Toepassingen op het gebied van kunstmatige intelligentie (AI) vereisen een hoger vermogen en een snellere verwerking, wat enkele veranderingen in het ontwerp van energiebeheer-IC's (PMIC's) tot gevolg heeft. Deze nieuwe eisen variëren van hogere stroomondersteuning en betere efficiëntie tot verbeterd thermisch beheer en kleinere oplossingsgrootte.
Power IC De makers zijn het erover eens dat AI-mogelijkheden nieuwe eisen stellen, met name op het gebied van efficiëntie, tijdelijke respons en oplossingsgrootte. Deze vereisten zijn van invloed op alle marktsegmenten, of het nu gaat om toepassingen in de automobiel-, industriële of datacentersector.
“De snelle acceptatie van edge-AI, dat wil zeggen eindpuntapparaten die AI-mogelijkheden integreren, creëert de behoefte aan PMIC’s die deze apparaten met een hoge efficiëntie kunnen voeden om de levensduur van de batterij te verlengen, een kleine oplossingsgrootte omdat de meeste applicaties een beperkte grootte hebben, snelle laadtransiëntmogelijkheden, waarvoor geen extra condensatoren in de toepassing nodig zijn – dus opnieuw een kleinere oplossingsgrootte en een lagere EMI-voetafdruk, aangezien eindpunttoepassingen doorgaans RF- en mogelijk video- en audiomogelijkheden bevatten die ruisgevoelig zijn”, zegt James Lam, senior productmarketingmanager, Renesas Electronics Corp.
Voor automobieltoepassingen zijn de behoefte aan meer vermogen en snellere verwerking twee belangrijke vereisten. “AI-toepassingen vereisen aanzienlijk meer vermogen en vereisen ook een zeer snelle reactie op het leveren van vermogen in vergelijking met meer conventionele verwerking”, zegt Tom Sandoval, senior vice president, GM, Automotive Business Segment, Dialog Halfgeleider. “Vooral voor ADAS [geavanceerde rijhulpsystemen] en AI zijn de ‘framerates’ extreem hoog. Dit is waar de individuele momentopnamen van de situatie die door de camera worden vastgelegd een snellere verwerking vereisen, en er moet enorm veel meer van worden verwerkt.”
Sandoval zei dat dit twee effecten heeft op het energiebeheer. “Ten eerste: de individuele kernen in de SoC die deze gegevens verwerken, nemen in aantal toe om de toegenomen gegevens parallel te verwerken, en wel met een hogere snelheid. Dit betekent dat de algehele huidige vereisten voor de SoC veel hoger zijn. Nummer twee: de verhoogde verwerkingssnelheid van de kernen betekent de huidige en spanning overgangsranden zijn veel sneller”, zei hij.
De nieuwe DA914X-A meerfasige apparaten van Dialog zijn geoptimaliseerd voor dit soort toepassingen. "Ze hebben betere transiënte prestaties, lagere verliezen, betere efficiëntie, geoptimaliseerde thermische dissipatie en geminimaliseerde rimpelstromen en -spanningen dan de eenfasige equivalenten van de concurrentie", aldus Sandoval.
Dialog ontwierp de DA914X-A-productfamilie van hoogstroom, step-down DC/DC (buck)-converters van automobielkwaliteit voor op AI gebaseerde automobieltoepassingen. De DA914X-A-familie is gericht op AI SoC's voor de automobielsector en is een alternatief voor voedingsoplossingen die een combinatie van een vermogenscontroller en discrete FET's vereisen. De nieuwe familie integreert vermogens-FET's en alle benodigde besturingslogica in een sterk geïntegreerd monolithisch apparaat. Er zijn slechts enkele externe componenten nodig voor de werking, waardoor de materiaalkosten van het systeem en de voetafdruk van de oplossing lager zijn dan 170 mm2, aldus het bedrijf.
Sandoval zei dat veel klanten een reeks afzonderlijke componenten gebruiken, maar de DA914X-familie kan aan deze behoeften voldoen in een enkele monolithische PMIC met een kleinere footprint, lagere kosten en hogere betrouwbaarheid.
“Vergeleken met de concurrentie heeft de DA9141-A lagere PCB-kosten en lagere totale componenthoogten voor toepassingen met een laag profiel; heeft meer flexibiliteit, wat de mogelijkheid biedt om de inductoren en condensatoren optimaal dicht bij het belastingspunt te plaatsen, en heeft een gedistribueerde vermogensdissipatie, wat resulteert in een gelijkmatigere verdeling van de warmte – cruciaal voor efficiënt thermisch beheer”, zei hij.
De DA914X-A-apparaten leveren stroomniveaus tot 40 ampère en zijn naar verluidt extreem energiezuinig, waardoor de thermische ontwerpuitdagingen van het voeden van complexe auto-SoC's met zeer hoge stroomvereisten worden verminderd. Dit maakt de productfamilie zeer geschikt voor het aandrijven van grafische of AI-ingebedde processors die worden gebruikt in machine learning en vision-toepassingen voor autonome voertuigen.
De DA914X-A-productfamilie voor AI-gebaseerde automobieltoepassingen (Bron: Dialog Halfgeleider)
De DA914X-A-familie bestaat momenteel uit twee apparaten: de DA9141-A en DA9142-A. De DA9141-A werkt als een enkelkanaals, quad-phase buck omvormer, die tot 40 A uitgangsstroom levert, terwijl de DA9142-A werkt als een enkelkanaals, tweefasige buck-converter, die tot 20 A uitgangsstroom levert. Alle apparaten hebben een ingangsspanningsbereik van 2.8 V tot 5.5 V en een uitgangsspanningsbereik van 0.3 V tot 1.3 V, waardoor ze geschikt zijn voor een verscheidenheid aan systemen met laag vermogen.
De belangrijkste kenmerken van de DA914X-A-producten zijn onder meer meerfasige werking voor betere transiënte prestaties, lagere verliezen, betere efficiëntie, geoptimaliseerde thermische dissipatie en geminimaliseerde rimpelstromen en -spanningen in vergelijking met een enkelfasige architectuur. Het biedt ook gedistribueerde vermogensdissipatie voor een gelijkmatigere verdeling van de warmte en een efficiënt thermisch beheer. Andere functies zijn onder meer teledetectie, volledig programmeerbare softstart en configureerbare GPIO's met ondersteuning voor I2C, DVC en Power Good-indicator.
De familie biedt ook dynamische spanningsregeling die adaptieve aanpassing van de voedingsspanning mogelijk maakt, afhankelijk van de belasting, wat de efficiëntie verhoogt wanneer de stroomafwaartse circuits overgaan op een laag stroomverbruik of in de inactieve modus, wat resulteert in energiebesparingen, aldus het bedrijf.
De DA914X-A-apparaten zijn AEC-Q100 Grade 1 gekwalificeerd en zijn verkrijgbaar in een
4.5 x 7.0 mm, 0.6 mm pitch 60-pins FC-BGA-pakket. Er zijn ook industriële/commerciële versies beschikbaar.
Renesas Electronics biedt ook een nieuwe, sterk geïntegreerde PMIC voor AI-processors, maar gericht op industriële toepassingen. De RAA215300 negenkanaals PMIC vormt een aanvulling op de RZ/V2L- en RZ/G2L-microprocessors (MPU's) van Renesas, ontworpen voor AI-toepassingen.
Lam zei dat de nieuwe RAA215300 PMIC zeer geschikt is voor edge AI-toepassingen. “Het biedt tot 15% hogere efficiëntie dan de stroomoplossingen van de concurrentie en de snelle transiënte belastingsrespons ondersteunt de RZ MPU- en DRP-AI-toepassingen zonder dat extra uitgangscondensatoren nodig zijn, en het biedt ook de complete DDR4- en DDR3L-stroomoplossingen, inclusief VDDQ, VTT-, VREF- en VPP-ondersteuning, waardoor het aantal componenten en de omvang van de oplossing worden geminimaliseerd.”
Bovendien vereenvoudigen de EMI- en ruiskoppelingsreductiefuncties de RF-, video- en audio-subsysteemontwerpen die gericht zijn op hoogwaardige AI-producten voor beeld- en stemherkenning, zei hij.
De RAA215300 combineert zes buck-regelaars (ondersteunt 5 A, 3.5 A, 2 × 1.5 A, 1 A, 0.6 A), drie LDO's (ondersteunt 2 × 300 mA, 50 mA), een real-time klok en een knoopcel/ supercap-oplader. Dit niveau van hoge integratie vermindert de complexiteit van het ontwerp en verhoogt de systeembetrouwbaarheid met minder componenten op het bord. Het ondersteunt DDR4-, DDR4L-, DDR3- en DDR3L-geheugen met speciale VREF-, VTT- en VPP-rails. De PMIC maakt ook vierlaagse printplaten (PCB's) mogelijk, waardoor de kosten worden verlaagd.
De RAA215300 negenkanaals PMIC voor industriële AI-toepassingen (Bron: Renesas Electronics)
Het apparaat is configureerbaar met een ingebouwde EEPROM. Het bedrijfstemperatuurbereik bedraagt -40°C tot 105°C voor industriële toepassingen. Andere kenmerken zijn onder meer het gespreide spectrum om EMI voor RF-toepassingen te verminderen, de ultrasone modus om de koppeling van hoorbare ruis in microfoons of luidsprekers te elimineren, en een ingebouwde watchdog-timer voor het veilig opstarten van het systeem voordat er software wordt uitgevoerd.
De RAA215300 kan worden gecombineerd met de RZ/G2L, RZ/V2L en verschillende andere Renesas-aanbiedingen in een winnende combinatie voor een schaalbaar SMARC-systeem (Smart Mobility ARChitecture) opmodule (SoM) met AI-ontwerp. Naast de Renesas MPU en PMIC omvat deze winnende combinatie stroomcontrollers, een USB PD-controller en een klokapparaat.
Er zijn nu voorbeeldzendingen van de RAA215300 beschikbaar en de massaproductie zal naar verwachting in het eerste kwartaal van 2022 van start gaan.
PMIC-fabrikanten leveren ook nieuwe stroom-IC's voor communicatie- en netwerkapparatuur, servers en opslag. Een voorbeeld is een meerfasige AI-chipset van Maxim Integrated Products, Inc. Deze chipset drijft AI-hardwareversnellers aan, waaronder GPU's, FPGA's, ASIC's en xPU's om de efficiëntie van de oplossing te vergroten en de omvang van de oplossing te verkleinen, zegt Steven Chen, directeur bedrijfsbeheer voor de Cloud and Data Center Business Unit bij Maxim Integrated.
De MAX16602 AI beschikt over dubbele uitgangsspanning regelaar en de MAX20790 slimme power-stage IC leveren een hoge efficiëntie en een kleine totale oplossingsomvang voor krachtige AI-systemen. De chipset maakt gebruik van de huidige ripple-annuleringsfunctie van Maxim's gepatenteerde koppeling Inductor, waarbij een efficiëntieverbetering van één procent wordt geclaimd vergeleken met concurrerende oplossingen, wat zich vertaalt in een efficiëntie van meer dan 95 procent bij een uitgangsspanning van 1.8 V en een belasting van 200 A.
“Er is een onverzadigbare honger naar computers”, zegt Chen. “IC's voor energiebeheer moeten een hoge efficiëntie bereiken en hoge stroomsterkte ondersteunen met een snelle energiebeheerbus. Nieuwe PMIC’s moeten de AI-oplossing van een klant mogelijk maken door inzicht te krijgen in de kracht- en functievereisten.”
Chen zei dat er verschillende nieuwe vereisten zijn voor PMIC's, met als gevolg de behoefte aan ondersteuning voor hoge stroomsterktes (>500 A) met hoge efficiëntie, verbeterde transiënte respons en lage ruststroom. Andere vereisten zijn onder meer telemetrie via PMBus, beveiligingsfuncties, oplossingsgrootte die past bij de vormfactor, koeling en stroomafgifte om de prestaties te optimaliseren.
De nieuwe chipset treft al deze punten. De oplossing is schaalbaar van 2 tot 16 fasen voor verschillende uitgangsstroomvereisten (thermische ontwerpstroom is doorgaans 60 A tot 800 A of meer), en de gekoppelde inductor met laag profiel (<4 mm) kan worden aangepast om meerdere vormfactoren te ondersteunen, zoals perifere component interconnect express (PCIe) en OCP acceleratormodules (OAM).
AI-systemen geïmplementeerd met de MAX16602 en MAX20790 meerfasige chipset zouden minder warmte genereren in vergelijking met concurrerende oplossingen. Dankzij de gekoppelde spoel van Maxim technologie en monolithisch geïntegreerde dual-side koelvermogensfase-IC's wordt het vermogensverlies verminderd als gevolg van een 50 procent lagere schakelfrequentie.
MAX16602CL8EVKIT-kaart (Bron: Maxim Integrated)
Maxim Integrated merkte ook op dat de monolithische geïntegreerde aanpak "praktisch de parasitaire weerstand en inductantie tussen FET's en drivers elimineert" om de hoge efficiëntie te bereiken.
De MAX16602 met de gekoppelde inductoren en slimme power-stage IC's implementeren zeer efficiënte kernregelaars met verbeterde transiënte respons en lage ruststroom. De architectuur helpt het aantal componenten te verminderen en geavanceerd energiebeheer en telemetrie mogelijk te maken en de energiebesparingen over het volledige belastingsbereik te vergroten. Regelaarparameters voor beveiliging en uitschakeling kunnen worden ingesteld en bewaakt via de seriële interface met behulp van het PMBus-protocol.
De MAX16602- en MAX20790-apparaten zijn verkrijgbaar op de website van Maxim Integrated (inclusief voorbeelden) en bij geautoriseerde distributeurs.
over Dialog SemiconductorMaxim IntegratedMaxim Integrated ProductsRenesas Electronics America