Con prestazioni sempre più avanzate, i sistemi di assistenza alla guida e le applicazioni di infotainment stanno mettendo sotto pressione i processori, oltre a determinare un incremento dei consumi. Al tempo stesso, la crescente integrazione e la miniaturizzazione dei circuiti determinano un aumento delle correnti di dispersione, che si traduce in un ulteriore incremento dei consumi. In particolare, le applicazioni automotive sono esposte a temperature ambiente elevate, laddove nella maggior parte dei casi non è possibile utilizzare sistemi di raffreddamento attivi. Il fattore prioritario è quindi l’efficienza dell’alimentatore. Serve inoltre una disponibilità rapida, cioè tempi di avviamento brevi. Spesso è anche necessario attivare i vari settori del processori secondo una determinata sequenza. In alcuni casi il processore stesso e il suo alimentatore devono essere scalabili per potersi adattare a un’intera famiglia di prodotti.
Requisiti e problemi
Le applicazioni Adas utilizzano il condizionamento dei dati video nei sistemi di infotainment, le applicazioni di riconoscimento vocale e l’analisi di diversi sensori (Radar Lidar, telecamere, ultrasuoni ecc.) per offrire funzionalità quali riconoscimento della segnaletica stradale, avviso di collisione con assistenza alla frenata, prevenzione delle collisioni, avviso di cambio corsia e assistenza al parcheggio, per citare solo alcuni esempi. Tutte queste funzioni spingono i processori al limite delle loro prestazioni. Le soluzioni a questa sfida sono rappresentate da maggiore integrazione, architetture multi-core per operazioni simultanee e acceleratori video dedicati. Tuttavia, l’aumento dei consumi deriva anche dal maggior numero di transistor e dall’aumento delle correnti di dispersione dovuto alla riduzione del valore Rds(off) nei circuiti con geometrie più piccole. Del resto, la riduzione della tensione di alimentazione non è rimasta al passo con i livelli crescenti di integrazione. Bisogna anche considerare le variazioni di processo superiori nelle geometrie di processo più piccole. Il silicio “caldo” (cioè molto dopato), caratterizzato da prestazioni dinamiche elevate (massima frequenza di commutazione dei transistor) e correnti di dispersione maggiori, si distingue dal silicio “freddo” (poco dopato), caratterizzato da prestazioni inferiori e correnti di dispersione molto più basse. Senza alcun intervento, ciascun processore dovrebbe essere alimentato con una tensione sufficiente a soddisfare i requisiti prestazionali anche con il silicio “più freddo”, ma questo comporta perdite elevate per il silicio “caldo” (soprattutto con temperature ambiente elevate). In base al carico del processore, il consumo di corrente può variare notevolmente da alcuni milliampere ad alcuni ampere. Gli alimentatori dovrebbero quindi avere un ampio intervallo di corrente di uscita e rispondere velocemente alle variazioni dinamiche del carico. A seconda dell’applicazione potrebbe anche essere necessario supportare una “modalità di riposo” nella quale solo piccole sezioni del processore restano attive, mentre le altre vengono spente per risparmiare energia. Per contro, il sistema deve tornare pienamente operativo in tempi brevissimi dopo una chiamata di “risveglio” (ad esempio attraverso il bus Can). L’obiettivo è fornire ai vari core del processore esattamente la quantità di energia necessaria per offrire le prestazioni di calcolo richieste. Questo vale sia per le applicazioni sia per soluzioni complete scalabili in grado di elaborare diverse quantità di dati dei sensori con diversi livelli di risoluzione grafica. La maggior parte dei processori ha requisiti specifici relativamente all’ordine e ai ritardi nelle sequenze di accensione e spegnimento. Molte applicazioni devono stare in spazi ristrettissimi (ad esempio sotto un sedile, nel portellone posteriore, nello specchietto retrovisore o nel tunnel della trasmissione). La sfida è quindi fornire un alimentatore immediatamente disponibile, che sia efficiente e adattivo, con possibilità di gestire le sequenze.
Approcci alla soluzione
L’approccio Dvfs (Dynamic Voltage Frequency Scaling) viene utilizzato da molto tempo per ottimizzare la durata delle batterie di dispositivi mobili come computer portatili, tablet e telefoni cellulari. Dvfs varia la frequenza di clock dei core del processore in base alle prestazioni di calcolo richieste. Inoltre riduce le tensioni di alimentazione alle frequenze di clock più basse, con una differenza che può arrivare a oltre 200 mA per diversi punti di lavoro. Finora questo approccio è stato raramente utilizzato in applicazioni automobilistiche, dove ogni possibile combinazione di clock e frequenza deve superare approfonditi test di radiazioni per escludere il rischio di interferenze con altri dispositivi. I primi sistemi Dvfs che stanno entrando nell’industria automobilistica hanno ora bisogno di alimentatori idonei. Le deviazioni dovute al processo di produzione sono un altro aspetto. Come detto in precedenza, il silicio “caldo” offre eccellenti prestazioni dinamiche al prezzo di elevate correnti di dispersione, mentre il silicio “freddo” è un po’ più lento con correnti di dispersione molto più basse. Per ottenere le stessi prestazioni di calcolo, il silicio “freddo” ha quindi bisogno di tensioni di alimentazione superiori. Se questa tensione venisse utilizzata anche per il silicio “caldo”, le elevate correnti di dispersione produrrebbero perdite eccessive. Questo fenomeno viene tenuto in considerazione nelle moderne soluzioni di alimentazione con Adaptive Voltage Scaling e SmartReflex, adattando la tensione al silicio con una precisione nell’ordine di alcune decine di millivolt. Se da un lato genera requisiti aggiuntivi, la grande quantità di core del processore offre ulteriori margini di risparmio energetico. I core con alimentatori indipendenti possono essere spenti singolarmente o commutati in diverse modalità di riposo o basso consumo. Serve tuttavia una specifica sequenza di accensione e spegnimento per evitare correnti trasversali. Allo stesso tempo bisogna soddisfare i requisiti specifici di tempo di avviamento per le applicazioni automotive. Ad esempio si deve garantire che l’assistenza al parcheggio sia immediatamente operativa non appena il veicolo viene avviato. Gli alimentatori dovrebbero anche essere dotati di circuiti di scarica attiva per la fase di spegnimento. In caso contrario i condensatori di blocco e i condensatori di backup dovrebbero scaricarsi molto lentamente attraverso il carico prima di poter spegnere l’alimentatore successivo. L’utilizzo di frequenze di clock elevate per il regolatore di commutazione contribuisce a soddisfare i requisiti di ingombri ridotti, perché si possono scegliere componenti esterni più piccoli (in particolare gli induttori). Un altro “effetto collaterale” positivo è l’eliminazione di schermature e filtri aggiuntivi alle frequenze superiori a 1,7 MHz, poiché lo spettro si colloca al di sopra della banda a onde medie. Per contro, le frequenze di commutazione elevate si traducono in maggiori perdite di commutazione. Bisogna quindi trovare un equilibrio adeguato fra dimensioni, emissioni e consumi. Un metodo efficace per ottimizzare le perdite di commutazione su un ampio intervallo di corrente d’uscita, unitamente a una buona risposta al carico dinamico, è l’utilizzo di alimentatori multifase. Invece di utilizzare un unico regolatore di commutazione per un carico specifico, vengono utilizzati più alimentatori in parallelo. In una configurazione a due fasi, ad esempio, la corrente di carico viene fornita da due regolatori che funzionano con uno spostamento di fase di 180 gradi, mentre in una configurazione a tre fasi operano tre regolatori con uno spostamento di fase di 120 gradi. In condizioni di basso carico verrà attivata una sola fase, eliminando così eventuali perdite sulle altre fasi.
Soluzioni flessibili e integrate
La famiglia TPS659038/39-Q1 di Texas Instruments offre una soluzione altamente flessibile e integrata. I dispositivi comprendono nove regolatori di commutazione che mettono a disposizione fino a sette tensioni indipendenti e undici Ldo (Low Drop-Out). Ogni regolatore può essere configurato singolarmente. La tensione di uscita dei regolatori di commutazione può essere regolata a intervalli di 10 mV (o 20 mV sopra 1,6V), mentre le tensioni di uscita degli Ldo possono essere regolate a intervalli di 50 mV. A eccezione della tensione di alimentazione interna (che si attiva immediatamente dopo l’applicazione dell’alimentazione esterna), ogni tensione di alimentazione può essere posizionata in qualunque punto della sequenza. Pertanto è possibile usare i dispositivi per molte famiglie diverse delle serie OMAP5, TDA2x o DRA7xx e per processori applicativi comuni con le relative periferiche. In base ai requisiti specifici, ogni regolatore può essere assegnato a uno specifico dominio del processore. Inoltre, la tensione di alimentazione può essere impostata in base al punto di lavoro e, se necessario, si possono attivare modalità di riposo. Nella maggior parte dei casi i dispositivi forniranno risorse aggiuntive per alimentare la memoria esterna. Qualora i regolatori a bordo chip non siano sufficienti, si possono utilizzare uscite o linee Gpio dedicate per alimentare fonti esterne aggiuntive che possono essere integrate nella sequenza, oltre alle modalità di riposo se necessario. Per raggiungere un’efficienza elevata su un’ampia gamma di carico e una buona risposta al carico dinamica anche senza grandi condensatori di uscita, il dispositivo supporta il funzionamento multifase. Mentre funziona in modalità monofase in condizioni di basso carico, si possono aggiungere una o due fasi alimentando la stessa uscita con uno spostamento di fase di 180 o 120 gradi rispettivamente. Si può così raggiungere circa il 90% di efficienza fra 100 mA e un massimo di 9 A con una frequenza di commutazione di 2,2 MHz (a seconda delle tensioni di ingresso e uscita). In virtù dell’alta frequenza di commutazione, sono sufficienti induttori a 1 µH molto piccoli. L’approccio multifase genera inoltre una risposta tipica al carico dinamico pari al 3% della tensione d’uscita, anche con condensatori di uscita con una capacità di soli 47µF. Tenendo conto dei transistor di potenza integrati, questa soluzione è compatta e altamente efficace. Per soddisfare i requisiti di definizione della sequenza e tempo di accensione, la sequenza desiderata viene pre-programmata in una memoria non-volatile, in modo che possa essere recuperata per i processi di accensione e spegnimento. A seconda delle risorse e dei tempi di ritardo, tutte le uscite possono essere alimentate entro 10-20 msec. Le uscite dei regolatori di commutazione e dei regolatori lineari sono provviste di circuiti di scarica attiva che consentono il passaggio veloce a modalità di riposo e l’esecuzione di processi di spegnimento rapidi. Diverse impostazioni interne possono essere lette o manipolate utilizzando l’interfaccia I2C o Spi, procedura particolarmente utile per regolare la tensione di uscita in applicazioni Avs (adattandola al silicio) o Dvsf (affinché coincida con il punto di lavoro del dominio specifico del processore). La scalabilità viene quindi assicurata anche senza modificare le tensioni di avvio. L’alimentatore può essere riutilizzato senza alcuna modifica (“as is”) quando una soluzione deve essere ridimensionata (downscaling) o quando si passa a una soluzione con prestazioni superiori (in questo caso bisogna tenere conto del fabbisogno di corrente massimo e dei limiti termici). Grazie alla gestione interna degli interrupt selezionabili e all’Adc integrato, i cui risultati possono attivare un interrupt (ad esempio quando aumenta la temperatura), il dispositivo può essere impiegato per tutte le funzioni di “housekeeping” in sostituzione di un microcontrollore separato. Tale funzionalità è completata da funzioni aggiuntive quali l’integrazione di Gpio nella sequenza come ingressi o uscite, un watchdog e diverse opzioni di sincronizzazione.
