Hardware BeagleBone Black - Alimentação - Parte 3

beaglebone black com yocto 7Masters

Introdução

 

Nos nossos dois primeiros artigos, iniciamos com nossa análise detalhada do sistema de alimentação da plataforma BeagleBone Black. No primeiro artigo entendemos para que serve um PMIC, seu funcionamento e principais características. No segundo artigo, demos continuidade no estudo desse componente, dando maior ênfase em como ele é utilizado dentro da plataforma.

 

Neste artigo, vamos continuar estudando com detalhes as tensões geradas por esse PMIC, e onde elas são usadas na plataforma da BeagleBone Black.

 

 

Alimentação do Núcleo (VDD_CORE)

 

Essa alimentação é gerada pelo regulador DCDC3 e possui uma tensão fixa de 1V1 em qualquer versão do PMIC (TPS65217x), podendo chegar a 1,2A. O indutor utilizado (LQM2HPN2R2MG0L) é o mesmo que veremos nos outros dois reguladores buck. Trata-se de um indutor multilayer da Murata feito especificamente para Power Line, com o valor de 2,2uH 20%.

 

Tensão VDD_CORE gerada pelo PMIC.
Tensão VDD_CORE gerada pelo PMIC.

 

É interessante analisar a estratégia de layout adotada pela equipe que desenvolveu esse hardware. Embora o PMIC e o capacitor C11 estejam no Top Layer, o indutor L3 fica no Bottom Layer. Em um primeiro momento, podemos pensar que esse tipo de solução não estaria seguindo exatamente as boas práticas de layout, principalmente porque o chaveamento está sendo feito a 2,25MHz e furos de passagem são mal vistos para frequências como essa. No entanto, o objetivo principal é deixar esse capacitor de filtro bem próximo ao PMIC, pois é dele que virá o sinal de feedback do regulador. Com esse capacitor próximo, ruídos no feedback serão minimizados.

 

Posição do L3 e C11 em relação ao PMIC.
Posição do L3 e C11 em relação ao PMIC.

 

A tensão gerada é levada ao processador, passando por uma série de capacitores de desacoplamento. Esse núcleo possui um número grande de conexões para a alimentação do core. É sempre interessante adicionar capacitores de desacoplamento o mais próximo possível desses pontos de alimentação.

 

Capacitores de desacoplamento para VDD_CORE. PMIC
Capacitores de desacoplamento para VDD_CORE.

 

 

Alimentação da MPU (VDD_MPU)

 

Exatamente como o VDD_CORE, a tensão VDD_MPU é gerada por um regulador buck, neste caso o DCDC2. A tensão que ele fornece também é de 1V1, podendo chegar a 1,2A. O indutor e capacitor utilizados são exatamente os mesmos do DCDC3 que vimos acima.

 

Regulador DCDC2 fornecendo para VDD_MPU. PMIC
Regulador DCDC2 fornecendo para VDD_MPU.

 

Esta alimentação é fornecida apenas para o núcleo do sistema, passando apenas por alguns capacitores de desacoplamento. O interessante dessa alimentação é que a CPU fornece um ponto de checagem, presente como um test-point (TP2) que pode ser verificado abaixo.

 

Entrada da tensão VDD_MPU no núcleo. PMIC
Entrada da tensão VDD_MPU no núcleo.
Ponto de verificação TP2 para VDD_MPUON.
Ponto de verificação TP2 para VDD_MPUON.

 

 

Alimentação das memórias RAM (VDDS_DDR)

 

A tensão VDDS_DDR alimenta tanto a memória da plataforma, como também o periférico do núcleo responsável pela comunicação com ela. Fornecida pelo DCDC1 na tensão de 1V5, podendo esta também chegar a 1,2A. Essa tensão é conectada através de R6, que apenas faz a conexão entre a fonte e a via de alimentação.

 

DCDC1 fornecendo a tensão VDDS_DDR. PMIC
DCDC1 fornecendo a tensão VDDS_DDR.

 

Assim como visto em outro regulador, a estratégia de layout colocou o indutor L1 no Bottom Layer, com o resistor R6 bem próximo a ele, e o capacitor C9 no Top Layer. Da mesma forma, o capacitor fixa muito próximo ao próprio PMIC, onde é feita a análise do sinal de feedback.

 

Posição dos componentes responsáveis pelo regulador DCDC1. PMIC
Posição dos componentes responsáveis pelo regulador DCDC1.

 

Essa tensão é levada para o núcleo, tendo apenas uma série de capacitores de desacoplamento ligada a ele.

 

Ligação de VDDS_DDR no núcleo.
Ligação de VDDS_DDR no núcleo.

 

Uma vez que essa alimentação chega na memória, temos um circuito mais interessante. Assim como a maioria dos dispositivos, essa alimentação possui uma série de capacitores de desacoplamento e alimenta a memória RAM. O VDDS_DDR também é utilizado com um resistor de pull-up (R97 de 1K5) para o sinal de DDR_RESETn. Esse sinal é controlado por um pino específico vindo do núcleo.

 

Alimentação VDDS_DDR alimentando a memória.
Alimentação VDDS_DDR alimentando a memória.

 

Também vamos encontrar uma tensão em um divisor resistivo criando o sinal DDR_VREF, aplicando diretamente em VREF_CA e VREF_DQ. Trata-se da metade da alimentação, neste caso 0,75V. Analisando o MT41K256M16HA, da Micron, verificamos que VREF_CA significa "Reference Voltage for Control, Command and Address" (Tensão de referência para controle, comando e endereço - em uma tradução livre). O documento do componente também indica que essa tensão precisa ficar em 50% da alimentação, podendo apenas variar entre 49% e 51%.

 

Referência para memória RAM.
Referência para memória RAM.

 

O sinal de DDR_VREF também é aplicado ao núcleo, sendo ligado diretamente ao VREFSSTL. Abaixo podemos verificar não apenas essa ligação, como também o sinal de DDR_RESETn gerado pelo AM335x.

 

Sinal de DDR_VREF e DDR_RESETn do núcleo.
Sinal de DDR_VREF e DDR_RESETn do núcleo.

 

 

Alimentação de 1V8 (VDD_1V8)

 

Alimentação VDD_1V8 do LDO3.
Alimentação VDD_1V8 do LDO3.

 

A alimentação de 1V8 vem diretamente do LDO3, que suporta até 400mA. Já vimos este regulador no artigo passado, podendo alimentar VDDS, mas desligado pelo resistor R9 não montado.

 

O importante desse regulador é que, além de alimentar um bloco importante do núcleo, será a base do VDD_PLL, VDD_ADC e HDMI_1V8. Para o núcleo, a alimentação é dada conforme abaixo.

 

Tensão VDD-1V8 alimentando o núcleo.
Tensão VDD-1V8 alimentando o núcleo.

 

 

Alimentação do conversor AD (VDD_ADC e GNDA_ADC)

 

Essa alimentação é derivada do VDD_1V8, passando por um filtro passa-baixa formado pelo indutor FB2 e FB3, e os capacitores C93, C31, C32 e C33. Isso garante que qualquer ruído gerado na linha de alimentação, será minimizado para a alimentação do conversor ADC. A boa prática de separar os sinais de terra também foi respeitada, existindo o terra analógico e o terra digital.

 

Alimentação VDD_ADC, derivada de VDD_1V8.
Alimentação VDD_ADC, derivada de VDD_1V8.

 

Os sinais de referência desse conversor também respeitam a alimentação, sendo o VDD_ADC a referência VREF+, e GNDA_ADC a referência de VREF-. Não há como alterar o sinal de referência diretamente, mesmo existindo o resistor R27.

 

Referências VREF+ e VREF- do ADC.
Referências VREF+ e VREF- do ADC.

 

A alimentação VDD_ADC e GNDA_ADC são externados pelo conector P9.32 e P9.34, respectivamente. Esse nível de tensão pode ser utilizado como a referência de VREF para um circuito externo. Apesar de ser possível alterar a plataforma para utilizar uma alimentação VDD_ADC externa, não há grande vantagem. Isso porque a tensão precisa ser fixa em 1V8 com um erro máximo de 5%.

 

Alimentações VDD_ADC e GNDA_ADC, presentes no P9.
Alimentações VDD_ADC e GNDA_ADC, presentes no P9.

 

 

Alimentação da PLL (VDD_PLL)

 

Assim como VDD_ADC, o VDD_PLL também é derivado do VDD_1V8. Da mesma forma, o sinal é filtrado por um filtro passa baixa formado pelo indutor FB1 e os capacitores C79, C92, C94 e C106. Como se trata apenas da alimentação da PLL, não há muitas novidades nesse circuito além do filtro.

 

Alimentação VDD_PLL derivada de VDD_1V8.
Alimentação VDD_PLL derivada de VDD_1V8.

 

 

Alimentação da HDMI (HDMI_1V8)

 

Uma das grandes vantagens da BeagleBone Black em relação a outras plataformas é a saída de vídeo HDMI. No entanto, o núcleo AM335x não está preparado para esse tipo de saída, gerando apenas sinais para LCD.

 

Para apresentar uma saída mais fácil de se trabalhar, a equipe do projeto fez uso de um componente da NXP para fazer essa conversão. Trata-se do TDA19988, aqui presente como U11. Esse componente faz a conversão dos sinais específicos para o LCD para o formato HDMI. Futuramente vamos falar mais sobre este componente. Por enquanto vamos nos ater apenas à alimentação.

 

Principais componentes do circuito HDMI.
Principais componentes do circuito HDMI.

 

Assim como boa parte dos periféricos do núcleo, este componente exige 1V8 de alimentação. Como vimos mais acima, essa alimentação é derivada de VDD_1V8. Da mesma forma que o conversor ADC, essa tensão é fornecida através de um indutor, fazendo um filtro passa baixa utilizando uma série de capacitores.

 

Alimentação HDMI_1V8 provém da VDD_1V8.
Alimentação HDMI_1V8 provém da VDD_1V8.

 

 

Alimentação do DVI (DVI_+5V)

 

É interessante que o padrão HDMI exige o fornecimento de 5V no conector. Para fazer isso, mas manter uma proteção, a equipe adicionou um PTC nessa alimentação.

 

Alimentação DVI_+5V.
Alimentação DVI_+5V.

 

O que está por vir

 

No próximo artigo vamos terminar de analisar os canais de alimentação e principais componentes responsáveis pelas regulagens da plataforma. Assim, poderemos dar sequência na análise do resto do hardware. O objetivo desses artigos é permitir a criação de Capes e hardwares derivados.

 

Referência

 

LQM2HPN2R2MG0Lhttp://search.murata.co.jp/Ceramy/image/img/w_hinm/L0075E.pdf
MT41K256M16HAhttp://www.micron.com/-/media/documents/products/data%20sheet/dram/ddr3/4gb_1_35v_ddr3l.pdf
PTC RXEF 010 na Digikeyhttp://www.digikey.com/product-detail/en/RXEF010/RXEF010-ND/1045821

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Francesco Sacco
Engenheiro Eletricista formado PUC-SP e Técnico em Eletrônica pela ETE Getúlio Vargas, é especialista em projetos eletrônicos analógicos e digitais, especialmente no condicionamento de sinais analógicos e integração entre dispositivos digitais.Nos últimos anos, vem atuando no desenvolvimento de software embarcado para núcleos ARM Cortex e na construção de hardwares para sistemas de potência.

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