Даже на небольшой плате может понадобиться несколько напряжений.

Как будем питать плату? Сколько потребляют разные экраны? Какие топологии преобразователей выбрать?

В данной части рассмотрим эти и другие вопросы. Спроектируем систему питания и станем ещё на шаг ближе к завершению разработки схемы основной платы!

• Часть 1. Обзор решений, создаём своё

❯ Как будем питать плату?

 Какое напряжение подавать на вход платы – 3,3 В или 5 В?

SSD2828 нужно 3,3 В (VDDIO), так как входные сигналы (SPI, RGB) будут такого уровня.

Лучше питать плату от 5 В и преобразовывать до 3,3 В и других напряжений, чтобы не нагружать преобразователи 5 –> 3,3 В плат, с которых будем брать питание. К тому же при той же мощности и большем напряжении по проводам будет течь меньший ток, поэтому будет меньше потерь.

Кроме понижения напряжения нам нужно повышение для подсветки. Проще повышать с 5 В.

Будем питать плату от +5 В.

❯ Оценим потребление платы

Основные потребители – мост SSD2828 и экран (питание и подсветка).

У SSD2828 2 линии питания:

1.    MVDD 1,2 В. Максимальный ток 76,2 мА.

2.    VDDIO 1,8…3,3 В. Если 1,8 В, то макс. ток 0,75 мА. Если 3,3 В, то макс. ток 1,64 мА.

Питание экрана:

1.    +2,8 В х мА макс.

2.    +1,8 В х мА макс.

3.    Подсветка.

❯ Оценим потребление экранов

Измерять потребление экрана не всегда возможно и неудобно, так как разъёмы в телефонах маленькие, всё мелкое и плотно расположено.

Посмотрим даташиты на несколько экранов, чтобы прикинуть максимальный ток.

Макс. разрешение, ктр может SSD2828 2560х1440(?) (30 кадров/с) или 1920х1080 (60 кадров/с).

Пока планируется запустить экраны, которые указаны в списке в прошлой статье. В дальнейшем список может дополниться.

Сориентируемся по потреблению экранов с разным разрешением и диагональю.

1.    LH154Q01, (обратную разработку этого экрана сделал Майк).

240х240, 1,54”, MIPI

Это без учёта подсветки. 5 светодиодов потребляют примерно 5*3 В*20 мА=300 мВт.

Но разрешение у панели мало. Всего 240х240 точек.

2.    NMLCD-T334TOS-01

320 x 320, 3,34”, MIPI.

3.    NMLCD -HX130824C-A

240х240, 1.3”, интерфейс SPI 3 линии

Если сравнить с прошлой панелью, то увидим, что интерфейсы разные, а потребление практически одинаковое. У большей панели чуть больше.

4.    DT034XVZ01

800х800, 3.4”, интерфейс MIPI 3 lane.

Потребление здесь не указано, но интересно посмотреть, какие бывают напряжения.

Посмотрим панели 4…9 дюймов с интерфейсом MIPI на panelook.

Ищем зелёненькие позиции, для которых можно без проблем скачать даташит.

5.    TM040YVZG32

480 x 800, 4.0”, интерфейс MIPI 4 lanes.

Схема подсветки 8S1P.

6.    COM43H4N10ULC

480 x 800, 4.3”

VDD 3.3 V, VCCIO 1.8 V.

Потребление по VDD (3,3 V) больше, чем по VCCIO (1,8 V), в 3,8 раз.

Схема подсветки 7S1P

7.    COM48H4N22ULC

720 x 1280, 4.8”

Потребление по VCC (2.9 V) снова больше, чем по IOVCC (1,9 V). В 2,25 раза.

Что интересно, ток светодиодов 10 мА, а не 20, как это часто встречается. Схема подсветки 9S1P.

8.    TM050JDHG33

720 х 1280, 5”, интерфейс MIPI 4 lanes.

Схема подсветки 6S2P.

9.    BV050WVM-N00-1800

480 х800, 5”

Схема подсветки 5S2P.

10. LS055R1SX04

1440 х2560, 5.5”, MIPI (2 ch, 4 data lanes)

Схема подсветки 8S2P.

В строке применений указывается: мобильные телефоны, устройства виртуальной реальности, 3D принтеры.

11. BP070WX1-300

800 х1280, 7”, MIPI

Потребление 0.8 Вт макс.

Схема подсветки 5S4P. Применение – планшеты.

12. A070PAN01.0

900 х1440, 7”, MIPI

Схема подсветки 5S4P. Применение – планшеты.

13. LQ079L1SX01

1536×2048, 7,9”, MIPI (2 ch, 4 data lanes)

Питание 1.8/5.6/-5.6V (Typ.)(IOVCC/VSP/VSN)

Схема подсветки 6S4P. Применение – планшеты, 3D принтеры.

14. G080UAN01.0

1200×1920, 8”, MIPI

Схема подсветки 8S3P. Применение – промышленное оборудование.

15. V156FHM-N42

1920 х 1080, 15.6”, интерфейс eDP.

Потребление без подсветки у панели 1 Вт (3,3 В 300 мА).

Для наглядности соберём данные по панелям с MIPI интерфейсом таблицу.

Для начала будем подключать экраны 4,7, 5 и 5,5 дюймов. В дальнейшем, возможно, больше.

Пока примем так:

Макс. для линии 1,8 В – 33 мА. Для запаса 70…100 мА.

Макс. для линии 2,8 В – 54 мА. Для запаса 100…150 мА.

Минимальный ток оценим по токам экрана LH154Q01

10 мВт/1,8 В = 5,6 мА

15 мВт/2,8 В = 5,4 мА

Примем по 5 мА.

Выводы

Встречаются разные напряжения, поэтому на дочерние платы-переходники передадим входное напряжение +5 В, чтобы при необходимости получить нужные конкретному экрану напряжения.

Линия IOVCC (часто 1,8 В) обычно потребляет меньше, чем VCC (2,8 В и более).

Потребление по линиям 1,8 В, 2,8 В небольшое, поэтому можно получить эти напряжения с помощью линейных стабилизаторов. Стоит заложить разумный запас по току и по теплу, достаточный для наших целей.

Какую мощность нужно рассеять, если использовать линейные стабилизаторы?

Плату питаем от +5 В. Возьмём разброс процентов 10. Значит максимум будет +5,5 В.

Линия +2,8 В. Макс. ток 150 мА. Нужно рассеять (5,5-2,8) В*150 мА = 405 мВт.

 Линия +1,8 В. Макс. ток 100 мА. Нужно рассеять (5,5-1,8) В*100 мА = 555 мВт.

❯ Buck или LDO?

Видится 3 варианта:

1.    4 LDO 5 В –> х В.

2.    2 импульсных+2 LDO.

5 В –>3,3 В –>LDO 2,8 B

5 В –>1,8 В –> LDO 1,2 B

3.    3 импульсных 5 В –> x В + 1 LDO 5 В–>3,3 В

Нужно учитывать падение напряжения при полной нагрузке. Например, у LDO SPX3819 340 мВ.

3,3 – 2,8 = 500 мВ. 1,8 – 1,2 = 600 мВ. Разницы напряжений достаточно.

Сравним потребление и КПД:

Посмотрим, что порекомендует Webench power designer

Webench power designer

Рекомендует и Buck, и LDO.

Как ни странно, buck тоже предлагает, хотя ток совсем мал. Но появился новый вариант на микросхемах вроде TL431.

У начинающих могут возникнуть вопросы:

1.    LDO – low dropout. То есть с малым падением. Но какая разница, будет ли падение малым (пусть, 340 мВ), если, например, нужно рассеять в тепло 5,5-1,8 = 3,7 В? Тогда можно применить обычный линейный стабилизатор, не LDO. Подобный LM317.

2.    Где граница выходного тока, выше которой лучше использовать импульсный понижающий преобразователь, а не LDO? Например, есть TPS62730 «It provides up to 100 mA output current. Up To 3MHz switch frequency». LDO используют и при бОльших токах.

3.    По каким критериям делать выбор?

4.    …

Понижающий импульсный конвертор ставят когда:

1. Большая разница напряжений между входом и выходом. Особенно, если ещё и ток большой, что приводит к рассеиванию значительной мощности.

2. На входе напряжение больше, чем максимум для LDO.

3. Затраты на большее число компонентов окупаются экономией энергии.

4. Устраивает уровень шума от импульсного преобразователя (линейные менее шумные). Бывает критично для чувствительных схем.

78хх/79хх и им подобные стабилизаторы применяют, когда устройство должно стоить дешево и нет требований к объему и энергопотреблению.

Современные LDO ставят, когда разница между входом и выходом 0,3 – 1 (В).

Источники по теме.

1.    LDO Regulator Hardware Design - Phil's Lab #105

2.    How to Successfully Apply Low Dropout Regulators (AN-1072).

3.    Multi-Source Power Management Design

4.    Fixed-output buck regulator delivers greater than 80% efficiency at 1 mA

5.    Buck Converter Regulator vs LDO for DC, AC, and RF: Which is Best?

6.    Testing the Limits of Your LDO's Efficiency

7.    Может пригодиться. 2 примера проектирования buck преобразователей.

 

(1 и 2 малополезны, но интересная информация есть)

Часто комбинируют импульсные и линейные:

❯ Выбираем микросхемы

Токи у нас небольшие (100, 150 мА). Есть относительно маломощные dc-dc, которые в даташитах называют micropower или подобным образом (LT1945, NCP1402 и др). Иногда таких названий не пишут (например, TPS6220x). Применения у них обычно такие:

1.    Small TFT LCD Panels.

2.    Handheld Computers, Instruments.

3.    Portable Media Players, Equipment.

4.    Digital Cameras.

5.    Cellular Telephones, Smart Phones

6.    …

В общем, камеры, экраны, портативные устройства.

В рассмотренных ранее (и в других) проектах питание сделано так:

В некоторых проектах использовали LDO.

Мне нравится вариант с импульсными преобразователями.

Возьмём TPS6220x. Есть все нужные нам напряжения –adj для 2,8 В, фиксированные 1,2 и 1,8 В. Для версий с фиксированным напряжением даже не нужно ставить делитель напряжения. Очень удобно.

У нас довольно широкий диапазон токов нагрузки – 5…100 (150) мА. Иногда в таких случаях нужно тщательно настроить обратную связь, чтобы система не возбуждалась. В данном случае таких проблем нет – у TPS6220x широкий диапазон токов нагрузки и «At light load currents, the part enters the power save mode operation».

Расчёт делаем по рекомендациям даташита.

Индуктивность возьмём 1210 10 мкГн 450 мA для всех линий (+1.2, +1.8, +2.8 В). Для первых двух можно подобрать дроссель с током поменьше, но мы оставим одинаковую индуктивность во всех каналах. Это уменьшит кол-во наименований, и сопротивление катушки (и потери на нём) будет поменьше.

Входной и выходной конденсаторы керамические. Минимум 4,7 мкФ. Можно 10 и более.

❯ Уменьшение ёмкости из-за постоянного смещения

Посмотрим изменение ёмкости из-за постоянного смещения.

При макс. входных 5,5 В ёмкость будет 3,6 мкФ, вместо начальной 4,7 мкФ.

Нужно не менее 4,7 мкФ. Возьмём следующий номинал – 10 мкФ.

Интересно, что тут у нас остаётся 4,9 из 10 мкФ.

Выходной конденсатор.

Чтобы компенсировать изменение ёмкости, можно увеличить номинал (или поставить ещё один конденсатор), либо взять конденсатор на большее напряжение. Мне нравится второй вариант – будет занимать меньше места.

Увеличим сопротивление делителя ОС линии +2,8 В и добавим конденсаторы (даташит рекомендует): «Using a capacitive divider C1 and C2 across the feedback resistors minimizes the noise at the feedback without degrading the line or load transient performance.

If quiescent current is not a key design parameter, C1 and C2 can be omitted, and a low-impedance feedback divider must be used with R1+R2 <100 kΩ. This design reduces the noise available on the feedback pin (FB) as well, but increases the overall quiescent current during operation».

У линии +3,3 В малый ток, поэтому сделаем на LDO. Возьмём XC6219B332MR.

К линии подключена только SSD2828, которая потребляет минимум 0.37 мА и менее. Чтобы обеспечить регулирование напряжения нужен минимальный ток 1 мА:

Можно поставить резистор 3,3 кОм, что я и сделал сначала:

Но потом решил просто переставить сюда индикатор питания платы с линии +5 В.

❯ Дерево питания

Для наглядности и удобства можно нарисовать дерево питания.

Например, в Visio или в Power planner программы LT Power CAD.

В сложных системах со множеством преобразователей/линий питания это может быть особенно полезно.

❯ Конденсаторы местной подпитки (развязки)

Поставим по одному 100 нФ конденсатору местной подпитки (развязки) у каждого вывода питания и 1 конденсатор (2,2...10 мкФ) массовой подпитки (развязки) цепи близко к корпусу микросхемы.

❯ Коротко о главном

Чтобы разработать систему питания, необходимо знать потребляемую нагрузкой мощность.

Измерять потребление экрана не всегда возможно и неудобно, так как разъёмы в телефонах маленькие, всё мелкое и плотно расположено.

Если нужных данных нет, то помогает изучение похожих нагрузок.

Мы делаем плату для нескольких экранов, в какой-то мере универсальную.

Система питания должна соответствовать.

Если нужно понижение напряжение, обычно выбирают между линейным и импульсным преобразователями.

Понижающий импульсный конвертор ставят когда:

1. Большая разница напряжений между входом и выходом. Особенно, если ещё и ток большой, что приводит к рассеиванию значительной мощности.

2. На входе напряжение больше, чем максимум для LDO.

3. Затраты на большее число компонентов окупаются экономией энергии.

4. Устраивает уровень шума от импульсного преобразователя (линейные менее шумные). Бывает критично для чувствительных схем.

При выборе керамических конденсаторов стоит учитывать уменьшение ёмкости при постоянном напряжении на них. Можно компенсировать увеличением номинала или выбрать на большее напряжение.

На каждый вывод микросхемы ставят 100 нФ конденсаторы местной подпитки (развязки). На группу выводов обычно добавляют 2,2…10 мкФ конденсатор групповой подпитки.

Для удобства и наглядного представления системы питания, особенно в сложных проектах, стоит изобразить дерево питания.

---

Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩