Inteligentne zasilanie w urządzeniach przenośnych

W palmtopach, odtwarzaczach mp3 lub telefonach komórkowych trzeciej generacji użytkownicy otrzymali wiele nowych możliwości. Mimo wzrostu skomplikowania technicznego użytkownicy oczekują równoczesnego przedłużenia czasu korzystania z urządzenia bez ładowania baterii, dodatkowo z równoczesnym zmniejszeniem jego objętości. Reakcją producentów na stały wzrost takich wymagań jest dalsze zwiększanie stopnia scalenia chipów, a skutkiem jest nieustanny wzrost stopnia skomplikowania i ograniczenie elastyczności w ich projektowaniu. Projektant współczesnych urządzeń przenośnych musi liczyć się z koniecznością optymalizacji zasilania i starać się o przedłużenie czasu wykorzystywania ładunku akumulatora, zgromadzonego w trakcie jednego ładowania. Zarządzanie poborem prądu, konwersją napięć i całym systemem zasilania musi być dokonywane za pośrednictwem wysoko scalonych podzespołów i komponentów o wyśrubowanych właściwościach.

Rys. 1. Niezwykle mały przetwornik obniżający DC-DC dostarcza prądu wyjściowego do 500mA. Wymaga tylko jednej cewki i dwóch małych kondensatorów. Pokazana obok obudowa CSP-8, w której zamykana jest struktura ma wymiary jedynie 1,75x1mm. (rys1a i obok 1b)

Przy projektowaniu zaawansowanych urządzeń przenośnych napotyka się na spore problemy związane z ograniczoną objętością, wyznaczaną głównie przez rozmiary akumulatora i wyświetlacza, złożoność interfejsu użytkownika i ergonomikę użytkowania. Energię udostępnianą przez akumulator wyznacza jego rodzaj, od którego zależy gęstość energetyczna baterii i jej rozmiar fizyczny. Ograniczona wielkość akumulatora zmusza projektanta do zapewnienia bardziej sprawnego wykorzystywania jego ładunku. Współczesne wielofunkcyjne telefony są przystosowane do obsługi kilku różnych interfejsów radiowych i umożliwiają łączność w kilku nowoczesnych systemach, jak GSM, czy szerokopasmowy CDMA. Dodatkowe połączenia mogą być dokonywane za pośrednictwem interfejsów Bluetooth, Wi-Fi, w podczerwieni i przez USB. Standardem zaczyna być możliwość wykonywania fotografii, co wymaga wyrafinowanych kamer i lamp błyskowych o dużej jasności. Przy wzrastającej szybkości przetwarzania i transmisji danych możliwa jest także wideotelefonia. Oprócz tego, szybkie procesory aplikacyjne umożliwiają przetwarzanie sygnałów audio i wideo dla cyfrowej TV i do kodowania i dekodowania sygnałów audio MPEG.

Podniesienie przepustowości danych zwiększa potrzebę ich przechowywania, wprowadza się więc gniazda dla dodatkowych modułów pamięci, a nawet twardych mikrodysków. Nie potrzeba też dużej wyobraźni, aby przewidzieć, że wszystkie te telefony zostaną zdublowane w urządzeniach do gier, palmtopach lub odtwarzaczach mp3. Obecnie w niemal wszystkich urządzeniach mobilnych znajdują się akumulatory litowo-jonowe, o najwyższej ze wszystkich gęstości energii. Z punktu widzenia rozmiarów akumulatory te mierzą około 50x40x5mm, a ich pojemność wynosi 900 do 1200mAh. Ogniwa paliwowe mają znacznie większą gęstość energii od akumulatorów Li-jon, ale perspektywa ich rozpowszechnienia wciąż jest jeszcze daleka. Poza tym, postęp technologiczny akumulatorów Li-jon może jeszcze doprowadzić do zwiększenia ich pojemności nawet o 30%. Wynika stąd, że projektanci zostaną zatrzymani na granicy 1500 do 1800mAh. Zmusi to technikę półprzewodnikową do kolejnego kroku w kierunku obniżenia zużycia energii i wysokosprawnego gospodarowania energią akumulatorów.

Rys. 2. Licznik kulombów, zintegrowany w pakiecie z akumulatorem, przekazuje procesorowi jego parametry za pośrednictwem interfejsu I2C.

Problem scalenia i rozmieszczania

Dla zmieszczenia wielu funkcji w małej obudowie konieczne jest scalenie odpowiedniego zestawu cyfrowych i analogowych komponentów wysokiej jakości. Jest także istotne, jakie to mają być komponenty i jak wykorzysta się wpływ rozmiarów obudowy na ich rozmieszczenie. Oczywistym rozwiązaniem wydaje się scalenie standardowych linii zasilania podstawowych procesorów, podsystemów audio i składników interfejsu, wspólnych dla różnych platform i zasilaczy, w jednym dla różnych producentów chipsecie. Ale rozwiązanie to łączy się z dwoma nieodłącznymi trudnościami. Po pierwsze, ze względu na jego przemysłowy charakter, zależnie od wymaganych funkcji i cech ergonomicznych, urządzenie może być projektowane w różny sposób. Dzisiaj w projekcie elektrycznym trzeba uwzględniać docelowy kształt, czasem w postaci dwóch otwieranych lub rozsuwanych części, w rozmaitych konfiguracjach wyświetlacza, klawiatury i słuchawki. Zróżnicowanie to decyduje o rozmieszczeniu podsystemów podświetlenia, modułu kamery i innych, co może ograniczać integrację tych podzespołów. W niektórych przypadkach pełne scalenie zasilania, czy audio, może prowadzić do znacznego wydłużania ścieżek, komplikującego rozmieszczenie elementów i zwiększającego podatność na zaburzenia. Nie należy także zapominać o polityce rynkowej producentów, których oferta musi zawierać szeroki wybór modeli, zróżnicowanych pod względem funkcji, parametrów i cen. Optymalizacja zysków w warunkach ostrej konkurencji wymaga uzależnienia cen poszczególnych wersji od ich możliwości, co nie pozwala na integrację wszystkich funkcji w jednym dużym układzie scalonym. Jeżeli jakaś funkcja nie cieszy się dużym popytem w danym wyborze, nie jest ona wraz ze swoimi układami zasilania uwzględniania, co obniża koszty. Poza tym producenci urządzeń mobilnych, używający tych samych podstawowych chipsetów, chcą, aby ich produkty różniły się od konkurencyjnych. To utrudnia unifikację.

Rys. 3. Podwyższający przetwornik DC-DC o wysokiej sprawności rozwiązuje problemy wydajności prądowej akumulatora przy zasilaniu białej diody LED.

Typowymi nie zintegrowanymi komponentami zasilania, są wchodzące w skład pakietu akumulatora mierniki ładunku. Mogą być nimi także wysokowydajne, ale małe zasilacze DC-DC, wysokiej jakości podwyższające konwertery DC-DC dla LED flesza kamery, czy specjalne zasilacze dla białych LED lub wyświetlaczy z organicznymi LED oraz stabilizatory LDO. Jak zawsze scaleniu najpierw podlegają funkcje popularne wśród konsumentów.

Optymalizacja zarządzania zasilaniem i zwiększanie czasu korzystania z ładunku akumulatora musi być zharmonizowana z jego ładowaniem i pomiarem ładunku. Sprawność przetwarzania napięć zasilających przez poszczególne podzespoły systemu musi być możliwie najwyższa. Zarządzanie zasilaniem systemu, które analizuje i kontroluje aktualny pobór energii w okolicach procesora, musi ponadto optymalizować wykorzystywanie zasobów akumulatora. Pierwszy i drugi czynnik wiąże się z wyborem elementów zarządzania zasilaniem, a trzeci wymaga znaczącego rozwoju oprogramowania.

W zarządzaniu akumulatorem coraz więcej uwagi poświęca się pomiarom ładunku. Tradycyjnym sposobem określania stanu ładunku w akumulatorze Li-jon jest pomiar jego napięcia i ocena zasobów za pośrednictwem zapisanych w pamięci tabel zależności ładunku od napięcia. Metoda ta nie jest jednak dokładna z uwagi na skomplikowany sposób pobierania energii przez urządzenia, zmienności akumulatorów Li-jon w czasie i ich zależności od temperatury. Do dokładnego określania pozostałego do wykorzystania w akumulatorze ładunku, umożliwiającego procesorowi lepsze gospodarowanie energią, używane jest dokładne tzw. liczenie kulombów, pozwalające mierzyć ładunek do akumulatora dopływający, a także opuszczający go. Sposób ten pozwala procesorowi dokładnie gospodarować trybami oszczędzania ładunku w akumulatorze zwłaszcza, gdy jest on już niemal wyczerpany i ostrzegać użytkownika o konieczności jego naładowania. W dziedzinie konwersji napięć rosnącą rolę odgrywają przetworniki DC-DC w sprawnym zasilaniu LED i rdzenia procesorów.

Prawa fizyki podpowiadają, że zwiększanie rozdzielczości czujników CCD w aparatach łączy się z potrzebą zwiększenia mocy oświetlenia, potrzebnego do uzyskania obrazu wysokiej jakości, a to z kolei z potrzebą zwiększenia siły flesza. Dobre zdjęcie 1-megapikselową kamerą w telefonie wymaga jasności oświetlenia na poziomie co najmniej 50 luksów. Obecnie flesze licznych modeli telefonów z kamerami mają słabsze „zabawkowe” flesze, dostarczające do białych LED prądu o natężeniu niższym od 100mA. Dla poprawienia jakości zdjęć potrzebne są białe LED o większej mocy i prąd o natężeniu do 1A, którego nie da się osiągnąć w zasilaczach z pompą ładunku. Niezbędne do tego natężenie 2A w obwodzie akumulatora przekracza możliwości każdego aparatu.

Szereg podzespołów telefonów lub palmtopów wymaga dokładnie stabilizowanego napięcia zasilania rdzenia procesora. Stabilizatory liniowe są uważane za rozwiązania małe i tanie. Jednakże powyżej 200mA wymagają one dużego objętościowo i kosztownego systemu odprowadzania ciepła. Rozpraszanie znacznych ilości ciepła jest skutkiem dużej różnicy pomiędzy napięciem wejściowym a wyjściowym stabilizatora, gdy zasila się na przykład 1,2-woltowy rdzeń prądem 500mA z 3,6-woltowego akumulatora Li-jon. Przetwornik impulsowy DC-DC zapewnia sprawność wyższą od 90%, ale z drugiej strony zajmuje wiele miejsca, dlatego często spotyka się rozwiązania hybrydowe. Zwiększenie częstotliwości przełączania do 3MHz pozwala zredukować indukcyjność dławika do około 1µH i zastosować niskoprofilowe elementy, niższe od 1mm. Są one produkowane w obudowie układu scalonego o rozmiarach 2 x 1mm. Całość takiego zasilacza daje się wtedy ograniczyć do rozmiarów 5x5mm. Dalsze zmniejszenie poboru energii uzyskuje się wyposażając stabilizatory DC-DC w funkcję automatycznej zmiany trybu działania PFM/PWM, zwiększającą sprawność przetwarzania w szerokim zakresie prądów obciążenia. Przy małych mocach jest używana modulacja częstotliwości impulsów (PFM), a przy większym prądzie, ponad 50mA, modulacja szerokości impulsów (PWM). Zasilacz 1,8V 500mA przy PWM może osiągać sprawność 80-90%.

Integracja układów zasilania i innych analogowych komponentów jest nieunikniona. A kluczem do integracji jest wybór funkcji, które stały się standardowe, i są używane w powszechnie stosowanych platformach aparatów komórkowych. Wiodąca technika, która rozwija zróżnicowanie funkcji, zwykle najpierw staje się dostępna w formie układów dyskretnych, pozwalających na indywidualizację parametrów, ważną dla konsumentów i dla, istotnego dla dostawców usług i producentów aparatów, różnicowania gamy oferowanych modeli. Rozwój ten w decydujący sposób przyczynia się do redukcji rozmiarów i ciężaru systemu końcowego.

(KKP)