Analogtipp

Stromversorgung für Medizin- und Messtechniksysteme mit FPGA

05.11.13 | Autor / Redakteur: Maurice O’ Brien * / Kristin Rinortner

Bild 1: Spannungsversorgung eines FPGA-basierten Systems
Bild 1: Spannungsversorgung eines FPGA-basierten Systems (Bild: VBM-Archiv)

In tragbaren Medizintechnik- und Messgeräten muss die Spannungsversorgung effizienter arbeiten, kompakter ausgeführt sein und Transienten verkraften. Wir stellen eine Schaltung vor, die die aktuellen Herausforderungen meistert.

Der Trend bei Geräten in der Medizin- und Messtechnik, wie z.B. tragbare Ultraschall- oder Messgeräte, geht in Richtung kleinerer Baugrößen. Dies führt zu einer verstärkten Nachfrage nach kleineren und effizienteren Lösungen zur Spannungsversorgung der in solchen Systemen enthaltenen FPGAs, Prozessoren und Speicher. Eine typische FPGA- und Speicher-Entwicklung verlangt eine sehr kompakte Stromversorgung, die hohe Ströme mit schnellem Transientenverhalten zur Versorgung von Prozessorkern und I/Os liefern kann.

Darüber hinaus muss die Stromversorgung integrierte Analogschaltungen wie zum Beispiel PLLs mit rauscharmen Spannungen versorgen. Eine genau festgelegte und kontrollierte Sequenz beim Einschalten der Versorgung (Power Supply Sequencing) ist wichtig, um sicherzustellen, dass der FPGA vor der Aktivierung des Speichers arbeitet. Spannungsregler mit „Precision Enable”-Eingang und „Power Good”-Ausgang ermöglichen „Power Supply Sequencing“ und das Erkennen von Fehlern.

Entwickler von Stromversorgungen möchten oft den gleichen Spannungswandler-IC in verschiedenen Anwendungen einsetzen. Dafür ist es hilfreich, wenn sich die Strombegrenzungen einstellen lassen. Durch diese Wiederverwendung von Schaltungsteilen lässt sich die Entwicklungszeit beachtlich verkürzen – ein wichtiger Punkt bei jeder neuen Produktentwicklung.

Man stelle sich eine Stromversorgungsspezifikation für eine FPGA-Entwicklung mit einer Eingangsspannung von 12 V und fünf benötigten Ausgangsspannungen vor:

  • Kern: 1,2 V bei 4 A,
  • Aux-Eingang: 1,8 V bei 4 A,
  • I/O: 3,3 V bei 1,2 A,
  • Speicher (DDR): 1,5 V bei 1,2 A,
  • Takt: 1,0 V bei 200 mA.

Bei einer typischen diskreten Implementierung sind vier Schaltregler an die 12-V-Eingangsspannung angeschlossen. Der Ausgang eines Schaltreglers übernimmt die Vorregelung des LDO, um die Verlustleistung zu reduzieren. Ein alternatives Konzept nutzt einen Schaltregler, um die 12-V-Eingangsspannung auf eine 5-V-Zwischenspannung zu bringen. Diese Spannung wird dann herunter geregelt, um alle erforderlichen Spannungen zu erzeugen. Diese Implementierung ist zwar kostengünstiger, allerdings aufgrund der zweistufigen Spannungswandlung weniger effizient. In beiden Fällen muss jeder DC/DC-Wandler unabhängig aktiviert werden. Für die Versorgungs-Sequenzialisierung kann daher ein spezieller Versorgungs-Sequenz-IC erforderlich werden. Auch das Rauschen kann ein Thema sein. Es sei denn, alle Schalter können ihre Schaltfrequenz miteinander synchronisieren, um Schwebungen zu verhindern.

Durch die Integration mehrerer Abwärtsregler und LDOs in ein gemeinsames Gehäuse lassen sich die Abmessungen einer Power-Management-Lösung reduzieren. Zusätzlich bieten intelligente, integrierte Lösungen viele Vorteile gegenüber herkömmlichen diskreten Implementierungen. Indem man die Anzahl der diskreten Bauteile reduziert, lassen sich Kosten sowie die Komplexität der Schaltung beachtlich senken. Die integrierten Power-Management-Einheiten der Familie ADP505x können alle diese Spannungen und Funktionen mit nur einem IC erzeugen. Dies spart Platz auf der Leiterplatte und reduziert die Zahl der Bauteile.

Für höchste Effizienz kann jeder Abwärtsregler direkt mit 12 V versorgt werden. Eine Vorreglerstufe entfällt. Bei den Abwärtsreglern 1 und 2 lassen sich die Strombegrenzungen einstellen (4; 2,5; 1,2 A). Damit lassen sich die Ströme schnell und einfach auf neue Schaltungen abstimmen. Dies verkürzt die Entwicklungszeit beachtlich. Der LDO kann von einem der Abwärtsregler versorgt werden, um eine rauscharme 1-V-Versorgungsspannung für die rauschempfindlichen Analogschaltungen zu erhalten.

In manchen Schaltungen wünscht man sich eine niedrige Schaltfrequenz, um die höchste Energieeffizienz für die Ausgangsspannungen mit den höchsten Strömen zu erreichen, und eine hohe Schaltfrequenz, um die Abmessungen der Induktivität und der Leiterplatte für die Ausgangsspannungen mit den niedrigsten Strömen zu reduzieren. Der ADP5050 ermöglicht eine „Geteilt durch zwei“-Option. Hier kann die Master-Schaltfrequenz sowie die Hälfte dieser Frequenz für den Betrieb der Schaltregler verwendet werden. Die Schaltfrequenz für die Abwärtsregler 1 und 3 lässt sich über die I2C-Schnittstelle auf die Hälfte der Master-Schaltfrequenz einstellen.

* Maurice O’ Brien arbeitet als Product Marketing Manager in der Power Management Produktlinie von Analog Devices in Limerick / Irland.

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