معماری LDO در PMU اپل؛ بررسی مسیرهای ورودی و خروجی Brooklands
در سومین مقاله از مجموعه معماری PMU اپل، ساختار رگولاتورهای خطی LDO در Brooklands PMU را بررسی میکنیم؛ از System LDOها، Always-On و Internal LDOها گرفته تا Input Source، Dropout، Supply Selection، Startup، Current Limit، DVC Lite، Low-Iq، Telemetry و Protection.
دامنه این مقاله
این مقاله بر معماری Linear Regulators در Brooklands تمرکز دارد و جزئیات فنی آن بر اساس Chapter 20 سند معماری Brooklands تنظیم شده است. مقادیر Rail، جریان، Input Source و قابلیتهای Instanceها مربوط به معماری مرجع Brooklands هستند و نباید بدون بررسی محصول به تمام PMUهای اپل تعمیم داده شوند.
LDO چیست و چرا در کنار Buck استفاده میشود؟
LDO یک رگولاتور خطی کمافت است که برای تولید و تنظیم Railهای مختلف در PMU استفاده میشود.
LDO یا Low Dropout Regulator یک رگولاتور خطی است که ولتاژ ورودی را به ولتاژ پایینتر و کنترلشده تبدیل میکند.
برخلاف Buck Converter، در مسیر اصلی LDO خبری از Switching Stage و Inductor خروجی نیست. یک Pass Element داخلی مقدار جریان عبوری را کنترل میکند تا خروجی روی ولتاژ هدف باقی بماند.
مناسب برای تبدیل توان با راندمان بالا و جریان زیاد، اما مبتنی بر Switching و اجزای خارجی مانند Inductor.
ساختار خطی و بدون Switching Node اصلی دارد و برای Railهایی که رفتار خطی، نویز و ساختار تغذیه آنها اهمیت دارد کاربرد دارد.
خانواده LDOها در Brooklands
LDOهای Brooklands را از نظر نقش معماری باید به سه گروه اصلی تقسیم کرد.
System LDO
رگولاتورهایی که Railهای مختلف سیستم، حافظه، سنسورها، Touch، NAND و سایر مصرفکنندهها را تأمین میکنند.
Always-On LDO
LDO.9 و LDO.9B برای تولید ریلهای PP1V8_ALWAYS و PP1V2_ALWAYS.
Internal LDO
LDO.ANA و LDO.DIG برای تأمین بخشهای Analog و Digital داخلی خود PMIC.
LDOهای Brooklands، Rail خروجی و منبع ورودی
یکی از مهمترین نکات معماری این است که همه LDOها از یک منبع مشترک تغذیه نمیشوند. برخی مستقیماً از VDD_MAIN یا VDD_BOOST و برخی از Buckهای دیگر تغذیه میشوند.
| LDO | Rail | Input Source | VOUT Nominal | Max IOUT |
|---|---|---|---|---|
| LDO.1 | PP3V3_S2 | VDD_BOOST | 3.300 V | 200 mA |
| LDO.2 | PP1V22_NAND_S0 | BUCK.6 | 1.200 V | 900 mA |
| LDO.3 | PP1V2_LN_SOC_S0 | BUCK.6 | 1.200 V | 500 mA |
| LDO.4 | PP_VDD_LOW_S2 | BUCK.7 | 0.730 V | 300 mA |
| LDO.5 | PP2V62_NAND_S0 | VDD_BOOST | 2.620 V | 1900 mA |
| LDO.6 | PP3V0_PROX_S2 | VDD_BOOST | 3.000 V | 70 mA |
| LDO.7 | PP3V0_ALS_RADIO_S2 | VDD_BOOST | 3.000 V | 70 mA |
| LDO.8 | PP1V0_S4 | BUCK.6 | 1.000 V | 600 mA |
| LDO.9 | PP1V8_ALWAYS | VDD_MAIN | 1.800 V | 50 mA |
| LDO.9B | PP1V2_ALWAYS | VDD_MAIN | 1.200 V | 50 mA |
| LDO.10 | PP3V0_BUTTON_S2 | VDD_BOOST | 3.000 V | 10 mA |
| LDO.11 | PP0V5_VDDQL_S1 | BUCK.12 | 0.500 V | 900 mA |
| LDO.12 | PP0V8_SOC_FIXED_S1 | BUCK.12 | 0.805 V | 1100 mA |
| LDO.13 | PP_3V15_TOUCH_DISPLAY_S2 | VDD_BOOST | 3.150 V | 50 mA |
| LDO.14 | PP1V2_TOUCH_VDDCORE_S2 | BUCK.6 | 1.200 V | 100 mA |
| LDO.15 | PPVAR_BARO_S2 | VDD_MAIN | 1.800 V | 100 mA |
| LDO.16 | PP1V12_AMPH_S2 | BUCK.6 | 1.100 V | 500 mA |
| LDO.17 | PP0V83_NAND_S0 | BUCK.12 | 0.800 V | 1300 mA |
| LDO.DIG | VDD_DIG | VDD_MAIN | 1.000 V | 40 mA |
| LDO.ANA | VDD_ANA | VDD_MAIN | 1.200 V | 100 mA |
Input Source؛ اولین سؤال در عیبیابی LDO
هر LDO برای تولید خروجی به یک Supply بالادست نیاز دارد. این Supply در Brooklands میتواند VDD_MAIN، VDD_BOOST یا خروجی یکی از Buckها باشد.
بنابراین ساختار LDO را نباید بهشکل یک Rail مستقل دید. LDO بخشی از زنجیره Power Distribution است و عملکرد آن به Power Source بالادست وابسته است.
منبع مستقیم برای برخی LDOها، Always-Onها و Internal LDOها.
ورودی چند LDO ولتاژ بالاتر مانند Railهای 3V و NAND.
برخی LDOها از BUCK.6، BUCK.7 یا BUCK.12 تغذیه میشوند و یک مرحله Regulation خطی پس از Buck ایجاد میکنند.
Supply Selection و Dual Supply
معماری LDO در Brooklands میتواند شامل قابلیت انتخاب Supply و در برخی ساختارها بیش از یک مسیر تغذیه باشد.
تعیین میکند کدام Supply ورودی به مسیر Power Conversion همان LDO متصل شود.
در Megacellهای پشتیبانیشده، بیش از یک Supply میتواند در معماری ورودی LDO در نظر گرفته شود.
Dropout؛ وقتی VIN دیگر برای Regulation کافی نیست
LDO برای تنظیم خروجی به مقداری Headroom میان ولتاژ ورودی و خروجی نیاز دارد. وقتی VIN بیش از حد به VOUT نزدیک شود، Pass Element دیگر فضای کافی برای Regulation ندارد و LDO وارد Dropout میشود.
Forced Switch Mode
برخی LDOها قابلیت Switch Mode دارند. در این حالت مسیر توان میتواند بهجای رفتار Regulation معمول LDO، مانند یک مسیر Switch عمل کند.
Bypass Path
در معماریهای دارای مسیر Bypass، مشخصاتی مانند مقاومت مسیر و افت ولتاژ Bypass نیز اهمیت پیدا میکنند.
Startup؛ LDO نیز کنترلشده روشن میشود
روشنشدن LDO صرفاً تغییر Enable از صفر به یک نیست؛ Bias، Startup Mode، Ramp و Current Limit میتوانند در فرآیند بالا آمدن Rail نقش داشته باشند.
سرعت افزایش VOUT کنترل میشود تا خروجی با شیب تعریفشده به Target برسد.
جریان Startup محدود میشود تا Charging خازن خروجی باعث جریان هجومی کنترلنشده نشود.
Current Limit و Foldback
Pass Element یک LDO ظرفیت نامحدود ندارد. در شرایط Overload یا Short، جریان باید محدود شود تا خود رگولاتور و مسیر توان آسیب نبینند.
Brooklands علاوه بر Current Limit، برای معماری LDO مفهوم Current Limit Foldback را نیز تعریف میکند.
جریان خروجی از Threshold تعریفشده فراتر نمیرود.
در شرایط شدیدتر، جریان مجاز میتواند با افت VOUT کاهش بیشتری پیدا کند تا Dissipation روی Pass Element محدود شود.
Output Discharge Pulldown
پس از Disable شدن LDO، خروجی الزاماً فقط با مصرف طبیعی Load تخلیه نمیشود.
مسیر تخلیه خروجی میتواند برای پایینآوردن Rail پس از Disable فعال شود.
مسیر Pulldown با رفتار ضعیفتر برای برخی شرایط و Stateهای سیستم قابل استفاده است.
DVC Lite؛ کنترل پویای ولتاژ LDO
LDO قابلبرنامهریزی لزوماً یک ولتاژ ثابت برای تمام مدت کار دستگاه ندارد. Brooklands برای LDOهای DVC-capable از مکانیزمی با عنوان DVC Lite استفاده میکند.
هر LDO قابل DVC میتواند از میان چهار Slew Rate مشترک انتخاب کند. این مقادیر قابل برنامهریزی از طریق OTP هستند و Ramp Up و Ramp Down نیز میتوانند بهصورت مستقل تنظیم شوند.
هنگام کاهش Target Voltage، LDO میتواند Pulldown را درگیر کند تا VOUT سریعتر به مقدار DAC هدف برسد.
Low-Iq؛ روشن بودن به معنی مصرف ثابت نیست
Quiescent Current یا Iq جریان داخلی موردنیاز خود رگولاتور برای عملکرد است.
این موضوع مخصوصاً برای Always-On Railها اهمیت دارد؛ چون Rail ممکن است همچنان روشن باشد اما خود LDO برای کاهش مصرف وارد Low-Iq Mode شود.
PSRR، Ripple و Output Noise
کیفیت خروجی LDO فقط با مقدار DC ولتاژ تعریف نمیشود.
توانایی LDO در تضعیف تغییرات و نویز موجود روی Input Supply.
مؤلفه AC باقیمانده روی خروجی که میتواند از Input یا رفتار داخلی سیستم ناشی شود.
نویز تولیدشده یا منتقلشده روی Rail خروجی در محدوده فرکانسی مشخص.
Overvoltage Detection
افزایش غیرطبیعی VOUT میتواند توسط Monitor خروجی تشخیص داده شود و در صورت پشتیبانی Instance، Protection متناسب با آن اعمال گردد.
Undervoltage Detection
افت VOUT نیز قابل تشخیص است و میتواند بخشی از Event و Fault Handling PMU باشد.
Output Current Telemetry
تحلیل LDO فقط به VOUT محدود نیست. Brooklands قابلیت Telemetry جریان خروجی LDO را نیز در معماری Linear Regulators تعریف میکند.
این اطلاعات در کنار Voltage Monitoring و وضعیت Protection، تصویر دقیقتری از رفتار واقعی Rail در اختیار سیستم قرار میدهد.
HV Assist
Chapter 20 برای برخی معماریهای LDO قابلیت HV Assist را نیز تعریف میکند. این قابلیت بخشی از ساختار عمومی همه LDOها نیست و باید بر اساس Megacell و Instance مربوطه تحلیل شود.
Always-On LDOها؛ ریلهایی که معماری متفاوتی دارند
LDO.9 و LDO.9B در Brooklands برای Railهای Always-On استفاده میشوند.
ورودی از VDD_MAIN و خروجی Nominal برابر 1.8V.
ورودی از VDD_MAIN و خروجی Nominal برابر 1.2V.
Internal LDOها؛ تغذیه داخلی خود PMIC
LDO.ANA و LDO.DIG را نباید مانند یک Rail خروجی معمولی روی برد تحلیل کرد.
تولید VDD_ANA برای بخشهای Analog داخلی Brooklands.
تولید VDD_DIG برای بخشهای Digital داخلی Brooklands.
عیبیابی LDO از دید تعمیرکار
وقتی یک Rail LDO وجود ندارد یا مقدار آن غیرعادی است، مستقیماً به خرابی PMIC نتیجهگیری نکنید.
چند سناریوی رایج در تحلیل Rail
قبل از PMIC، Input Source، Power State، Enable، Sequencing و Short خروجی را بررسی کنید.
Dropout، Current Limit، Foldback، DVC Target و Load پاییندست باید بررسی شوند.
Ripple، Output Noise، Capacitor، Load Transient و کیفیت Input Supply میتوانند مشکلساز باشند.
Output Pulldown، Weak Pulldown، COUT و بار متصل به Rail باید در تحلیل Shutdown لحاظ شوند.
جمعبندی
معماری LDO در Brooklands بسیار فراتر از یک رگولاتور خطی ساده است. ۱۶ System LDO، دو Always-On LDO و دو Internal LDO نقشهای مختلفی در شبکه مدیریت توان دارند.
Input Source، Supply Selection، Dropout، Switch Mode، Startup، Current Limit، Foldback، Output Pulldown، DVC Lite، Low-Iq، PSRR، Telemetry و OV/UV Monitoring همگی میتوانند رفتار نهایی یک Rail را تغییر دهند.
بنابراین نبود یا افت یک ولتاژ همیشه به معنی خرابی خود PMIC نیست. منبع ورودی، State، تنظیمات، Load، Mode عملیاتی و Protection باید در کنار خود LDO بررسی شوند.
مقاله ۴: Power FSM و Power Sequencer در Brooklands PMU
در مقاله بعدی Stateهای اصلی PMU، AWAKE، Sleep Stateها، POWER_UP، POWER_DOWN، Power Sequencer، Enable Bitها، Slot Timerها و ترتیب واقعی روشن و خاموششدن Railهای Brooklands را بررسی خواهیم کرد.