magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 40 reszA DDR-memóriák, amelyekkel korábban csak PC-k bővítőegységeként találkoztunk, egyre gyakrabban jelennek meg beágyazott ipari számítógépek alkatrészeként is. Ez is érdekessé teheti Robert cikksorozatának aktuális folyta­tását, amelyben a DDR-memóriák tápellátásának sajátos problémáira irányítja a figyelmet.

 

 

DDR-memóriák tápfeszültség-ellátása

A CMOS logikai áramkörök teljesítmény-disszipációjának elsődleges meghatározói az órafrekvencia, a tipikus kapuáramkör bemeneti kapacitása és a tápfeszültség. Az elemi kapuáramkörök méretének és  ezáltal a tápfeszültségnek a csökkentése jelentősen hozzájárult a kapuszintű disszipáció csökkentéséhez. Ezek a csökkentett teljesítményveszteségek és a kisebb tápfeszültség lehetővé tette, hogy a CMOS-eszközök órafrekvenciája a gigahertzes tartományba kerüljön. Ezeken az igen magas órajel-frekvenciákon a nagy alakhűségű órajelek előállításához jól „kézben tartott” impedanciák és buszlezárások, valamint minimális vezetékáthallások szükségesek. A logikai rendszereket hagyományosan úgy tervezik, hogy az órajelnek csak az egyik élét használják a jelek szinkronizálására. Kivételt képeznek ez alól a DDR (Double Data Rate – kétszeres adatsebességű) memóriák, amelyekben az órajelnek mind a felfutó, mind a lefutó élét adatszinkronizálásra használják. Ez megkétszerezi az adatátviteli képességet, de kismértékben a rendszer teljesítménydisszipációját is növeli.
A megnövelt adatsebesség az órajelszétosztó hálózat gondos tervezését követeli meg annak érdekében, hogy minimálisra csökkenjenek a vezetékeken futó impulzusjelek lengései és reflexiói, amelyeket egyes áramköri részletek tévesen órajelként érzékelhetnek. Az 1. ábrán két alkalmasnak látszó buszlezárási módszert mutatunk be.

 

texas1

1.   ábra A VTT lezárási segédfeszültség alkalmazása felére csökkenti a lezárás miatti teljesítményveszteséget


Az A-változatban a buszlezáró ellenállások az órajelszétosztó hálózat végén helyezkednek el, és földpotenciálra vannak kapcsolva. Ha a buszmeghajtó alacsony állapotban van, az ellenállásokon nem keletkezik teljesítményveszteség. Magas állapotban PD = (VDD)2/RB nagyságú teljesítmény-pillanatérték vész el, ahol az RB a busz forrásimpedanciából és a lezáró-ellenállásból származó eredő ellenállása. Az alacsony és magas szinten mérhető pillanatértékekből számítható átlagos teljesítményveszteség 

Texas Powertips 40 ME 2014 12-1

nagyságú.

 


A lezárás B-vel jelölt megvalósítása esetén a lezáró-ellenállás egy olyan pontra kapcsolódik, amelynek a Vtt feszültsége a VDD tápfeszültség fele. Ekkor az ellenálláson keletkező teljesítménydisszipáció időben állandó, és az értéke

Texas Powertips 40 ME 2014 12-3

azaz a földelt lezárást alkalmazó, A-típusú megoldásnál keletkező teljesítményveszteség fele. Ezért a megtakarításért azonban egy újabb tápegység beépítésével kell fizetnünk. Ennek a segédtápegységnek a követelményei azonban meglehetősen egyediek. Először is pontosan a meghajtófeszültség (VDD) felét kell előállítania, másodszor nemcsak áram előállítására, hanem annak elnyelésére is képesnek kell lennie: amikor ugyanis az órajelmeghajtó kimenete alacsony szinten van, az áram a VTT-segédtápfeszültséget előállító tápegységből folyik. Ha viszont a meghajtókimenet magas szintet állít elő, az áram a tápegység felé folyik. Ráadásul a tápegységnek a két üzemmód között az órajelváltozásokkal együtt kell váltania, és ehhez alacsony forrásimpedanciával kell rendelkeznie a rendszer órafrekvenciájának nagyságrendjébe eső frekvenciákon is. 

A tápegység csúcsteljesítményére vonatkozó igényt aránylag egyszerű meghatározni az órafrekvenciából és a rendszer kapacitásaiból. Az átlagteljesítményre viszont sokkal nehezebb becslést adni – ez vélhetően többszörte kisebb a csúcsteljesítmény egytizedénél. Figyelembe kell venni azt is, hogy a rendszer dinamikus; nem állandó az órafrekvenciája, nincs minden órajelátmenettel egy időben adatváltozás, és lesznek olyan háromállapotú (tri-state) rendszerelemek is, amelyek éppen nagyimpedanciás állapotba vannak kapcsolva. Ugyanakkor az átlagáram meghatározása rendszermérésekkel fontos abból a szempontból, hogy kiválaszthassuk a megfelelő tápegység-topológiát. Lehet például kompromisszumot keresni egy kapcsolóüzemű stabilizátor kis teljesítményvesztesége, valamint egy lineáris feszültségszabályozó kis mérete és alacsony ára között. Az 1. táblázat hasonlítja össze a kapcsolóüzemű és a lineáris szabályozó alkatrészköltségét, a helyszükségletét, a disszipációját és az árát 3 A-es maximális kimenőárammal terhelhető megoldásoknál. Érdekes megfigyelni, hogy a disszipáció egyre nehezebben kezelhető problémává válik, ha a csúcsáram a teljes időtartam alatt rendelkezésre áll. Ha a választás legfontosabb tényezője a hatásfok, a kapcsolóüzemű megoldás a megfelelőbb. Minden más szempontból a lineáris tápegység jelenti a kedvezőbb megoldást. (1. táblázat)

 

Texas Powertips 40 ME 2014 12-2

1. táblázat A lineáris megoldás kisebb és olcsóbb, de kisebb a hatásfoka is

 

Különleges kihívást jelent a DDR-tápegységeknél a kimeneti feszültség pontos szabályozása „durva” tranziens terhelési szélsőségek esetén. Amint az az 1. táblázatból is látható, a lineáris megoldás szabályozóhurok-sávszélessége sokszorosan szélesebb. Következésképpen ez igényel kisebb kondenzátort a megfelelően alacsony kimeneti impedancia biztosítása érdekében. Például ahhoz, hogy egy lineáris szabályozó kimeneti feszült­ségének eltérését a névleges értéktől 40 mV-on belül tarthassuk 3 A-es terhelésnél, 0,013  Ω-nál kisebb kimeneti impedanciát kell létrehozni a törésponti frekvencián, amely nagyjából 10 μF-os kondenzátorral oldható meg. Egy 60 kHz-es, zárt hurkú törésponti frekvenciával rendelkező, kapcsolóüzemű stabilizátor viszont 200 μF-os kapacitást igényel, amely többletköltséget és nagyobb NyÁK-területet jelent. A teljesítményveszteség kérdéseivel kapcsolatban az [1] cikkünkben talál további részleteket.

Összegzés

A DDR-memória azzal növeli a rendszer sebességét, hogy az adatátvitel szinkronizálására az órajelnek mind a felfutó, mind a lefutó élét felhasználja. Ennek eredménye a busz adatsáv­szélességének növekedése. A nagyfrekvenciás működés miatti jelreflexiók elkerülésére lezáró-ellenállásokat kell használnunk. A lezáró-ellenállásokon keletkező teljesítményveszteség csökkenthető, ha a lezáró-ellenállásokat nem földpotenciálra, hanem a tápfeszültség felének megfelelő potenciálra kapcsoljuk. Az ezt előállító tápegységnek az áramot nemcsak előállítani, hanem elnyelni is képesnek kell lennie. Ráadásul magas törésponti frekvenciával is kell rendelkeznie, hogy minimálisra csökkentse a kapacitásra vonatkozó követelményeket. A lineáris szabályo­zókkal pénz és hely takarítható meg, ha nagyobb teljesítményveszteségét hajlandók vagyunk elfogadni.

Következő folytatásunkban a kapcsolófetek kapumeghajtó áramkörének egyszerű megoldását tárgyaljuk.

 


Referencia

[1] Kollman, R.: Teljesítményelektronikai ötletek – 10. Tápegység-áramkörök veszteségének számítása. Magyar Elektronika Szakfolyóirat 2011/11. pp 60-61.

 

www.ti.com/power-ca

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

11. rész

12. rész

13. rész

14. rész

15. rész

16. rész

17. rész

18. rész

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

28. rész

29. rész

30. rész

31. rész

32. rész

33. rész

34. rész

 35. rész

36. rész

37. rész

38. rész

39. rész

 

 

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.