Ponad 50 lat temu firma RCA zaprezentowała pierwszy układ scalony CMOS. Firma Fairchild sama opracowała tę technologię zaledwie 5 lat wcześniej. Układy scalone CMOS miały mieć niemal zerowy pobór mocy statycznej w urządzeniach nieprzełączających się, a także stanowiły znaczący krok we właściwym kierunku pod względem wydajności w porównaniu z ich wymagającymi pod względem mocy poprzednikami N-MOS i P-MOS.

W ciągu ostatnich 50 lat coraz więcej aplikacji obliczeniowych i przetwarzających sygnały wdrażano z coraz większą efektywnością energetyczną. Natomiast zapotrzebowanie na energię elektryczną systemów elektronicznych i informatycznych rosło w postępie geometrycznym. Szacuje się, że obecnie sama infrastruktura internetu zużywa znaczną część całkowitej energii elektrycznej wytwarzanej na naszej planecie.

Cała ta energia musi być kontrolowana, przekształcana, regulowana i filtrowana przed wykorzystaniem – i dzisiejsze urządzenia elektroniczne są pod tym względem dość zaawansowane. W 1968 r. niewielu inżynierów pomyślałoby o procesorach, które wymagają zaledwie 0,9 V (±2%) napięcia przy dziesiątkach amperów.

Większa wydajność przy mniejszej mocy

Na rynku stale pojawiają się nowe układy zarządzania energią, które ułatwiają pracę programistom. Często są one wspierane przez internetowe narzędzia programistyczne, które umożliwiają odniesienie początkowego sukcesu.

W całej skali mocy – od urządzeń typu wearables i konstrukcji zbierających energię, które pobierają miliwaty mocy, po zasilacze pracujące z mocą kilku kilowatów – kluczowym zagadnieniem jest większa wydajność. Konstruktorzy zasilaczy do elektroniki użytkowej dążą do wdrażania takich rozwiązań w zakresie zasilania, które minimalizują straty nie tylko przy dostarczaniu mocy znamionowej, ale na wszystkich poziomach, aż do stanu gotowości.

Obecnie obowiązujące przepisy w tym zakresie to 5. wersja Kodeksu postępowania Unii Europejskiej w zakresie efektywności energetycznej zasilaczy zewnętrznych oraz norma poziomu VI efektywności energetycznej Departamentu Energii USA. Oba akty prawne mają na celu ograniczenie zużycia energii przez miliony podłączonych, ale nieaktywnych systemów energetycznych.

Żeby sprostać tym wymaganiom, firma Texas Instruments opracowała nowy układ scalony kontrolera, który umożliwia uzyskanie niższego niż kiedykolwiek wcześniej zużycia energii w trybie gotowości. Sterowniki tej generacji opierają się na nowej architekturze LLC (cewka–cewka–kondensator).

Jest to sterownik rezonansowy z wbudowanym sterownikiem bramki wysokiego napięcia – który może osiągnąć moc do 40 mW w trybie gotowości lub 75 mW z korekcją współczynnika mocy (PFC), kiedy moc systemu jest w pełni regulowana. Model PFC-301 umożliwia uruchomienie systemu nawet przy wysokim poziomie napięcia. Produkty, które wcześniej mogły spełniać najbardziej rygorystyczne wymagania dotyczące trybu gotowości tylko przy użyciu oddzielnego zasilacza o niskim poziomie gotowości, teraz mogą korzystać z centralnego konwertera AC/DC.

Hybrydowe sterowanie histerezowe na drodze do większej wydajności

Układ LLC firmy TI opiera się na tzw. hybrydowym układzie sterowania histerezą. To najnowsze rozwiązanie w długim szeregu architektur i trybów przełączania, które badano pod kątem uzyskania wyższej sprawności.

Niski pobór mocy nie jest jedynym kryterium, jakie muszą spełniać takie sterowniki. Obciążenia, które swoje zapotrzebowanie na moc szybko zmieniają z niskiego na wysokie, wymagają zasilacza o szybkiej reakcji na stany przejściowe. Sterownik jest wzmacniaczem szerokopasmowym o stałym poziomie wyjściowym i musi być stabilny przez cały czas. Szybka reakcja na stany nieustalone i prosta kompensacja, w połączeniu z solidnymi funkcjami ochrony przed awariami (takimi jak przełączanie bezprądowe), zapewniają niezawodną pracę.

Wearables (urządzenia ubieralne) potrzebują opcji ładowania bezprzewodowego

Elektroniczne urządzenia do noszenia są wykorzystywane coraz częściej. Niezależnie od tego, czy są stosowane w technice medycznej, czy jako urządzenia informacyjno-rozrywkowe, powinny charakteryzować się jak najmniejszym poborem mocy i rozproszeniem energii. Komponenty do zarządzania zasilaniem mogą spełniać te specjalne wymagania.

Jednym z przykładów jest wysoce zintegrowane i programowalne rozwiązanie w zakresie zasilania z serii MAX20303 firmy Maxim Integrated. Urządzenie to oferuje liczne funkcje i jest umieszczone w kompaktowej obudowie o wymiarach 3,71×4,21 mm. Zintegrowane są regulatory napięcia o zoptymalizowanej mocy, w tym kilka regulatorów buck, boost, buck-boost i liniowych.

Prąd spoczynkowy tych regulatorów, który dostarcza do 220  mA, wynosi typowo 1 μA, co wydłuża żywotność akumulatorów w zastosowaniach wymagających ciągłego zasilania. Kompletne rozwiązanie do zarządzania akumulatorem składa się z prostownika, kontrolera ścieżki zasilania i miernika stanu naładowania z zabezpieczeniem akumulatora.

W ładowarce zintegrowane są funkcje zarządzania termicznego i ochrony wejścia. Układ scalony, którego funkcje wykraczają poza funkcje zasilacza, jest wyposażony w programowalny sterownik klawiszy z wieloma wejściami dla różnych interfejsów użytkownika. Trzy zintegrowane radiatory LED służą do wyświetlania lub podświetlania obrazu, a sterownik z automatycznym śledzeniem rezonansu zarządza haptycznym sprzężeniem zwrotnym.

W przypadku produktów wearables rośnie też zapotrzebowanie na opcje ładowania bezprzewodowego. Nie po raz pierwszy w historii normy, która dotyczy energii elektrycznej, wzrost mocy następuje w czasie, kiedy dana metoda jest jeszcze wdrażana. Wireless Power Consortium (WPC) zwiększa moc dla rozszerzonej wersji standardu Qi z 5 W do 15 W ze skutkiem natychmiastowym.

Firma ST Microelectronics wspiera ten krok, wprowadzając układy nadajnika serii STWBC-EP do ładowania bezprzewodowego. Zapewnia on wykrywanie obcych obiektów i funkcje bezpieczeństwa przy najniższym możliwym zużyciu energii w trybie czuwania.

Układ ma przetwornicę DC/DC typu boost i kontroler, a algorytmy ładowania Qi są już zaimplementowane w oprogramowaniu układowym. Generuje on sygnały wejściowe i sterujące dla zewnętrznego półmostkowego stopnia wyjściowego, który napędza antenę nadawczą do ładowania.

Zestaw ewaluacyjny zawiera projekt referencyjny Qi-MP-A10 o mocy 15 W, zasilacz 2 A AC/DC na napięcie 12 V, klucz sprzętowy USB/UART do połączenia z komputerem i kablem USB, a także wstępnie zainstalowane oprogramowanie układowe. W przypadku aplikacji, które nie wymagają rozszerzonego profilu zasilania, odpowiedni zestaw ewaluacyjny z serii STWBC (pasujący odbiornik jest również dostępny w serii STWLC) wyposażono w urządzenie o mocy 5 W (zgodne z normą Qi 1.1.2 A11), które współpracuje z telefonami komórkowymi obsługującymi Qi.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Rynek

Przez pandemię rosną ceny elektroniki

Chiny są regionem, w którym znajduje się większość fabryk wytwarzających procesory, karty pamięci, panele ekranów – ale też składających elementy w gotowe urządzenia. Dlatego koronawirus był tak niebezpieczny dla branży IT, która i bez niego miała swoje problemy – wynikające choćby z cały czas rosnącego popytu na urządzenia elektroniczne, przy równocześnie zbyt niskiej podaży.

Inne

Elektronikę może ograniczać... fizyka

Elektronika półprzewodnikowa staje się coraz szybsza, ale w pewnym momencie fizyka nie pozwala już na jakikolwiek wzrost. Obecnie badana jest najkrótsza możliwa skala czasowa zjawisk optoelektronicznych.

Standard USB-C rośnie w siłę

Wdrażanie standardu USB-C wciąż nabiera rozmachu – na rynku pojawia się coraz więcej układów do ładowania akumulatorów, które wykorzystują jego zalety. Są nimi wyższa wydajność i centralny punkt połączenia. 

Jednym z przykładów jest regulator napięcia typu buck-boost serii ISL95338 firmy Intersil do wszystkich typów urządzeń przenośnych. Wykorzystuje on odwracalne złącze Typu-C, zastępuje dwie przetwornice i jest dwukierunkowym regulatorem napięcia USB-PD3.0. Korzystając ze źródeł prądu stałego (takich jak zasilacze AC/DC, porty USB-PD3.0, adaptery podróżne lub moduły zapasowe) zapewnia regulowane napięcie do 24 V.

Urządzenie może też przetwarzać różne źródła prądu stałego na regulowane napięcie 20 V na wejściu zasilacza sieciowego. Może on pracować w trybach buck, boost i buck-boost oraz wykorzystuje modulację R3 firmy Intersil. To połączenie modulacji szerokości impulsu (pulse width modulation – PWM) o stałej częstotliwości i histerezy PWM, które zapewnia (ponownie) wydajną pracę przy niskim poborze mocy i bardzo szybką reakcję w stanach przejściowych. 

Projekty mogą być zgodne ze standardem USB-PD3.0, który zapewnia szybkie ładowanie rozwiązań programowalnych zasilaczy (programmable power supply – PPS) z dwukierunkowymi trybami buck, boost lub buck/boost od 5 V do 20 V.

Niskie zużycie energii po wyłączeniu

Również w zastosowaniach motoryzacyjnych coraz ważniejsze staje się jak najniższe zużycie energii w trybie czuwania. Liczba podsystemów elektronicznych w pojazdach stale rośnie, a całkowity pobór mocy po wyłączeniu zapłonu musi być na takim poziomie, aby przez dłuższy czas zbytnio nie obciążać akumulatora pojazdu.

Przykładowym produktem firmy On Semiconductors jest kontroler boost serii NCV898032, który wprowadzono na rynek w 2017 r. Ten sterownik, zaprojektowany do zastosowań motoryzacyjnych, napędza zewnętrzny n-kanałowy tranzystor MOSFET do zasilania różnych odbiorników (takich jak oświetlenie w pojeździe). 

Pobór mocy w stanie wyłączonym jest niewielki, ponieważ prąd spoczynkowy urządzenia wynosi znacznie poniżej 10 µA. Wykorzystując sterowanie w trybie prądu szczytowego ze zintegrowaną kompensacją nachylenia, układ zapewnia wewnętrzny regulator, który dostarcza prąd do sterownika bramki. Jego wejście jest przystosowane do napięć 3,2–40 V, a także do obciążenia o wartości 45 V. Regulator, z prostą kompensacją zapewniającą stabilną pracę, ma kilka wbudowanych funkcji zabezpieczających.

Regulacja napięcia nie obejmuje jednak wyłącznie układów przełączających. Dla przykładu, w wielu konfiguracjach bardziej odpowiedni jest regulator liniowy. Typowe scenariusze obejmują zasilanie precyzyjnych przetworników analogowo-cyfrowych lub wzmacniaczy RF o niskich zniekształceniach, w których przypadku nie można tolerować szumów zasilania.

Układ TPS7A39 firmy Texas Instruments, który zaprojektowano specjalnie, żeby spełnić ten wymóg, nadaje się do wielu zastosowań. Ten regulator o prądzie 150 mA dostarcza dodatnie i ujemne napięcie do urządzeń i podsystemów, które wymagają zbalansowanego lub niezbalansowanego zasilania po obu stronach masy (takich jak przetworniki cyfrowo-analogowe oraz wzmacniacze operacyjne i instrumentacyjne). 

Najpierw pomiar, potem kontrola

Podstawową zasadą w rozwoju jest to, że zanim zacznie się kontrolować dany parametr, najpierw trzeba go zmierzyć. Żeby było możliwe użycie tej zasady np. w laptopach, nowe opracowanie firmy Microchip ma na celu optymalizację dokładności pomiarów w produktach, w których wykorzystuje się system operacyjny Windows 10.

Osiągnięcie bardzo dokładnego monitorowania zużycia energii w systemach opartych na procesorach było utrudnione przede wszystkim ze względu na szybko zmieniające się zużycie energii podczas włączania i wyłączania procedur i aplikacji oraz wywoływania urządzeń peryferyjnych.

Bardziej szczegółowy wgląd w moment wystąpienia szczytów zapewnia ścisła integracja z systemem operacyjnym, umożliwiając bardziej precyzyjne monitorowanie przepływu energii i optymalne wykorzystanie pojemności akumulatora. Układ scalony serii PAC1934 firmy Microchip zawiera sterownik programowy zgodny z wbudowanym w system operacyjny Windows 10 silnikiem szacowania energii (E3), który zapewnia 99-procentową dokładność dla wszystkich urządzeń zasilanych z akumulatorów w systemie Windows 10.

Połączenie sterownika PAC1934 i systemu Windows 10 aplikacje nawet o 29%. Układ wykrywa napięcia zasilania w zakresie od 0 do 32 V. Umożliwia to dokładny pomiar zużycia energii – od prostych zadań wykonywanych przez procesor po aplikacje na urządzeniach podłączonych przez port USB Typ-C.

Markus Schacherer* / Margit Kuther (Elektronik Praxis)

* Marc Schacherer jest regionalnym dyrektorem sprzedaży, DACH w Premier Farnell