter pracy kluczy w nich. Tego typu stabilizatory są szeroko stosowane w układach do zarządzania zasilaniem, ze względu na ich wysoką sprawność, możliwość skutecznego sterowania napięciem wyjściowym oraz wygodę sterowania tranzystorami MOSFET mocy, które są przełączane pomiędzy dwoma stanami - w pełni otwartym i zupełnie zamkniętym, w czasie pracy przetwornicy.

    Rysunek 2 pokazuje podstawowy schemat działania przetwornicy DC/DC w postaci systemu obniżającego napięcie: klucze HS i LS regulują przepływ energii dostarczanej przez wejście zasilania do wyjścia (obciążenia).

    Zasilanie układów typu SoC (System on a Chip) - część 1
    Rys.2. Podstawowy obwód regulatora przełączającego DC/DC obniżającego o architekturze typu buck - układ ten wykorzystuje tranzystor MOSFET jako klucz i elementy pasywne.


    Gdy klucz HS jest załączony (to znaczy, że tranzystor przewodzi), a LS jest wyłączony (nie przewodzi), wejście zasilania dostarcza energię do wyjścia, do obciążenia. Ten przedział czasu nazywa się tON. Gdy klucz HS jest wyłączony (nie przewodzi), a tranzystor LS jest włączony (przewodzi), energia nie jest dostarczana do wyjścia z wejścia zasilania, ale dostarczana jest z indukcyjności i ew. z kondensatorów na wyjściu układu. Ten przedział czasu nazywa się tOFF. Przełączając okresowo tranzystory HS i LS na przemian, można odpowiednio kontrolować energię dostarczaną do wyjścia obciążenia.

    Okres przełączania TS jest definiowany jako przedział czasu, co który operacja przełączania przełączników HS i LS jest powtarzana. Oba przełączniki HS i LS nie mogą być włączane jednocześnie, ponieważ spowodowałoby to zwarcie napięcia zasilania do masy, bezpośrednio przez tranzystory HS i LS. Aby uniknąć takiej sytuacji, systemy te często są zabezpieczone przed załączeniem obu kluczy naraz. Co więcej, często dodaje się dodatkowy czas pomiędzy włączeniem jednego a wyłączeniem drugiego klucza (tzw. czas martwy), mający zapobiegać przepływowi prądu przez oba klucze naraz, co przekłada się na pogorszenie sprawności systemu.

    Jednym z najważniejszych parametrów, które należy dobrać podczas projektowania stabilizatora impulsowego, jest tak zwany stopień wypełnienia. Stopień wypełnienia przebiegu jest zdefiniowany jako stosunek między przedziałem czasu tON (w którym energia jest dostarczana ze źródła zasilania do wyjścia) a okresem przełączania TS, który jest sumą tON i tOFF. Pokazano to na rysunku 3 i opisano w [/b]równaniu 1[/b].

    Zasilanie układów typu SoC (System on a Chip) - część 1
    Rys.3. Stopień wypełnienia jest definiowany jako stosunek czasu załączenia sygnału - tON - do całkowitego okresu sygnału.


    $$D = \frac {t_{on}}{T_S} = \frac {t_{on}}{t_{on} + t_{off}} \Rightarrow t_{on} = D \times T_S \\ \\ \\ \\ (1)$$
    $$t_{on} + t_{off} = T_S \Rightarrow t_{off} = T_S - t_{on}$$
    $$T_S - D \times T_S = (1-D) \times T_S$$

    Typowy tryb pracy oraz przebiegi napięcia i prądu na cewce przetwornicy DC\DC pokazano na poniższym rysunku 4.

    Zasilanie układów typu SoC (System on a Chip) - część 1
    Rys.4. Podstawowy tryb działania stabilizatora impulsowego DC/DC obniżającego napięcie (typu buck), realizowany za pomocą tranzystorów mocy IGBT i superkondensatora jako obciążenia wyjściowego.


    Na rysunku 4 zauważamy, że spadek napięcia na cewce VL jest okresowy w czasie TS, tzn. jest powtarzany w każdym okresie przełączania, a zatem jego średnią wartość opisuje równanie 2:

    $$\overline{V_L} = \frac {1} {T_S} \times \int_{0}^{T_S} V_L(t)dt = \frac {1}{T_S} \times V_{IN} \times t_{ON} = V_{IN} \times \frac{t_{ON}}{T_S} = D \times V_{IN} \Rightarrow D = \frac {\overline{V_L}}{V_{IN}} \\ \\ \\ \\ (2)$$

    gdzie VIN to napięcie wejściowe, a VOUT to napięcie wyjściowe do obciążenia. Z równania 2, wynika, że współczynnik wypełnienia D może pozwolić na kontrolowanie średniej wartości napięcia VL(t). W zależności od sposobu realizacji tego procesu, wyróżnia się szereg różnego rodzaju architektur stabilizatorów impulsowych. Zostaną one opisane w kolejnej, drugiej części artykułu.

    Źródło: https://www.planetanalog.com/smart-power-management-techniques-to-manage-electric-power-into-socs-part-1/

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9662 postów o ocenie 7751, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Computer ControlsComputer Controls