Почему подсветка экрана стала главным потребителем в ноутбуках на одном элементе

Современные процессоры так экономичны в ожидании, что на экран приходится до 70% всей потребляемой мощности ноутбука. Старший менеджер pSemi Джейсон Нгай рассказывает, как двухступенчатая схема из зарядового насоса и повышающего преобразователя поднимает КПД драйвера подсветки до 95%.

В этом выпуске Power Corner старший менеджер по продуктовому маркетингу pSemi Джейсон Нгай рассказывает о микросхеме ARC1C0608 — драйвере светодиодной подсветки, хорошо подходящем для ноутбуков на одном литий-ионном элементе, где нужно большое отношение преобразования: от входных 2,7–5,5 В к напряжению подсветки жидкокристаллического экрана до 30 В.

По словам Нгая, современные системы на кристалле стали так экономичны в ожидании, что главным потребителем оказался экран — до 70% всей мощности системы. В отличие от прочих узлов, экран нельзя перевести в ожидание, так что остаётся либо приглушить его, либо выключить. Слабое место здесь — драйвер светодиодной подсветки: обычно это повышающий преобразователь, а чем ниже входное напряжение (как в ноутбуке на одном элементе), тем выше требуемое выходное и тем хуже его КПД. Нгай отмечает, что типичный драйвер для одного элемента работает с КПД порядка от средних до высоких 80-х процентов, но во всём диапазоне напряжения батареи падает до средних 60-х — средних 70-х, то есть очень неэффективен.

ARC1C0608 Нгай описывает как собственную двухступенчатую схему, объединяющую повышающий преобразователь с зарядовым насосом. Вместо того чтобы возлагать всё преобразование на одну повышающую ступень, основную работу берёт на себя зарядовый насос, избавляя повышающую ступень от работы с большим отношением напряжений. Это позволяет взять дроссель меньше, а ведь именно он обычно определяет размеры и высоту решения. «Мы можем поднять КПД драйвера до пиковых 95%, а на большей части рабочего диапазона держим от высоких 80 до более 90%», — говорит Нгай. Он разбирает пример со входом 3,8 В и выходом 22–24 В, где зарядовый насос с утроением означает, что повышающая ступень должна дойти лишь примерно до 8 В (24, делённое на 3), а не до полных 24 В, как в одноступенчатой схеме.

Аалия Шаукат: Мы будем говорить о вполне определённой микросхеме, ARC1C0608, предназначенной, насколько я понимаю, для ноутбуков на одном элементе. Но прежде чем перейти к ней: что такое ноутбуки на одном элементе и почему они популярны?

Джейсон Нгай: Ноутбук на одном элементе можно описать как перенос смартфонной архитектуры в ноутбук. Как мы все знаем, смартфон построен на одном элементе, а большинство распространённых ноутбуков сегодня — на двух, трёх или четырёх. Это значит, что высокое напряжение приходится опускать до низкого напряжения системы на кристалле, а на преобразовании теряется много мощности, да и схема усложняется. Так что достоинство ноутбука на одном элементе — в упрощении всей архитектуры питания, в переносе смартфонного подхода в ноутбук. Это как раз подходит тонким и лёгким, а также недорогим ультрабукам.

Аалия Шаукат: Какие трудности питания вы видите при схеме с одним элементом, которые требуют более тонких решений, чем в двух- и трёхэлементных вариантах?

Джейсон Нгай: Для КПД системы на кристалле один элемент очень хорош, потому что почти всё приходится понижать. Но одна из самых больших трудностей — именно экран. Я много говорил с архитекторами систем, которые проектируют ноутбуки, и они отмечают: современные ноутбуки, их системы на кристалле и многие узлы стали настолько экономичными, особенно с умными режимами ожидания, что большую часть времени — как сейчас, во время этого разговора, — вычислительная часть находится в ожидании, если не считать камеры и модема. А больше всего мощности потребляет экран. Сегодня на него приходится почти до 70% всей мощности системы.

Аалия Шаукат: Тридцать процентов?

Джейсон Нгай: Нет, семьдесят.

Аалия Шаукат: Ого.

Джейсон Нгай: Да, он очень голоден до энергии. Беда в том, что экран никак не перевести в ожидание. Снизить его потребление можно только приглушив его или выключив, но тогда ноутбуком не попользуешься. Например, когда батарея на исходе, экран сам приглушается до очень малой яркости, чтобы как можно дольше продлить работу.

Аалия Шаукат: Да, режимы сбережения заряда.

Джейсон Нгай: Именно. Так вот, возвращаясь к сути: большая часть этой мощности уходит в светодиодную подсветку. Драйвер подсветки — повышающий преобразователь, а повышающий, как мы знаем, ведёт себя обратно понижающему: чем ниже входное напряжение, тем хуже КПД. Это и есть одна из главных трудностей ноутбука на одном элементе. То есть нужно искать драйвер светодиодов с очень высоким КПД, чтобы получить долгую работу от батареи.

Аалия Шаукат: А какой КПД обычно у решений для одного элемента?

Джейсон Нгай: У приличного — порядка от средних до высоких 80 процентов. Но по диапазону напряжения батареи он падает до средних 60 — средних 70 процентов, то есть очень неэффективен.

Аалия Шаукат: Это и выводит нас к микросхеме ARC1C0608. Как она помогает, как она обходит эти трудности с КПД?

Джейсон Нгай: В ARC1C0608 применена собственная двухступенчатая схема, объединяющая повышающий преобразователь и зарядовый насос. Мы с умом поручаем основную работу зарядовому насосу, и это снимает нагрузку с повышающей ступени. В результате мы поднимаем пиковый КПД драйвера до 95%, а на большей части рабочего диапазона держим от высоких 80 до более 90%. Это почти вдвое меньшие потери, чем способна дать обычная одноступенчатая повышающая схема.

Аалия Шаукат: Что вы понимаете под «большей частью рабочего диапазона»?

Джейсон Нгай: Я говорю о диапазоне напряжения батареи. При полном заряде один элемент даёт около 4,35 В. Но когда заряд падает до 10%, а в крайнем случае к нулю, напряжение опускается примерно до 3–3,2 В; некоторые ноутбуки отключаются уже на 3,6 В. Вот этот рабочий диапазон напряжения батареи я и имею в виду. Чем ниже напряжение, тем хуже КПД драйвера. А с нашим драйвером КПД по всему диапазону получается очень ровным.

С нынешними ноутбуками я всегда привожу такой пример: от 100 до 80% заряда, то есть на первых 20%, машина работает почти два часа. А вот на последних — с 20 до 10% — часто получается всего около 30 минут. Это и есть следствие того, как КПД повышающей ступени подсветки портит ровность времени работы.

Аалия Шаукат: И эта микросхема растягивает последний участок?

Джейсон Нгай: Именно, делает его почти таким же, как остальные.

Аалия Шаукат: Интересно. Я хотела понять, зачем нужно было собрать повышающий преобразователь, зарядовый насос, более шести источников тока для светодиодов и цифровую логику в решение высотой 1,2 мм. Что в такой схеме мешает тонкому исполнению и как pSemi это обошла?

Джейсон Нгай: В обычном драйвере — одноступенчатом повышающем — высоту и размеры определяет дроссель. Разработчику системы приходится выбирать: либо получить хороший КПД, поступившись размерами и высотой дросселя, либо сохранить малую высоту, поступившись КПД. То есть между тонкой конструкцией и хорошим КПД есть противоречие, и именно дроссель задаёт размеры и высоту решения.

В нашем драйвере благодаря двухступенчатой схеме мы гораздо меньше опираемся на повышающее преобразование, а значит, требования к дросселю смягчаются. Поэтому разработчик получает и КПД, и малые размеры: можно взять небольшой дроссель в виде чипа высотой 1,2 мм и удержать решение компактным.

Аалия Шаукат: Расскажите подробнее, как работа делится между повышающей ступенью и зарядовым насосом, который она питает.

Джейсон Нгай: Возьмём пример из жизни. В нашей двухступенчатой схеме основную работу делает зарядовый насос. Допустим, вход 3,8 В, а выход от 22 до 24 В. Значит, выходное напряжение превышает входное более чем втрое, и мы применяем зарядовый насос в режиме утроения. Тогда 24 В, делённые на 3, дают 8 В, и повышающей ступени нужно поднять напряжение лишь с 3,7 до 8 В. Разница видна: в обычной схеме пришлось бы поднимать с 3,7 В сразу до 24 В.

Аалия Шаукат: Так и выбирается, брать удвоение или утроение в зарядовом насосе?

Джейсон Нгай: Именно. По отношению входного напряжения к выходному: когда выход больше входного втрое, мы хотим задействовать зарядовый насос по максимуму, а когда меньше чем втрое, переходим к удвоению.

Аалия Шаукат: В документации я видела, что повышающая ступень по умолчанию работает в режиме прерывистого тока. В каких случаях заказчику понадобится режим непрерывного тока?

Джейсон Нгай: Интересный вопрос. Мы всегда советуем разработчикам режим прерывистого тока, потому что он улучшает работу при малой нагрузке. В ноутбуке малая нагрузка означает малую яркость экрана. Когда производители измеряют время работы от батареи, они обычно берут яркость 150 нит, а это, по-моему, малая яркость. Так что в большинстве случаев работа пойдёт в прерывистом режиме — ради лучшего КПД при малой нагрузке и большего времени работы. Вторая причина: некоторые системы стараются не допускать обратного тока из драйвера в систему, чтобы защитить батарею, и потому предпочитают прерывистый режим. Но в редких случаях, для чувствительных к шуму применений, разработчик может переключиться на непрерывный режим, чтобы получить более предсказуемый спектр шума. Вот тогда он и нужен, но, я бы сказал, в 99, а то и в 100% случаев это прерывистый режим.

Аалия Шаукат: В документации я заметила, что частота переключения зарядового насоса всегда составляет долю от частоты повышающей ступени. Почему так?

Джейсон Нгай: Причина связана с адиабатической схемой — это наша собственная разработка. Мы синхронизируем частоту зарядового насоса с частотой переключения повышающей ступени, чтобы задействовать эту адиабатическую схему, которая и есть наша основная интеллектуальная собственность. Вдобавок наш зарядовый насос работает в двухфазном чередовании, поэтому его частота всегда синхронизирована на уровне примерно половины частоты повышающей ступени. Но есть и умная особенность: при малой нагрузке, помимо перехода повышающей ступени в прерывистый режим, зарядовый насос сам переходит на более низкую частоту. При полной нагрузке это половина частоты повышающей ступени, при снижении нагрузки — четверть, а при очень малой нагрузке — одна восьмая, чтобы снизить потери на переключение и ещё улучшить общий КПД системы.

Аалия Шаукат: Выбор дросселя связан с частотой переключения, но формул для его расчёта нет. Как заказчику выбрать подходящий дроссель? Я понимаю, что дроссель внутри микросхемы меньше благодаря зарядовому насосу, но в схеме применения тоже нужен дроссель — как его подобрать?

Джейсон Нгай: Тут надо поправить: дроссель в микросхему мы не встраиваем, он всегда внешний.

Аалия Шаукат: Прошу прощения, поняла.

Джейсон Нгай: Ничего, иногда наши объяснения сбивают с толку. Главное, повторю, наша основная технология — двухступенчатая схема. Мы опираемся на дроссель куда меньше обычной схемы, так что разработчик может взять почти любой тип. Если захочется очень малого сопротивления обмотки ради ещё большего КПД — а мы и так получаем 95% — и поставить громоздкий огромный дроссель, то, по нашим внутренним сравнениям, выигрыш составит всего около 0,1–0,2% КПД. Это и показывает, что наша схема мало зависит от дросселя. Так что разработчик может взять небольшой низкопрофильный дроссель в виде чипа.

Мы изучали это и дальше: бывают разработки, которым нужна совсем малая высота, даже ниже 1,2 мм — вплоть до 0,6 мм. При таком дросселе, вдвое ниже 1,2-миллиметрового, наш КПД падает лишь примерно на 1%. То есть опять-таки зависимость от дросселя невелика.

Ещё одна любопытная особенность нашего драйвера. Из-за способа изготовления у чип-дросселей есть ограничение по напряжению, которое редко увидишь у обычного дросселя с проволочной обмоткой: многие такие выдерживают всего 20 В. А в типичном применении драйвера светодиодов на дросселе будет больше 20 В, поэтому многие обычные схемы не могут применять эти небольшие чип-дроссели. Но в нашей двухступенчатой схеме, как показал пример выше, напряжение на дросселе в повышающей ступени часто не превышает 10 В. Так что я бы сказал, что наша двухступенчатая схема и чип-дроссель — идеальная пара, дающая системе очень тонкое и компактное решение.

Аалия Шаукат: Чем эта микросхема отличается от других драйверов светодиодной подсветки жидкокристаллических экранов? Есть ли на рынке другие схемы драйверов с похожим ступенчатым подходом или такая двухступенчатая схема есть только у pSemi?

Джейсон Нгай: Сам двухступенчатый подход, я бы не сказал, что он только у pSemi, но именно две ступени с зарядовым насосом и регулятором вместе — наша интеллектуальная собственность, уникальная для нашей компании. Двухступенчатые схемы в целом не редкость: мы часто видим их в серверах, где 48 В преобразуются в 12 В, а 12 В — в напряжение в точке потребления; это тоже две ступени, но из двух понижающих преобразователей. Встречаются и другие остроумные идеи ради лучшего КПД. Но вот на рынке драйверов светодиодов я пока не видел, чтобы кто-то ещё шёл двухступенчатым путём. Видел одно ловкое решение, где драйверу подают стабилизированные 5 В, то есть поднимают входное напряжение, чтобы улучшить КПД. Но того, что делаем мы, сейчас, насколько я вижу, не делает никто.

Аалия Шаукат: Последний вопрос: для каких ещё применений эта микросхема хорошо подходит?

Джейсон Нгай: Кроме ноутбуков, для любых применений на одном элементе — планшетов, шлемов виртуальной реальности. Есть и любопытные: беспилотники, где её можно применить для фары, чтобы летать ночью. Ещё экраны велосипедных и тренажёрных приборов и подобное. В общем, любое применение с экраном, питающееся от одного элемента, ей подойдёт.

Аалия Шаукат: Спасибо за время, это все мои вопросы. Если хотите что-то добавить напоследок — пожалуйста.

Джейсон Нгай: Подчеркну ещё раз: наша двухступенчатая схема даёт и КПД, то есть снижение потерь, и гораздо более компактное, тонкое решение для разработчика системы. Всё это он получает с драйвером ARC1C0608 в своих применениях на одном элементе.