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確保物聯網的計算能力 適用于應用處理器的高效電源

2020年04月28日 作者 cts

我們的地球將變得更加智能:在日常生活中,越來越多的產品搭載電子處理器——憑借這些器件的性能,我們的生活變得更加輕松。那么,我們應如何通過更好、更有效的方式為眾多處理器供電呢?

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物聯網、智能家居、智能城市...很長一段時間內,許多人認為這都是空想。然而,毋庸置疑,越來越多的具體應用場景已經走進我們的生活,或者將在我們的日常工作中鋒芒畢露。

物聯網和相關主題的關鍵在于連接性:不管是家用恒溫器還是汽車,各種設備都相互連接,而且彼此通信或與云端通信。數據吞吐量和傳輸速率的提高意味著我們需要新技術,比如5G等。此外,我們不能忘記另一個事實:如果計算能力不夠,那么設備的功能以及連接性就無法實現。

正確的處理器

如今,設備必須搭載應用處理器才能實現更多功能。連接云端或其他設備是其任務之一,但是與用戶通信尤其需要較強的算力:高質量的視頻、2D和3D圖形以及語音控制都需要采用更先進的處理器。

NXP? Semiconductors(以下簡稱“恩智浦公司”)i.MX 8M Mini系列就是這種處理器。為了獲得更合適的指令/瓦數,恩智浦公司i.MX 8M Mini集成了多達四個1.8GHz的Arm? Cortex? A53內核,以及一個400MHz的Arm Cortex M4。

i.MX 8M Mini系列支持1080p視頻處理、2D/3D圖形、高級音頻功能和各種高速接口。這使得它們成為各種消費應用和工業應用的理想選擇。

電源

僅選擇適當的處理器是不夠的。您還必須為這些器件提供電源。電源設計通常是一項具有挑戰性的任務:處理器需要各種不同的高精度電源電壓,這些電源電壓全都必須經過精確排序才能啟動或關閉處理器。此外,存儲器和各種外圍器件也需要電源。當然,您可以使用許多單個穩壓器,然而,電路板的空間通常非常有限而且器件的上電順序可能非常復雜。

顯然,此問題的解決方案就是使用電源管理IC(PMIC)。適當的PMIC能夠在很小的空間內整合各種電源,減少所需的外部組件數量,為功能豐富的應用提供更多輔助功能,并且集成了電源排序功能。與單個穩壓器加控制邏輯相比,PMIC是一種效率更高的解決方案。

為了充分利用PMIC的優勢,我們得針對相應的處理器進行定制。比如,羅姆的全新BD71847AMWV就針對恩智浦公司的i.MX 8M mini應用處理器進行了優化。

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圖1

羅姆的解決方案

該PMIC集成了i.MX 8M mini應用處理器、DDR存儲器和常見系統I/O所需的所有電源:六個DC/DC降壓穩壓器,六個LDO和一個用于SDXC卡的1.8V/3.3V電源開關。此外,該PMIC還配備了一個可支持各種應用場景的可編程電源控制時序器??蛻艨梢酝ㄟ^OTP配置和/或通過軟件對許多工作參數(比如輸出電壓、轉換速率、電源狀態轉換、復位行為等)進行配置。該PMIC還具有廣泛的監視和保護電路,這使其性能更加完善。

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圖2

這些功能全都集成在一個緊湊的56腳7mm x 7mm QFN封裝中。該引腳布局旨在輕松與恩智浦公司i.MX 8M mini處理器以及DDR存儲器相連接。由于完全集成的多個降壓穩壓器只需一個輸出電容,因此實現了更小巧的BOM。與分立解決方案相比,通過集成所有必需的組件,該PMIC的組件減少了約52%,PCB面積減少了多達53%(單面貼裝的三類PCB)。如果是雙面貼裝,電路板面積可降至300mm2以下。該PMIC的輸入電壓范圍為2.7V到5.5V,且可支持多種電源電壓,比如單節鋰離子電池、USB輸入和電源等等。

BD71847AMWV具備為整個系統供電的能力,其內置的六個完整DC-DC降壓轉換器可提供16.5A的電流,六個LDO可提供超過1.1A的電流。憑借脈沖寬度自動選擇和脈沖頻率調制功能,該芯片可在較寬的輸出電壓和負載范圍內實現高效功率轉換。各種降壓穩壓器均使用集成電源開關,開關頻率為2MHz/1.5MHz,因此可以使用薄型電感。其輸出電壓可以在很寬的范圍內進行編程,并且兩個降壓穩壓器均采用現代SoC要求的動態電壓縮放(DVS)工作方式,以實現處理器更出色的單任務能耗性能。經過優化,該芯片的電源架構允許LDO穩壓器以同類更優異的總效率提供能量,從而實現最長的工作時間和更優異的散熱性能表現。各種LDO穩壓器均具有可編程輸出電壓,并可提供300mA的電流輸出能力。

BD71847AMWV還集成了一個可配置的電源時序器,可對其12個開關穩壓器/線性穩壓器的啟動時序進行編程,包括根據SoC的要求調節其輸出電壓。處理器的電源模式轉換通過握手I/O接口和可編程電源按鈕觸發。器件中多功能單刀開關電源按鈕的行為可通過I2C接口在廣泛的范圍內進行編程。該接口的輸入耐壓范圍較寬,不需要電平轉換器。該接口還可用于修改電氣性能,比如輸出電壓、DVS斜率(如適用)、工作模式等。為確保系統安全,該PMIC還包含一個32.768kHz晶振驅動器和一個看門狗定時器。

羅姆還提供了一個開發環境,以幫助用戶輕松評估BD71847AMWV。恩智浦公司i.MX 8M mini評估套件中已嵌入電源管理IC BD71847AMWV,相應的驅動器也已集成到評估套件的板級支持包中。

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圖3


功能特點:

- 輸入電壓范圍:2.7V至5.5V

- 6個可編程快速開關DC/DC降壓轉換器

- 6個通用LDO

- 用于高速SDXC卡的1.8V/3.3v電源多路復用器

- 低成本BOM——同時解決元件容差、偏置和熱劣化以及老化等問題

- 可實現更低功耗、改良工作時間和更優異散熱性能的優化電源架構  

- OTP可配置、軟件可編程電源控制時序器

- 與i.MX 8M Mini兼容的電源控制硬件邊帶信令

- 單刀多功能電壓按鈕功能

- 32.768kHz晶振驅動器

- 廣泛的保護功能(軟啟動、電源軌錯誤檢測、過壓保護、過流保護等)

- 電源電壓容限I2C I/F(最大1 MHz)

 

說明:

圖1:羅姆全新PMIC為恩智浦公司i.MX 8M mini處理器提供更出色的供電方式

圖2:BD71847AMWV在單個芯片上集成了系統所需的各種電源

圖3:恩智浦公司i.MX 8M mini評估套件中已嵌入電源管理IC BD71847AMWV

【關于羅姆(ROHM)】

羅姆(ROHM)成立于1958年,由最初的主要產品-電阻器的生產開始,歷經半個多世紀的發展,已成為全球知名的半導體廠商。羅姆的企業理念是:“我們始終將產品質量放在第一位。無論遇到多大的困難,都將為國內外用戶源源不斷地提供大量優質產品,并為文化的進步與提高作出貢獻”。

羅姆的生產、銷售、研發網絡遍及世界各地。產品涉及多個領域,其中包括IC、分立式元器件、光學元器件、無源元器件、功率元器件、模塊等。在世界電子行業中,羅姆的眾多高品質產品得到了市場的許可和贊許,成為系統IC和最新半導體技術方面首屈一指的主導企業。

【關于羅姆(ROHM)在中國的業務發展】

銷售網點:最早于1974年成立了羅姆半導體香港有限公司。在1999年成立了羅姆半導體(上海)有限公司, 2006年成立了羅姆半導體(深圳)有限公司,2018年成立了羅姆半導體(北京)有限公司。為了迅速且準確應對不斷擴大的中國市場的要求,羅姆在中國構建了與總部同樣的集開發、銷售、制造于一體的一條龍體制。作為羅姆的特色,積極開展“密切貼近客戶”的銷售活動,力求向客戶提供周到的服務。目前在全國共設有19處銷售網點,其中包括香港、上海、深圳、北京這4家銷售公司以及其15家分公司(分公司:大連、天津、青島、南京、合肥、蘇州、杭州、寧波、西安、武漢、東莞、廣州、廈門、珠海、重慶)。并且,正在逐步擴大分銷網絡。

技術中心:在上海和深圳設有設計中心和QA中心,在北京設有華北設計中心,提供技術和品質支持。設計中心配備精通各類市場的開發和設計支持人員,可以從軟件到硬件以綜合解決方案的形式,針對客戶需求進行技術提案。并且,當產品發生不良情況時,QA中心會在24小時以內對申訴做出答復。

生產基地:1993年在天津(羅姆半導體(中國)有限公司)和大連(羅姆電子大連有限公司)分別建立了生產工廠。在天津進行二極管、LED、激光二極管、LED顯示器和光學傳感器的生產,在大連進行電源模塊、熱敏打印頭、接觸式圖像傳感器、光學傳感器的生產,作為羅姆的主力生產基地,源源不斷地向中國國內外提供高品質產品。

社會貢獻:羅姆還致力于與國內外眾多研究機關和企業加強合作,積極推進產學研聯合的研發活動。2006年與清華大學簽訂了產學聯合框架協議,積極地展開關于電子元器件尖端技術開發的產學聯合。2008年,在清華大學內捐資建設“清華-羅姆電子工程館”,并已于2011年4月竣工。2012年,在清華大學設立了“清華-羅姆聯合研究中心”,從事光學元器件、通信廣播、生物芯片、SiC功率器件應用、非揮發處理器芯片、傳感器和傳感器網絡技術(結構設施健康監測)、人工智能(機器健康檢測)等聯合研究項目。除清華大學之外,羅姆還與國內多家知名高校進行產學合作,不斷結出豐碩成果。

羅姆將以長年不斷積累起來的技術力量和高品質以及可靠性為基礎,通過集開發、生產、銷售為一體的扎實的技術支持、客戶服務體制,與客戶構筑堅實的合作關系,作為扎根中國的企業,為提高客戶產品實力、客戶業務發展以及中國的節能環保事業做出積極貢獻。

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