Teljesítményelektronikai ötletek ‑ 40

A 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.

1.   ábra A V_TT 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 P_D = (V^_DD)²/R_B nagyságú teljesítmény-pillanatérték vész el, ahol az R_B a busz forrásimpedanciából és a lezáró-ellenállásból származó eredő ellenállása. Az alacsony és magas szinten mérhető pillanatértékekből számítható átlagos teljesítményveszteség 

nagyságú.

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

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 (V_DD) 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 V_TT-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)

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: