Разбираем чужие схемы ч.2
Продолжаем разбор схемы Macbook Pro 15'' на Intel i7. С первой частью можно ознакомиться тут.
Сегодня коснемся аналоговых блоков: датчиков измерения тока, напряжения, температуры. Затронем силовые ключи, схемы защиты и зарядки, аудио и подсветку дисплея. Разобранные в прошлой части страницы я удалил из оглавления, а претендентов на сегодняшний разбор выделил красным.
Напоминаю, что разбирать я планирую на более менее продвинутом уровне. Буду выделять в основном интересные моменты, неочевидные нюансы или хорошие решения.
53_Power Sensors High Side
Начнем с датчиков измерения тока и напряжения. Кстати, хочу заметить, что страницы с измерителями рисовал уже не Силу, а Трой, что можно увидеть из оглавления. Итак, в качестве измерителя тока используется классический INA - дифференциальный усилитель от TI. Исходя из данных на схеме, можно рассчитать выходное напряжение для U5410. При максимальном тока в 3.3А, сопротивлении шунта 5мОм и усилении 200 получаем ровно 3.3В на выходе. Далее стоит делитель в два раза, скорее всего, у PMICа (туда и идет цепь), Vref = 1.8В, что заставляет разработчиков уменьшать напряжение до 1.65В. Но тут возникает вопрос - а зачем делить это напряжение, если можно взять INA с усилением 100 и сразу получить 1.65В? По моему мнению, возможны три причины:
- Схему накопировали из других устройств, не думая об оптимизации, поскольку она уже работала;
- INA с усилением 200 стоит значительно меньше, чем с усилением 100, хотя я в этом сомневаюсь;
- Разработчики таким образом решили увеличить помехозащищенность сигнала. Т.е. по плате от U5410 до U7800 идет дорожка с напряжением 3.3В, деление до 1.65В происходит непосредственно у PMICa. Полученная ошибка при воздействии помех на напряжение 3.3В будет в 2 раза меньше, чем на 1.65В.
Я больше всего склоняюсь к третьему варианту, учитывая указания ставить делитель у PMICa.
В левой части представлены измерители входного напряжения, которые идут в SoC от Apple. На схему даже добавлена таблица для подбора делителей и фильтров для них в зависимости от микросхемы. Чуть ниже Q5480 отвечают за подключение к измерителю напряжения питания датчиков. Скорее всего, это сделано для дополнительной калибровки полученных значений.
54_Power Sensors Load Side
На этой странице видим дифференциальный усилитель U5540 с дискретными компонентами. На + и - приходят соответствующие напряжения с шунтов многофазных источников и суммируются с одинаковым весом. В качестве усилителя используется ISL28133 - чопперный усилитель с Vos = 8мкВ. В целом, довольно логично, учитывая коэффициент усиления равный 141 (дальше еще больше). Ниже у нас уже другой усилитель от LT. Мне искренне не понятно назначение диода, поскольку ОУ выдерживает напряжение до 12В.
Разберем подробнее схему с U5530. В данном случае мы видим тот же дифференциальный усилитель, но с токовым выходом. Для наглядности я промоделировал данную схему. Основная идея - падение напряжения на шунте равно падению на резисторе R3. Разность потенциалов создает ток через R3, равный ((Vsns+)-(Vsns-))/R3. Далее полученный ток проходит через транзистор M1 и превращается в напряжение на R5. Коэффициент усиления R5/R3 = 145. Преимущества такой схемы - передача сигнала током, а не напряжением, за счет этого гораздо сложнее навести шум.
55_Power Sensors Extended 1
На этой странице в основном все те же INA, но есть один блок, заслуживающий внимания. Помните токовый усилитель с прошлой страницы на отдельных компонентах? Так вот, U5670 - тоже самое, только в интегральном исполнении от LT. Принцип работы абсолютно аналогичный, за исключением одной детали. У усилителя от LT есть отдельный вход для измерения (-INS) с током потребления около 0, а есть вход (-INF) который будет насильно потреблять ток вместо -INS. На печатной плате они должны идти дифференциальной парой и разделяться сразу после точки измерения.
56_Power Sensors Extended 2
На этом листе расположился очередной дифференциальный усилитель U5740. Тут его коэффициент усиления составил аж 421. На схеме указано, что напряжение на Vsense = 12mV, при усилении 421 мы получим ровно 5В, а питание у усилителя 3.3В. Очень похоже на ошибку. Еще на схеме присутствуют два SAR АЦП, на них приходят сигналы с датчиков, которым не хватило места на АЦП PMICa.
57_Thermal Sensors
В качестве датчиков температуры используются измерители от TI. Они способны измерять температуру, основываясь на экспоненциальном увеличении падения напряжения на переходе б-э с ростом температуры. Для удобства измерения такие диоды/транзисторы встроены прям в кристалл, например, в GPU, USB-C мост. Хочу отметить, что дискретные транзисторы подобраны не совсем оптимальные. Их бетта довольно сильно гуляет, что может сказаться на точности.
58_Power Sensor Extended 3
Тут все те же INA и делители, которые мы рассматривали ранее.
61_Audio Jack Codec
Аудио кодек от Cirrus. Сразу отмечу огромное количество ферритовых бусин и фильтров разного номинала, что характерно для схем с аудио. В качестве источника используется "Ultra-Low Noise and High PSRR" LDO. В схеме есть намеренное разделение на аналоговую и цифровую землю. Я не всегда поддерживаю такие вещи, но в данном случае тоже считаю это оправданным. В остальном довольно стандартный кодек с I2S интерфейсом и аж двумя внутренними charge pump для формирования отрицательного напряжения. Забавная подпись:
R/C6550 FILTER TO ADDRESS OUT-OF-BAND NOISE ISSUE SEEN ON EARLY HEADSETS.
Похоже, раньше в этой области были проблемы с шумами из на наводок с других частей схемы.
Архитектура подобного кодека от Cirrus. Из интересного - отдельные выводы для ESD защиты с полным описанием внутренних схем.
62_Audio Left Amplifiers
В продолжение аналоговой часть тут у нас мощный аудио усилитель класса D, что видно по цепям boost. Управление идет с кодека по I2S. Верхний усилитель (WOOFER) отвечает за звук на низких частотах, а нижний (TWEETER) воспроизводит высокие частоты. На выходе наши любимые бусины для устранения шумов.
Документации на усилитель из схемы я не нашел, но вот как выглядит очень похожая микросхема от RT9120S Richtek:
63_Audio Right Amplifiers
Все тоже самое, только для динамиков справа.
64_Audio Flex Connectors
Оставшиеся сигналы с кодека уходят на гибкий разъем, который далее пойдет на Jack 3.5. Тут мы видим феррит и на линии данных. Это не удивляет, поскольку аудио очень чувствительно к высокочастотным помехам. На разъеме нет ESD, поскольку большинство расположено в кодеке и, скорее всего, на плате с разъемом Jack. На этой странице можно заметить еще одну забавную вещь - отдельную микросхему для защищенного включения/отключения цифрового микрофона. Если микросхема не выдала разрешение, сигнал далее никуда не пойдет из за элементов U6640, U6641.
68_PBUS Supply & Battery Charger
Классическое решение для зарядника без лишних наворотов. В качестве контроллера - ISL9240 от Renesas. Основа - buck boost для регулирования выходного напряжения. Q7065 открывается, когда необходимо зарядить батарею от входного напряжения. Нужно иметь ввиду, что из за внутреннего диода Q7065 buck boost должен формировать напряжение больше батареи, чтобы ее не разряжать. На токоизмерителных цепях стоят фильтры для ограничения времени реакции, а на выходе - параллельные предохранители на 24А суммарно.
79_Power FETs
На этой странице силовые ключи, такие мы уже видели в прошлой части. Внутри транзистор с контролируемым временем открытия и схемы защиты. На странице присутствует 3 разных типа ключей. Не знаю, почему было принято такое решение, ведь разница между 27мОм и 34мОм минимальна. Еще можно увидеть два разных компонента "И" тоже не понятно зачем потребовалось так плодить номенклатуру.
81_LCD Backlight Driver
Переходим к подсветке дисплея. Сразу видим цепи измерения тока, которые мы обсуждали на других страницах. Роль Q8400 - отключение входного питания от повышающего источника U8400. Довольно удобная функция. Как всегда, документации на эту микросхему нет, но есть очень похожий LP8545 от TI. В случае работы до 55В допустимо использовать силовой ключ внутри контроллера. Когда напряжение превышает 55В, требуется внешний. В данном случае максимально на выходе возможно 59В, соответственно, потребовался Q8401 и вывод GD. В обратной связи можно заметить C8430, хоть он и DNP я искренне не понимаю его назначение, он только замедляет отклик преобразователя (обычно стремятся, наоборот, ускорить).
94_GPU PCC
Что - то подобное мы уже видели ранее. Слева - дифференциальный усилитель, но почему то уже на другом ОУ. Коэффициент в данном случае равен 200. После усиления сигнал с шунта сравнивается с опорными 3.04В на компараторе U9901. В случае если усиленное падение на шунте больше 3.04В, компаратор срабатывает и выдает сигнал allert GPU для снижения потребления. У компаратора предусмотрен небольшой гистерезис за счет R9906 для снижения влияния шумов.
Думаю, вы удивитесь, как и я, но на той же странице я обнаружил мультивибратор. Не будем обсуждать, почему бы его не сделать на тех же ОУ, это не так важно. Факт в том, что я не встречал мультивибраторов уже лет 5. Еще один важный нюанс: под схему "растяжения" импульса лучше подошел бы одновибратор, который, кстати, также легко делается на ОУ.
48_MESA
Помните touch ID? Так вот, это разъем именно к нему, показан справа снизу. На схеме повышающий преобразователь LM3638 и LDO от ONsemi. LDO формирует 3В из 3.3В. Учитывая очень низкое падение, разработчики добавили подпись, что лучше бы оставить возможность питать LDO от 5В, очень логично. В остальном все решения мы уже видели. Конденсаторы маленького номинала от RF помех и ферриты.
33_USBC X Connector Support
Серьезная защита для линий СС USB-C. 100Омные термисторы, скорее всего, предназначены для предварительно зарядки линий, чтобы не было излишних бросков тока. Далее с помощью биполярного транзистора и цепей задержки C3432, R3432, D3432 открывается силовой транзистор.
111_USBC T Connector Support
Выводы
В целом выводы перекликаются с прошлой частью. Опять очень большая номенклатура. Некоторые решения 100% можно было бы сделать с меньшим числом компонентов (или с компонентами дешевле). Нашлось пару некритичных ошибок и одна довольно критичная. Но для EVT стадии - это допустимо.