Neplýtvejte indukčnostmi. Ušetříte na všech frontách

Spolu s kapacitou či odporem tvoří indukčnosti samotné jádro našeho oboru. Potkáváme se s nimi ve formě pečlivě vinutých součástek i těžce potlačovaných parazitních vlivů a třeba takové spínané zdroje si bez nich dokážeme jen stěží představit. Všeho moc ale škodí, zvláště když je bude možné chytře sdílet. Jak je to možné a vyplatí se vůbec něco takového?

Jedna a dost

Na celém nápadu není v zásadě nic složitého a společnosti Maxim stačí k popisu pouze osm písmen, SIMO PMIC [1]. Definice pak integrovaným obvodům typu PMIC, sloužícím k řízení napájení (Power Management IC) a založeným na architektuře SIMO (single-inductor, multiple-output), přikazuje pro zajištění většího počtu nezávislých stejnosměrných výstupů napájecího zdroje využívat na pozici prvku pro ukládání energie jedné jediné indukčnosti. Snížení jejich počtu má za cíl zvyšovat účinnost a zmenšit rozměry řešení až na jednu polovinu. A nejen to. Nízké klidové odběry přispívají k dalším úsporám a ve výsledku tak prodlouží výdrž baterie u nejednoho miniaturního „zázraku techniky“, který právě navrhujete.

S obvody řešenými ve stylu SIMO se na stránkách DPS nevidíme poprvé. Možná si ještě vzpomenete na struktury MAX77650 a 77651, které si uživatelé, aniž to budou sami tušit, dobrovolně vkládají např. do uší [2]. Skutečně bohatá výbava zdaleka nezabírá spoustu místa, přesto však může být i na obtíž. To když bude svým záběrem výrazně převyšovat naše požadavky nebo za nimi jindy snad i pokulhávat. Výrobce proto chválíme za další členy rodiny, kterými se po právu pochlubil v závěru loňského roku [3]; na webu jsme psali v [4]. Mezi šesticí novinek jsme nyní k bližšímu seznámení se základními principy vybrali obvody řady MAX17270 až 17273. Pro nositelnou elektroniku – sady s Bluetooth®, fitness náramky či hodinky budou jako stvořené.

Tři výstupy již v základu

Struktury nanoPower, MAX17270 a také 17271, ve svém typickém zapojení na obr. 2 vytváří jednoduché spínané zdroje se třemi různými výstupy [5]. Poplatně své snižující – zvyšující architektuře a za přispění jediné malé indukčnosti 2,2 μH mohou dosahovat účinnosti až 85 % (výstup 3,3 V). Zastavíme tak menší plochu a v porovnání s ekvivalentním návrhem založeným na jednom snižujícím prvku Buck, doplněném dále lineárními stabilizátory, vykážeme ještě větší celkovou efektivitu. Za předpokladu pouze jednoho aktivního výstupu zde protéká proud ICC o velikosti 0,85 μA, který se s každou další větví navyšuje zhruba o 0,2 μA. Odběr v režimu Shutdown přitom dosahuje 330 nA.

Díky schopnosti vytvářet výstupní napětí nad, pod nebo též na úrovni vstupu lze z baterie vytěžit mnohem víc. Za účelem dosažení rovnováhy mezi účinností, zvlněním na výstupu, otázkou EMI, návrhem desky či zatížitelností nastavujeme pro každý z výstupů také špičkový proud tekoucí indukčností. To se již ale dostáváme k výběru ze dvou verzí. MAX17270 totiž nabídne tři aktivační vstupy a stejný počet vývodů, na kterých za přispění rezistorů nadefinujeme požadovaná napětí. Varianta s jedničkou na konci pak sází na rozhraní I²C spolu s přerušením, podporu tlačítka nebo indikaci Power Good. Obvody MAX17272 a 17273 konečně představují další verze prvních dvou součástek, ovšem jen se dvěma výstupy.

Pokaždé však bude možné počítat buď s pouzdry typu WLP a vývody řešenými v matici 4 × 4, kdy rozměry dosahují 1,77 × 1,77 × 0,50 mm, příp. provedením na způsob TQFN se 16 piny a mírami 3 × 3 × 0,75 mm. Vstupním napěťovým rozsahem přitom pokrýváme oblast od 2,7 až do 5,5 V, zatímco výstup smí po nastavení dosahovat 0,8 až 5,175 V. Výčet základních informací ještě doplňuje zmínka o měkkém startu, ochraně pro případ přetížení či teplotní pojistce.

Není na škodu se podělit

Z pohledu vnějších vývodů již tedy součástku známe. Jak ale struktura SIMO obsluhující souběžně větší počet hladin ve skutečnosti pracuje? Odpovědí se stává zjednodušený blokový diagram na obr. 3 zachycující hlavní výkonový stupeň, tři bloky synchronního usměrnění a pochopitelně kontrolér SIMO, který na vše ve správnou dobu dohlédne. A to i za předpokladu, že o energii uloženou v indukčnosti svede boj několik výstupů. Nastat ale může také opačná situace, regulátory si nic nežádají a stavový automat setrvává v nízkopříkonovém režimu.

Proudová trasa vede při dodávce energie do vnější indukčnosti přes tranzistory označené jako M1 a M4, dokud není dosaženo špičkového proudového limitu. To se pak energie z indukčnosti dostává přes M2 a jeden ze tří tranzistorů M3_x až na výstup, ovšem pouze za předpokladu, že proud svou velikostí ještě nedospěl pro změnu k nule. Co se ale stane v případě, že si o takovou službu najednou „řekne“ více výstupních kanálů? Kontrolér musí zajistit, aby žádný stupeň nevyužíval všech spínacích cyklů. Ty budou místo toho přerozdělovány mezi všemi potřebnými, zatímco výstupy bez požadavku vynecháváme.

Pro pořádek se ještě krátce zastavíme u zatěžovacího proudu, který bude bez ohledu na konkrétní výstup docela malý. To již výstupní struktura automaticky přepíná do režimu ULPM s extrémně nízkým odběrem (ultra-low-power mode) a dále přitom snižuje klidovou spotřebu. Vzniklou typickou situaci znázorňuje obr. 4. Při setrvání v módu ULPM pak dostáváme výstupní napětí, které je oproti bežnému režimu navýšeno o 2,5 %. Když tedy výhledově dojde k prudšímu zatížení, součástka vše ustojí bez rizika nadměrných podkmitů.

Ušito na míru

Jak se mohou výsledné návrhy vyjímat na desce plošného spoje, názorně představuje aktuální dokument výrobce s názvem „Choose a Tailored SIMO PMIC for Your Portable Design“ [6]. V případě senzorů napájených z mincové baterie zmiňuje právě naše obvody SIMO PMIC MAX17271 spolu se třemi výstupy měniče zajišťujícího v úhrnu 300 mA. Obousměrné rozhraní I²C zde navíc umožňuje nejen konfiguraci, ale také kontrolu stavu obvodu. Díky pouzdrům typu WLP bude výsledek se všemi aktivními a pasivními součástkami zabírat pouhých 14 mm², přesně jak to sledujeme i na obr. 5.

Ostatní novinky toho ale nabídnou ještě více [3]. MAX77278 z posledního šestého obrázku vedle třech regulátorů buck-boost s nezávislými napěťovými výstupy až do 5,25 V a rozhraní I²C kupříkladu řeší otázku posloupností, nabíjení malých článků (Li+) konstantním proudem od 7,5 až do 300 mA, 425mA proudovou noru pro LED, osm GPIO a třeba též 50mA nízkošumový lineární stabilizátor spolu s možnostmi FHC (Fixed Headroom Controller). Při napájení LDO přímo z výstupu měniče proto na stabilizátoru nemusí vznikat zbytečné ztráty [7]. Jindy přes LDO dostaneme třeba až 150 mA a vyhrát si můžeme též s diodami RGB (MAX77640/1). Ať již tedy zvolíme jakýkoli obvod, indukčnost už nemusí být nepřítelem. Výstupy se o ni ještě rády podělí.