Power Management and Audio Analog Companions

Transcription

Atmel Corporation
Microélectronique de puissance
Dr. Bilal MANAÏ
[email protected]
JNRDM 2005 : Paris 10-12 mai
Journées Nationales du Réseau Doctoral en Microélectronique
Power Management and Audio Analog Companions Group - ATMEL Rousset
JNRDM 2005
Plan
• Introduction et définitions
• Systèmes portables et sources d’énergie
• Conception d’un chargeur de batteries
• Le "Power Management" chez Atmel
• Votre profil nous intéresse !
• Conclusion
PMAAC – ATMEL Rousset
Bilal MANAI – Mai 2005 - p2
JNRDM 2005
Introduction et définitions
• Le but est de "démystifier" la microélectronique de puissance, de présenter
quelques définitions, les domaines d’application, les ordres de grandeurs
et un cas pratique de conception
• De manière générale, l’électronique de puissance est l’application des circuits
électroniques à la conversion de l’énergie
• Vous avez certainement plus d’interaction avec l’électronique de puissance
que vous ne le pensez. Chaque fois que vous conduisez votre voiture, vous
utilisez votre ordinateur, vous parlez au téléphone, vous écoutez votre radio
ou une quelconque source de son, vous êtes en relation avec l’électronique
de puissance
• L’électronique de puissance est une technologie ou une application qui fait
appel aux composants électroniques, à l’application de la théorie des circuits
et des techniques de conception et aux outils de développement analytiques
pour obtenir une conversion efficace de l’énergie, un contrôle et un
conditionnement de l’énergie électrique
• Mais qu’est-ce que finalement la Microélectronique de puissance ?
JNRDM 2005
Introduction et définitions
• La microélectronique de puissance est une technologie ou une application qui
fait appel aux composants électroniques intégrés, à l’application de la théorie
des circuits et des techniques de conception des circuits intégrés et aux outils
de développement analytiques pour obtenir une conversion efficace de
l’énergie, un contrôle et un conditionnement de l’énergie électrique.
• L’électronique de puissance en général et la microélectronique de puissance
en particulier sont utilisées dans les domaines et applications suivants :
• Ordinateurs
• Automobiles
• Télécommunications
• Satellites et systèmes spatiaux
• Moteurs
• Éclairage
• Énergies renouvelables
JNRDM 2005
Systèmes portables & Sources d’énergie
• Énergie électrique
• L’électricité en soi n’est pas une énergie mais plutôt une forme d’énergie
qui peut être utilisée immédiatement ou stockée sur différents supports
pour être restituée par une application portable
• Les batteries :
• La plupart des applications portables
utilisent des batteries qui peuvent être
rechargeables ou non rechargeables
• Plusieurs technologies de batteries
• NiCd : Faible coût, faible capacité
• NiMH : Coût et capacité moyens
• Li-Ion : Coût élevé et capacité élevée
JNRDM 2005
• Le chargeur de batterie est en continuelle interaction avec
deux éléments environnants : le chargeur mural et la batterie
• Connaissance indispensable des propriétés des éléments
environnants : Chimie de la batterie, VNOM, TMAX, chargeur
régulé, non régulé, limité ou non limité en courant, …
• Modes de charge d’une batterie
• Le choix entre le mode de régulation linéaire (continu) et le
mode pulsé (switché) constitue une décision majeure pendant
la phase de conception. Le mode linéaire est moins coûteux,
mais dissipe plus que le mode pulsé. Le mode pulsé permet
d’atteindre une efficacité des plus élevées (90%)
AT73Cxxx
Batterie
• Environnement du chargeur de batteries
Chargeur
de Batterie
Chargeur
Ou USB
Conception d’un Chargeur de Batteries
• Au-delà des performances des deux modes, le mode de
charge d’une batterie peut être imposé par les
recommandations du fabricant de batteries ou par l’application
JNRDM 2005
• Paramètres à contrôler
Génération de Gaz
• Pendant la charge d’une batterie, trois paramètres
évoluent et il est primordial de les contrôler en
continue de manière à charger la batterie avec
précision et sans détérioration : Courant, Tension,
Température
• Le courant et la tension sont continuellement
régulés et contrôlés
• En fonction de la chimie de la batterie (NiCd, NiMH,
Li-Ion) des algorithmes peuvent être mis en place
pour optimiser le processus de charge et la
détection de la fin de charge : VMAX, ∆V/∆t, IMIN,
TMAX ,…
• La température doit être contrôlée en permanence
afin d’arrêter le processus de charge en dehors
d’une plage de température spécifiée par le
constructeur [0°C - 40°C] pour Li-Ion
NiMH chargée à C
Génération de Gaz
NiCd chargée à C
JNRDM 2005
Chargeur de Batteries Li-Ion CC-CV
• Pré-Charge
Pré-Charge
Rapide
• Application d’un faible courant tant que
VBAT est inférieure à une certaine tension
Maintien
VBAT (V)
ICH(A)
• Caractéristique Courant-Tension
4,2
3,9
C
• Charge rapide
I Const
V Const
• Application d’un courant constant jusqu’à
obtenir VBAT = VNOM avec une certaine
précision
3,2
2,4
C/15
• Maintien d’une tension constante au borne
de la batterie jusqu’à la détection de IEOC
• Fin de charge
• Détection du courant IEOC et arrêt du
processus de charge
IEOC
Temps
• Charge de maintien
• Contrôle de VBAT et application
d’un faible courant si VBAT est
inférieure à une limite donnée
JNRDM 2005
Chargeur de Batteries Li-Ion CC-CV
• Diagramme de bloc
Charger
ADC
Current
Sens
VOLT CTRL
• Digital
• MOS de puissance et
RSENS intégrables
Batterie
BATTERY PACK
• Une référence de tension
BGR
BATT
• DAC pour le contrôle
DAC
RSENS
• ADC pour les mesures
DIGITAL CTRL
• Un contrôle de
température
Environnement
Error
Amp
• Boucle en tension
PMOS
• Boucle en courant
TEMP CTRL
CTN
JNRDM 2005
Challenges
• Intégration du Transistor de puissance et de RSENS
• L’intégration du Transistor de puissance et de RSENS permet de
réduire les coûts, rend les circuits intégrés plus génériques et moins
dépendants des composants discrets
Challenge : trouver des structures, des options technologiques et concevoir
des circuits et des fonctions permettant d’atteindre les mêmes
performances obtenues avec des composants discrets
• Dissipation thermique
• La dissipation par effet joule pour RSENS et RON PMOS
PR
SENS
= ½ RSENS I2 ⇒ 100mW pour RSENS = 200mΩ et I=1Amps
PRON PMOS= ½ RON-PMOS I2 ⇒ 250mW pour RON-PMOS = 500mΩ et I=1Amps
Challenge : l’intégration est réalisable dans la limite de la dissipation
thermique du boîtier. La gestion de la dissipation est critique pour assurer
la robustesse, la pérennité et le fonctionnement du circuit complet
JNRDM 2005
• Conception de circuits précis
• La détection de fin de charge est une phase très importante elle
conditionne la quantité de charge disponible dans la batterie et par
conséquent l’autonomie du système utilisant la batterie. Cette phase
nécessite la possibilité de détecter des courants en fin de charge de
faible valeur
• Pour une batterie de capacité C, si on souhaite la charger à 95% de
sa capacité, ceci représente la possibilité de détecter un courant
⇒ 10mV pour RSENS = 200mΩ et IEOC = 50mA
IEOC
+
ε
RSENS
IEOC = C/20 avec ∆V = RSENS IEOC
∆V
• En technologie CMOS, sans correction et par simple
dimensionnement des W et L des transistors MOS d’une paire
différentielle, l’offset d’un OPAMP ε est de ± 2mV à ± 10mV
Challenge : Concevoir des circuits précis en faisant appel à des techniques
de calibration statique et/ou dynamique avec les contraintes de surface,
de robustesse et de test
JNRDM 2005
• Niveau d’intelligence
• La chimie des batteries évolue et nécessite une meilleure
connaissance et un meilleur contrôle de ses paramètres électriques et
thermiques
• Les Batteries contiennent de plus en plus de circuits de protection à
prendre en considération lors de la conception du chargeur
• Les batteries renferment des codes d’identifications et des BUS
spécifiques permettant un échange avec le chargeur, le système et
l’application
• De plus en plus les chargeurs de batteries doivent être autonomes
sans contrôle ni intervention externe
Challenge : accompagner l’évolution rapide de la technologie des
batteries, embarquer de plus en plus d’intelligence numérique pour
superviser, contrôler et communiquer avec le système
JNRDM 2005
• Power Management Unit
• CMOS 0,35µm 3,3V & 5V
• Chargeur de batterie
• Convertisseur DC-DC 1.8V, 1,2A
4,33mm
• Convertisseur DC-DC 1.2V, 1A
Chargeur de Batterie
• Convertisseur DC-DC 0.9V, 1,2A
• DC-DC + LDO 3.6V, 520mA
• DC-DC + LDO 3.3V, 520mA
• LDO SIM 1.8V/2.8V, 50mA
• ADC
4,62mm
• Digital
JNRDM 2005
Le "Power Management" chez Atmel
• Historiquement, l’activité Power Management chez Atmel s’articulait
autour de la conception de produits essentiellement orientés
alimentation et gestion de l’alimentation
• L’évolution technologique essentiellement tirée par le numérique a
entraîné une externalisation des fonctions analogiques dans des
circuits utilisant des technologies matures
• Le principe est de regrouper les fonctions communes à un système
donné et de les intégrer dans un seul circuit accompagnateur
Companion Chip
• Les fonctions électriques communes sont d’une part toutes les
fonctions d’alimentation, de gestion de l’alimentation et d’autre part
les fonctions Audio et interfaces
JNRDM 2005
Famille de produits
• En plus des fonctions Power Management
• Alimentation
• Chargeurs de batteries
• Gestion de la Batterie
• Le groupe PMAAC intègre
• AUDIO
• HiFi DAC & CODEC, Amplificateur de puissance, Amplificateur de
casque d’écoute, Amplificateur de Microphone, Mixers
• VIDEO
• LEDs, White LEDs, Écrans et Afficheurs TFT
• Interfaces
• USB, SPI, SIM, I2C
JNRDM 2005
Famille de produits
Product
Product
LED
SIM
Battery Audio
SIM SPI Additional Notes Package Samples
LDO DCDC Battery Audio ADC DAC Osc LED
LDO DCDCCharger Amplifier ADC DAC OscDriver Interface SPI Additional Notes Package Samples
Driver Interface
Charger Amplifier
AT73C201
AT73C201
8
AT73C202
AT73C202
8
AT73C203
AT73C203
2
AT73C204
AT73C204
7
AT73C212
AT73C212
5
8
8
2
1
1
4
1
1
4
1
2
1
7
5
1
1
1
7
1
2
1
1
2
1
1
1
1
1
1
2
7
2x8bit 2
2x8bit 2
1
AT73C213
AT73C213
AT73C221
AT73C221
2
1
1
1
2
1
2
1
2
1
1
1
1
Stereo
Stereo
Audio
Audio
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1W audio
BGA100
1W audio
BGA100
1 speaker driver
9x9mm
speaker driver
9x9mm
BGA49
BGA49
5x5mm
5x5mm
Ideal for Intel
Ideal for Intel BGA100
BGA100
1
1 XScaleTMTMdesign 9x9mm
XScale design 9x9mm
BGA49
BGA49
5x5mm
5x5mm
BGA36
BGA36
5x5mm
5x5mm
Auxiliary Stereo QFN32
Auxiliary Stereo QFN32
1
1 Input Output
7x7mm
Input Output
7x7mm
Wireless
BGA49
Wireless
BGA49
Headsets
5x5mm
Headsets
5x5mm
1
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
JNRDM 2005
Les applications
• Communications
• Téléphones mobiles, Bluetooth Headset, PDA, Smartphones,
VOIP, WLAN
• Électronique grand publique
• USB Music Players
• Multimedia
• Caméras Digitales (DSC) , PVP (Portable Video Player), Music
Players
JNRDM 2005
Votre profil nous intéresse !
• EREVNA "Ερευνα"
ρευνα : Nouveau projet de R&D
• Les produits
• Cartes à puces, Microcontrôleurs 32 bits, Produits Sécurisés, avec
Mémoire non volatile embarquée
• Les blocs de Propriété Intellectuelle et le flot de conception
• Les Technologies
• Flash NOR et NAND
• NVM embarquées E2 et Flash
• Générations technologiques 130nm, 90nm et 65nm
• Phase initiale 3 ans : 2004 – 2006
• Dans le cadre de ce projet R&D plusieurs profils sont
recherchés, en particulier le vôtre !
JNRDM 2005
Conclusion
• La microélectronique de puissance est une application dont les produits
seront de plus en plus présents dans notre quotidien et qui sera amenée à se
développer et évoluer dans le cadre de l’industrie semiconducteur
• La portabilité est un style de vie qui sera de plus en plus présent dans notre
vie et nécessitera toujours des sources d’énergie telles que les batteries
• Les batteries seront certainement de plus en plus efficaces, légères,
énergétiquement plus denses, mais elles auront toujours besoin d’être
chargées. Les chargeurs qui assureront cette fonction seront eux aussi de
plus en plus précis, intelligents et complexes à concevoir
• Les chargeurs de batteries ne sont pas les seules fonctions de la
microélectronique de puissance qui présentent autant de challenges, les
convertisseurs DC-DC, les régulateurs, les amplificateurs audio, sont aussi
des fonctions présentant autant de challenges
• ATMEL Corp : www.atmel.com
• IEEE : www.ieee.org
• Power Electronic Society : www.pels.org

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