Stromversorgungen effizient gestalten Power-Management-ICs für IoT-Anwendungen

Power-Management-ICs verkürzen die Entwicklungszeit für IoT-Anwendungen mit NXP i.MX-8M-Applikationsprozessoren und verringern die Stücklistenkosten.

An IoT-Anwendungen werden immer höhere Erwartungen in Bezug auf Betriebszeit und Miniaturisierung gestellt. Industrie- und Konsumprodukte beinhalten Hochgeschwindigkeitsschnittstellen und Audiofunktionen, die Prozessoren mit hoher Rechenleistung brauchen. Wie kann für solche Geräte eine effiziente Stromversorgung mit minimalem Stand-by-Stromverbrauch gestaltet sein?

Internet of Things, Smart-Home, Smart-City – die Zeit der leeren Buzzwords ist vorbei, immer mehr zeigt sich, dass sich die konkreten Anwendungen in unserem Alltag durchsetzen oder schon fest in unserem Leben integriert sind. Einer der wichtigsten Aspekt dabei ist die Vernetzung: Vom Thermostat in der Wohnung bis zum Auto und den Ampeln und Parkplätzen sind alle Gegenstände vernetzt und kommunizieren untereinander. Die steigenden Datenmengen und -raten führen dazu, dass neue Technologien wie etwa 5G notwendig werden. Ein weiterer Aspekt darf aber nicht vergessen werden: Ohne die nötige Rechenleistung ist weder die Funktion der Geräte noch deren Vernetzung denkbar.

Der richtige Prozesor

Heute kommt kein Gerät ohne Applikationsprozessor aus. Die Vernetzung zur Cloud oder zu anderen Geräten ist eine Aufgabe, aber vor allem die Kommunikation mit dem Anwender benötigt viel Rechenleistung: Videos in hoher Qualität, 2D- und 3D-Grafiken sowie Sprachsteuerung erfordern hochmoderne Prozessoren.

Ein Beispiel ist die NXP i.MX-8M-Nano-Familie. Für eine optimierte Anzahl an Instruktionen/Watt integriert NXP im i.MX 8M Nano bis zu vier Arm-Cortex-A53-Kerne mit einer Frequenz von bis zu 1,5 GHz in Kombination mit einem Arm-Cortex-M7, der mit bis zu 750 MHz läuft. Die i.MX-8M-Nano-Familie unterstützt 1080p-Videoverarbeitung, 2D/3D-Grafik, erweiterte Audiofunktionen und verschiedene Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. Eine gute Wahl für eine Vielzahl von Konsumgüter- und Industrieanwendungen.

Die Stromversorgung

Mit der Wahl des richtigen Prozessors alleine ist es aber noch nicht getan. Auch die nötige Energie muss bereitgestellt werden. Oft ist das Design der Stromversorgung eine Herausforderung: Der Prozessor benötigt eine Vielzahl an unterschiedlichen, hochgenauen Versorgungsspannungen, die zum Starten oder Abschalten des Prozessors einer genauen Abfolge unterliegen und auch der Speicher sowie eventuelle Peripheriegeräte benötigen Strom. Einzelne Spannungsregler würden zu viel Platz auf der Leiterplatte einnehmen und die Anforderungen der Spannungssequenzen können sehr komplex sein.

Für diese Problemstellungen werden Power-Management-ICs (PMIC) genutzt. Der richtige PMIC vereint alle Stromversorgungen auf sehr wenig Raum, reduziert zusätzlich die Zahl der benötigten externen Bauelemente, bietet weitere Zusatzoptionen für funktionsreiche Anwendungen und integriert auch noch das Power-Sequencing. Ein PMIC stellt im Vergleich zu einzelnen Spannungsreglern plus Steuerlogik eine sehr viel effizientere Lösung dar.

Damit die Vorteile des PMICs voll zum Tragen kommen, muss der PMIC an den jeweiligen Prozessor angepasst sein. Ein Beispiel ist der neue BD71850MWV von ROHM, der für die i.MX-8M-Nano-Applikationsprozessoren von NXP Semiconductors optimiert ist.

PMIC-Lösung für NXPs i.MX 8M

Alle für die i.MX-8M-Nano-Applikationsprozessoren erforderlichen Spannungsversorgungen werden von dem PMIC integriert, ebenso die Versorgungen für DDR-Memory und die gemeinsamen System-I/Os: sechs DC/DC-Buck-Regler, sechs LDOs und einen 1,8V/3,3V-Leistungsschalter für SDXC-Karten. Ein programmierbarer Power-Control-Sequenzer im PMIC unterstützt verschiedene Applikationen und Anwendungsfälle. Viele Betriebsparameter wie Ausgangsspannung, Slew-Rates, Leistungszustandsübergänge, Reset-Verhalten etc. sind per OTP konfigurierbar und/oder per Software programmierbar. Umfangreiche Überwachungs- und Schutzschaltungen runden die Möglichkeiten des PMICs ab.

Moderne PMCIs benötigen nur sehr wenig Platz auf dem Prozessorboard. Der beispielhaft erwähnte Rohm BD71850MWV integriert alle Funktionen in einem kompakten 7 mm x 7 mm großen QFN-Gehäuse mit 56 Pins. Das Pin-Layout ist so ausgelegt, dass ein einfacher Anschluss an NXPs i.MX-8M- Mini-Prozessor und den DDR-Speicher gewährleistet ist. Die Stückliste ist auf ein Minimum reduziert, da die voll integrierten Buck-Regler nur einen einzigen Ausgangskondensator benötigen. Durch die Integration aller erforderlichen Komponenten werden im Vergleich zu diskreten Lösungen rund 42 Prozent weniger Bauteile benötigt und die Leiterplattenfläche wird bei einer Typ-3-Leiterplatte für einseitige Montage um bis zu 42 Prozent reduziert (Bild 1). Bei doppelseitiger Montage können Platinen-Abmessungen mit weniger als 300 mm2 erreicht werden. Durch den großen Eingangsspannungsbereich des PMICs von 2,7 V bis 5,5 V wird eine Vielzahl von Versorgungsspannungen unterstützt, von einzelligen Li-Ionen-Batterien über USB-Ports bis hin zu Netzteilen.

PMIC-Features

Ein leistungsstarker PMIC wie der BD71850MWV kann das gesamte System versorgen, er liefert 16,5 A von seinen sechs voll integrierten DC-DC-Buck-Wandlern und mehr als 1,1 A von seinen sechs LDOs. Durch die automatische Auswahl von Pulsweite und Impulsfrequenzmodulation wird bei der Leistungsumwandlung ein hoher Wirkungsgrad über einen weiten Ausgangsspannungs- und Lastbereich erreicht. Alle Buck-Regler verwenden integrierte Leistungsschalter mit einer Frequenz von 2 MHz/1,5 MHz. So können Low-Profile-Induktivitäten eingesetzt werden, die Ausgangsspannung ist in einem weiten Bereich programmierbar. Um für jede Aufgabe die optimale Energieeffizienz zu erreichen, arbeiten zwei Buck-Regler mit dynamischer Spannungsskalierung (Dynamic Voltage Scaling, DVS), die moderne SoCs benötigen. Die optimierte Power-Architektur ermöglicht es, Energie über die LDO-Regler mit erstklassigem Gesamtwirkungsgrad für längste Betriebszeiten und optimales Wärmeverhalten bereitzustellen. Alle LDO-Regler haben programmierbare Ausgangsspannungen und können bis zu 300 mA Ausgangsstrom liefern.

Ein PMIC für moderne IoT-Geräte verfügt optimalerweise über einen programmierbaren Power-Control-Sequenzer der die Anlaufsequenz aller zwölf Schalt-/Linearregler einschließlich ihrer Ausgangsspannungen gemäß den Anforderungen des SoC programmieren kann (Bild 2). Die Leistungsmodusübergänge des Prozessors werden über die Handshake-I/O-Schnittstelle und den programmierbaren Power-Button ausgelöst. Das Verhalten des multifunktionalen Single-Switch-Power-Buttons lässt sich über die I2C-Schnittstelle programmieren, bestenfalls mit einer weiten Toleranz gegenüber der Eingangsspannung und ohne Level-Shifter. Über diese Schnittstelle kann auch das elektrische Verhalten wie Ausgangsspannung, ggf. DVS-Anstiegsraten, Betriebsart etc. verändert werden, ein 32,768-kHz-Quarzoszillator-Treiber und ein Watchdog-Timer für die Systemsicherheit runden die Features ab.

Mit den beschriebenen PMIC-Eigenschaften kann der Stand-by-Stromverbrauch vernetzter Geräte deutlich gesenkt werden. Auch sehr leistungsstarke Prozessoren können so sehr effizient mit Strom versorgt werden, programmierbare PMICs steuern alle verbundenen Peripheriegeräte punktgenau. IoT-Geräte profitieren von einer verlängerten Betriebsdauer, einer geringeren Wärmeentwicklung und auch von dem geringen Platzbedarf des PMICs auf der Platine. Ohne eine taktgenaue, effiziente und sichere Stromversorgung geht bei den kleinen vernetzten Geräten der IoT-Ära nichts mehr.

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