虚拟现实应用中的AP供电
mouser 2021-09-22

由于虚拟现实、嵌入式视觉、对象动作、行人检测和手势识别等新技术应用都需要深度学习算法,需要采用具有高度灵活性和自适应能力的PMIC为应用处理器(AP)供电。为了实施最新、最有效的算法并增加必要的新功能,AP必须具有高度灵活性和可配置性。绝大多数此类应用为便携式产品,系统方案必须具备低功耗特性。相应地,PMIC必须支持动态负载调节和低功耗模式转换,同时满足小尺寸、高效率要求,最大程度低降低能源浪费,支持不同的操作模式。本文讨论此类应用中AP供电所面临的挑战,以一款PMIC电路为例,提供最佳的尺寸、效率特性。

“图1.虚拟现实设备图1.虚拟现实设备

典型虚拟现实系统

虚拟现实(VR)头盔电路框图如图2所示。VR头盔属于高密度计算应用环境。图像显示要求专用的图形处理器(GPU)和图像处理器(IPU)来增强用户体验。音频处理部分则要求高速数字信号处理器(DSP),而整个系统由中央处理器(CPU)协调。

“图2.VR头盔电路框图”图2.VR头盔电路框图

VR系统要求经过优化的电源管理方案,以支持数据处理、通信和传感器功能。负载是动态变化的,并趋向于使用更低的供电电压,这就对负载瞬态电压的跌落提出更加严格的要求。由于处理器所在设备包裹在头部周围,散热成为选择电源管理IC的另一个关键指标。

典型AP电源管理方案

图3所示为典型的VR电源管理方案,以及系统运行所必需的辅助功能。需要多路电压输出为CPU、存储器及其他功能电路供电。实时时钟(RTC)和32kHz晶振(XTAL)支持高精度计时。GPIO扩展器提高通断控制灵活性以及模块和传感器管理。

如果使用分立式IC实现这这些复杂功能,将面临多方面巨大挑战:

1. AP系统要求严格的上电顺序,以便在电压和温度变化条件下成功启动。这一要求很容易造成系统被过度保护、体积庞大。

2. 如果在正常工作期间遭遇系统或稳压器故障,系统必须能够发出处理器报警并确定下一步操作。这种优先级和顺序检测至关重要。

3. 较大的方案面积、较长的PCB走线将对稳压器效率产生不利影响,缩短设备的运行时间,增大系统发热。

4. 分立式设计方案增大了电路板的元件数量,事实证明这种情况会因为装配问题造成较高故障率,以及较差的信号完整性。

5. 分立方案中使用IC非常多,占用更多的I2C总线资源,造成额外的处理器信息读取延迟。

“图3.典型AP电源管理图3.典型AP电源管理

集成方案

全集成方案能够克服分立式电源方案所面临的挑战。图4所示为单芯片集成PMIC为AP供电的示意图,可有效减小PCB尺寸、重量和体积,且不会牺牲性能。

“图4.全集成式AP电源管理图4.全集成式AP电源管理

MAX77714为完备的电源管理IC,理想用于片上系统(SoC)应用处理器功能。两路大电流降压调节器(SD0和SD1)优化用于AP的CPU和GPU供电,且输出电压支持动态电压调节(DVS),范围为0.26V至1.52V。输出级MOSFET的RDS(ON)经过优化,提供优异的转换效率,如图5静态分析所示。这些调节器也支持强制脉宽调制技术,最大程度地降低轻载条件下的纹波。另外两路调节器(SD2和SD3)具有较宽的输出范围,通用性更强。全部四路开关稳压器均具有内部补偿,将外部元件需求降至最低。

“图5.效率优势”图5.效率优势

MAX77714还提供9路可灵活配置的低压差(LDO)线性稳压器,电流范围为150mA - 450mA,适用于系统的噪声敏感电路供电。全部LDO都具有两种软启动速率,以限制启动期间的浪涌电流,支持较宽的输出电压范围。8个GPIO引脚可灵活配置:4个GPIO引脚可配置用作电源排序(FPS)控制,3个GPIO引脚可配置为32kHz时钟输出,用于同步外部系统,第8个GPIO引脚则可配置为系统唤醒引脚。实时时钟配合外部晶振工作,提供计时和唤醒功能。如果不使用该功能,则可使用内部硅振荡器,以节省BOM成本。可靠的开/关控制状态机驱动FPS实现上电/断电、故障处理和电源模式控制,最大程度减少AP的介入。此外,集成看门狗定时器用于系统监测,避免AP操作挂起状态。

PMIC采用70焊球、4.1mm x 3.25mm x 0.7mm、0.4mm焊距晶圆级封装(WLP),是空间受限应用的理想选择;此外,较高的工作频率允许使用小尺寸无源元件,最终获得PCB面积仅为230mm2的总体方案(图6)。

“图6.PCB图6.PCB 230mm2 (未减去空白区域)

PMIC具有多个可配置寄存器,可通过I2C进行自定义,实现众多产品的量身定制。

总结

虚拟现实应用中的AP供电在灵活性、效率和尺寸方面都带来了诸多设计挑战。我们高度集成的PMIC方案提供灵活配置,非常适合各种空间受限的应用处理器供电。低RDS(ON) FET提供优异的转换效率,同时高频工作允许使用小尺寸无源元件,进一步降低PCB尺寸和成本。

术语

AI:人工智能

AP:应用处理器

CPU:中央处理器

DSP:数字信号处理

DVS:动态电压调节

FPGA:浮点门阵列

GPU:图形处理器

IPU:图像处理器

ML:机器学习

VR:虚拟现实

作者:

Chapin Wong, Maxim Integrated移动电源事业部资深应用工程师

Gaurav Mital, Maxim Integrated移动电源事业部业首席工程师

Nazzareno (Reno) Rossetti, Maxim Integrated模拟和电源管理专家、首席作者 

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