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Für genügend Rechenleistung im Internet of Things Die richtige Stromversorgung für Applikationsprozessoren

Die Welt wird „smart“: Kaum ein Gerät kommt in Zukunft mehr ohne Prozessor aus. Doch wie versorgt man die vielen Prozessoren bestmöglich mit Energie?

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Mit einem neuen PMIC ermöglicht ROHM die bestmögliche Stromversorgung von NXP i.MX 8M Mini-Prozessoren.
Mit einem neuen PMIC ermöglicht ROHM die bestmögliche Stromversorgung von NXP i.MX 8M Mini-Prozessoren.
(Bild: ROHM Semiconductor)

Internet of Things, SmartHome, SmartCity… Lange Zeit konnte man solche Begriffe für Buzz-Words halten. Doch mittlerweile setzen sich immer mehr konkrete Anwendungen in unserem Alltag durch. Eine wesentliche Charakteristik ist die Vernetzung: Vom Thermostat in der Wohnung bis zum Auto kommunizieren Gegenstände untereinander oder mit der Cloud. Die steigenden Datenmengen und -raten führen dazu, dass neue Verfahren wie 5G benötigt werden. Eine wichtige Problematik darf dabei nicht vergessen werden: Ohne die nötige Rechenleistung ist weder die Funktion der Geräte noch ihre Vernetzung denkbar.

Der richtige Prozessor

Die Vernetzung zur Cloud oder zu anderen Geräten übernehmen Applikationsprozessoren, ebenso die Kommunikation mit dem Anwender. Diese benötigt besonders viel Rechenleistung. Videos in hoher Qualität, 2D- und 3D-Grafiken sowie Sprachsteuerung erfordern hochmoderne Prozessoren. Ein Beispiel ist die NXP i.MX 8M Mini-Familie.

Für eine optimierte Anzahl an Instruktionen /Watt integriert NXP im i.MX 8M Mini bis zu vier ARM Cortex-A53-Kerne mit einer Frequenz von bis zu 1,8 GHz in Kombination mit einem ARM Cortex-M4, der mit bis zu 400 MHz arbeitet. Die i.MX 8M Mini-Familie unterstützt 1080p-Videoverarbeitung, 2D/3D-Grafik, erweiterte Audiofunktionen und verschiedene Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. Dies prädestiniert sie für eine Vielzahl von Konsumgüter- und Industrieanwendungen.

Der Power-Management-IC BD71847AMWV ist im i.MX 8M Mini-Evaluation-Kit von NXP enthalten.
Der Power-Management-IC BD71847AMWV ist im i.MX 8M Mini-Evaluation-Kit von NXP enthalten.
(Bild: ROHM Semiconductor)

Herausforderung Stromversorgung

Mit der Wahl des richtigen Prozessors alleine ist es aber noch nicht getan. Denn auch die nötige Energie muss bereitgestellt werden. Oft stellt das Design der Stromversorgung eine herausfordernde Aufgabe dar. Der Prozessor benötigt eine Vielzahl an unterschiedlichen Versorgungsspannungen, die zum Starten oder Abschalten des Prozessors einer genauen Abfolge unterliegen. Und auch der Speicher und eventuelle Peripheriegeräte benötigen Strom. Man könnte mit einzelnen Spannungsreglern arbeiten. Doch der zur Verfügung stehende Platz auf der Leiterplatte ist begrenzt und die Anforderungen der Spannungssequenzen können sehr komplex sein.

Die naheliegende Lösung für dieses Problem ist der Einsatz eines Power Management ICs (PMIC). Der ideale PMIC vereint alle Funktionen auf sehr wenig Platz, reduziert die Zahl der benötigten externen Bauelemente und integriert das Powersequencing. Ein PMIC stellt im Vergleich zu einzelnen Spannungsreglern plus Steuerlogik eine sehr viel effizientere Lösung dar. Damit die Vorteile des PMICs voll zum Tragen kommen, muss der PMIC an den jeweiligen Prozessor angepasst sein, wie beispielsweise der neue BD71847AMWV von ROHM, der für die i.MX 8M Mini-Applikationsprozessoren von NXP Semiconductors optimiert ist.

ROHMs Lösung

Der PMIC integriert alle für die i.MX 8M Mini-Applikationsprozessoren erforderlichen Spannungsversorgungen sowie die Versorgungen für DDR-Memory und gemeinsame System-I/Os:

  • sechs DC/DC-Buck-Regler,
  • sechs LDOs,
  • einen 1,8V/3,3V-Leistungsschalter für SDXC-Karten.

Daneben verfügt der PMIC über einen programmierbaren Power-Control-Sequenzer, der verschiedene Applikationen und Anwendungsfälle unterstützen kann. Viele Betriebsparameter wie Ausgangsspannung, Leistungszustandsübergänge, Reset-Verhalten etc. sind per OTP konfigurierbar und/oder per Software programmierbar. Umfangreiche Überwachungs- und Schutzschaltungen runden die Möglichkeiten des PMICs ab.

Alle Funktionen sind in einem kompakten 7 x 7 mm großen QFN-Gehäuse mit 56 Pins integriert. Das Pin-Layout ist so ausgelegt, dass ein einfacher Anschluss an NXPs i.MX 8M Mini-Prozessor und den DDR-Speicher gewährleistet ist.

Durch die Integration aller erforderlichen Komponenten werden im Vergleich zu diskreten Lösungen:

  • ca. 47 Prozent weniger Bauteile benötigt und
  • die Leiterplattenfläche wird um bis zu 42 Prozent reduziert (Typ-3-Leiterplatte für einseitige Montage).

Bei doppelseitiger Montage können Platinen-Abmessungen mit weniger als 300 mm2 erreicht werden. Durch den großen Eingangsspannungsbereich des PMICs von 2,7 V bis 5,5 V wird eine Vielzahl von Versorgungsspannungen unterstützt, von einzelligen Li-Ionen-Batterien über USB-Ports bis hin zu Netzteilen.

Eine Entwicklungsumgebung, mit der Anwender den BD71847AMWV einfach evaluieren können, gibt es ebenfalls. Der Power-Management-IC BD71847AMWV ist im i.MX 8M Mini-Evaluation-Kit von NXP enthalten und sein Treiber ist in das Board-Support-Package des Evaluation-Kits integriert.

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