High Efficiency, High Density PSM μModule Regulator with Programmable Compensation Haihua Zhou, Jian Li, and Simon Tian Analog Devices, Inc.

FPGA boards, as well as prototype, testing, and measurement applica-tions demand versatile and high density power solutions. The LTM4678 is a dual 25 A or single 50 A µModule® regulator with digital power system management (PSM) in a small 16 mm × 16 mm footprint. It features:

X Dual digitally adjustable analog loops with a digital interface for control and monitoring

X Wide input voltage range: 4.5 V to 16 V

X Wide output voltage range: 0.5 V to 3.3 V

X ±0.5% maximum dc output error over temperature

X ±5% current readback accuracy

X Sub-mΩ DCR current sensing

X Integrated input current sense amplifier

X 400 kHz PMBus-compliant I2C serial interface

X Telemetry polling rates up to 125 Hz

X An integrated 16-bit Σ-Δ ADC

X Constant frequency current mode control

X Parallel operation with balanced current sharing

X 16 mm × 16 mm × 5.86 mm CoP-BGA

I2C-Based PMBUS Interface and Programmable Loop CompensationThe LTM4678 is a member of ADI’s power system management (PSM) µModule family, so it can be configured and monitored through a PMBus/SMBus/I2C digital interface. The PC-based LTpowerPlay® tool enables visual monitoring and control of power supply voltage, current, power use, sequencing, margining, and fault log data. The LTM4678 is the first

µModule regulator with programmable loop compensation: gm and RTH, which greatly reduces design time, since dynamic performance tuning is done without the hassle of iterative PCB board builds or modifications.

CoP-BGA Package for Enhanced Thermal Performance, Small Size and High Power DensityA thermally enhanced component on package (CoP) BGA package enables the high power LTM4678 to fit a small 16 mm × 16 mm PCB footprint. Inductors are stacked and used as a heat sink to enable efficient cooling.

Easily Scale to Higher Current with Current Mode ControlThe LTM4678 uses peak current-mode control. Current is monitored and controlled cycle by cycle. This enables equal current sharing among phases.

Other Unique Features X Dual remote output sensing compensates for the voltage drop on

traces in high current application

X ±0.5% maximum dc output error over temperature provides additional regulation margin

X Direct input current sense measures the precise input current and power

X Dedicated PGOOD pins provide signal for downstream systems when output voltage is in regulation range

X EXTVCC pin maximizes efficiency at high VIN conditions

Visit analog.com

Design Note

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High Efficiency, High Density PSM μModule Regulator with Programmable Compensation Haihua Zhou, Jian Li, and Simon Tian Analog Devices, Inc.

FPGA boards, as well as prototype, testing, and measurement applica-tions demand versatile and high density power solutions. The LTM4678 is a dual 25 A or single 50 A µModule® regulator with digital power system management (PSM) in a small 16 mm × 16 mm footprint. It features:

X Dual digitally adjustable analog loops with a digital interface for control and monitoring

X Wide input voltage range: 4.5 V to 16 V

X Wide output voltage range: 0.5 V to 3.3 V

X ±0.5% maximum dc output error over temperature

X ±5% current readback accuracy

X Sub-mΩ DCR current sensing

X Integrated input current sense amplifier

X 400 kHz PMBus-compliant I2C serial interface

X Telemetry polling rates up to 125 Hz

X An integrated 16-bit Σ-Δ ADC

X Constant frequency current mode control

X Parallel operation with balanced current sharing

X 16 mm × 16 mm × 5.86 mm CoP-BGA

I2C-Based PMBUS Interface and Programmable Loop CompensationThe LTM4678 is a member of ADI’s power system management (PSM) µModule family, so it can be configured and monitored through a PMBus/SMBus/I2C digital interface. The PC-based LTpowerPlay® tool enables visual monitoring and control of power supply voltage, current, power use, sequencing, margining, and fault log data. The LTM4678 is the first

µModule regulator with programmable loop compensation: gm and RTH, which greatly reduces design time, since dynamic performance tuning is done without the hassle of iterative PCB board builds or modifications.

CoP-BGA Package for Enhanced Thermal Performance, Small Size and High Power DensityA thermally enhanced component on package (CoP) BGA package enables the high power LTM4678 to fit a small 16 mm × 16 mm PCB footprint. Inductors are stacked and used as a heat sink to enable efficient cooling.

Easily Scale to Higher Current with Current Mode ControlThe LTM4678 uses peak current-mode control. Current is monitored and controlled cycle by cycle. This enables equal current sharing among phases.

Other Unique Features X Dual remote output sensing compensates for the voltage drop on

traces in high current application

X ±0.5% maximum dc output error over temperature provides additional regulation margin

X Direct input current sense measures the precise input current and power

X Dedicated PGOOD pins provide signal for downstream systems when output voltage is in regulation range

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Rauchmeldersystem 2.0Christoph Kämmerer Analog Devices, Inc.Die neuen Vorschriften der Underwriters Laboratories (UL) haben dafür gesorgt, dass die Standards für Rauchmeldersysteme erheblich angehoben wurden. So müssen Rauchmelder jetzt unter anderem in der Lage sein, zwischen dem offiziellen „Hamburger Burn Test“ und einer tatsächlichen Gefahr in Form von Rauch wie beispielsweise durch Polyurethan zu unterscheiden. Weil klassische, mit monochromatischem Licht arbeitende Rauchmelder dies nicht können, wurde als neue Lösung der ADPD188BI entwickelt.

Ein typischer Rauchmelder besteht aus einer Detektoreinheit, einem Mikrocont-roller mit einem Algorithmus sowie zusätzlichen Bauelementen wie etwa Lautsprechern, Anzeige-LEDs oder CO-Sensoren. Die Referenzmessung in einem Rauchmelder funktioniert nach dem so genannten Verdunklungsprinzip, das in Bild 1 illustriert ist. Die durch Partikel in der Luft erfolgende Verdunklung bzw. Lichtschwächung zwischen der Lichtquelle L und dem Detektor D wird gemessen und anhand der neuen UL-Vorschriften ausgewertet.

Light Source(L)

Detector(D)

Bild 1: Referenz-Messung

Klassische Rauchmelder sind diskret aufgebaut und funktionieren auf Basis der Vorwärtsstreuung. Dabei wird LED-Licht einer bestimmen Wellenlänge (meist im Infrarotbereich) von Partikeln auf eine Photodiode gestreut. Wie in Bild 2 zu sehen ist, beträgt die Entfernung zwischen LED und Photodiode in der Regel wenige Zentimeter.

Several cm

Sampling Volume

PhotodiodeLED (880 nm)

Bild 2: System der Vorwärtsstreuung mit Infrarot-LED

Sowohl der diskrete Aufbau des Rauchmelders als auch die verwendete Messmethode bringen jedoch einige Nachteile mit sich. Der wichtigste davon ist, dass monochromatische LEDs die Häufigkeit von Fehlalarmen erhöhen, weil es mit ihnen schwieriger ist, unterschiedliche Partikel voneinander zu unterscheiden. Darüber hinaus ist eine diskrete Konstruktion sperrig und nimmt viel Leistung auf, und nicht zuletzt sind arbeitsaufwändige Kalibrierungen

Time Slot A

Time Slot B

DigitalInterface

andControl

AFE Configuration,Time Slot A

AFE Configuration,Time Slot B

SDA

SCL

GPIO0GPIO1

DGNDAGND

VREF

1 µF

VDD1 VDD2

ADPD188BI

14-BitADC

LED2 Driver

VLED1

VLED3

EXT_IN1

LED2

BlueIR

TIA_VREF

TIA_VREF Data

Data

LGND

BPF±1 Integrator

BPF±1 Integrator

LED3 Driver

LED1 Driver

LED3/DNC

LED1/DNC

CH2

TIA_VREF

TIA_VREF

BPF±1 Integrator

BPF±1 Integrator

EXT_IN2

PD3

PD4

PDC

PDC

CS

SCLK

MOSIMISO

PDET1

PDET2

PD2

PD1

CH3

CH4

CH1

Bild 3: Blockdiagramm des ADPD188BI

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erforderlich. Die Technik für die optischen Bauteile wurde inzwischen allerdings so weiterentwickelt, dass die LEDs und die Photodioden zusammen mit dem analogen Frontend in ein kleines Gehäuse integriert werden können. Mit dem ADPD188BI hat Analog Devices eine solche Lösung geschaffen. Der Baustein enthält zwei LEDs (Blau und Infrarot), eine Photodiode und das analoge Frontend – alles direkt in ein einziges Bauteil integriert. Der Einsatz von LEDs verschiede-ner Wellenlängen hat zwei unterschiedliche Streuwinkel zur Folge und ermöglicht daher zuverlässigere Messungen. Die Ausgabe in digitaler Form an einem I²C- oder SPI-Interface ermöglicht den Anschluss an einen Mikrocontrol-ler. Bild 3 zeigt das zugehörige Blockschaltbild. Die Integration von LEDs, Photodioden und analogem Frontend erleichtert das Kalibrieren des Systems, weil die äußeren Bedingungen konstant sind. Die (meist als Ein-Punkt-Kalibrie-rung vorgenommene) Kalibrierung lässt sich in den End-of-Line-Test des Kunden integrieren. Ein Schnittbild des ADPD188BI mit den fest integrierten LEDs auf der linken Seite und der Photodiode auf der rechten Seite ist in Bild 4 zu sehen. Erkennbar ist die Integration der kompletten Signalkette auf einem einzigen, 5 mm × 3,8 mm messenden Chip.

Bild 4: Schnittbild des ADPD188BI

Die Funktionsweise des ADPD188BI beruht darauf, dass die LEDs einen kurzen Lichtblitz von wenigen Mikrosekunden aussenden, der daraufhin von Partikeln zu der Photodiode zurückgestreut wird. Ein Transimpedanzverstärker verwandelt den daraus resultierenden Strom in eine Spannung. Ein Bandpassfil-ter entfernt den DC-Anteil, während ein Integrator den AC-Anteil infolge von Umgebungslicht durch Leuchten oder Sonnenlicht von bis zu 80 dB ausfiltert. Die am Ende verbleibende Spannung wird vom A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt.

Dieses Funktionsprinzip bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich. Zum einen resultiert die Verwendung zweier LEDs in einem weiten Dynamikbereich und einem großen Signal-Rauschabstand, sodass weniger Fehlalarme ausgelöst werden. Zum anderen sorgen die kurzen Lichtblitze der LEDs für eine niedrige Stromaufnahme. Die doppelte Messung mit den beiden Photodioden ermöglicht ferner eine genauere Detektierung, sodass nicht nur zwischen normalem Rauch und verbrannten Hamburgern unterschieden werden kann, sondern auch zwischen normalem Rauch und Dampf. Diese Rauchmelder können deshalb auch in Küchen und Badezimmern eingesetzt werden. Die integrierte Bauweise des Systems vereinfacht wegen der vorgegebenen Bedingungen die Kalibrie-rung und verringert die mechanischen Abmessungen. Das System erfüllt nicht nur die zukunftsgerichteten Vorschriften der UL, sondern macht auch eine kleine, kammerlose Konstruktion möglich, die sich leicht in beliebige Räume integrieren lässt. So erfüllt der ADPD188BI mit einem neuartigen Messsystem alle künftigen Anforderungen in Bezug auf Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kosten.

2 Smoke Alarm System 2.0

Analog Devices, Inc. Worldwide Headquarters

Analog Devices, Inc. One Technology Way P.O. Box 9106 Norwood, MA 02062-9106 U.S.A. Tel: 781.329.4700 (800.262.5643, U.S.A. only) Fax: 781.461.3113

Analog Devices, Inc. Europe Headquarters

Analog Devices GmbH Otl-Aicher-Str. 60-6480807 München Germany Tel: 49.89.76903.0 Fax: 49.89.76903.157

Analog Devices, Inc. Japan Headquarters

Analog Devices, KK New Pier Takeshiba South Tower Building 1-16-1 Kaigan, Minato-ku, Tokyo, 105-6891 Japan Tel: 813.5402.8200 Fax: 813.5402.1064

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Analog Devices 5F, Sandhill Plaza 2290 Zuchongzhi Road Zhangjiang Hi-Tech Park Pudong New District Shanghai, China 201203 Tel: 86.21.2320.8000 Fax: 86.21.2320.8222

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power consumption. Laborious calibrations are also necessary. The tech-nology for the optical components has advanced to the point that the LEDs and the photodiodes, along with the optical front end, can be integrated into a small housing.

Analog Devices has created such a technology: the ADPD188BI. It has two LEDs (blue and infrared), a photodiode, and the analog front end directly integrated in a single unit. The use of diodes of different wavelengths means two different angles of refraction and thus more reliable measurements. Digital output over I2C or SPI enables connec-tion to a microcontroller. The associated block diagram is shown in Figure 3. Thanks to the integrated LEDs, photodiodes, and analog front end, it is easier to calibrate the system because the conditions are fixed. Calibration—usually single-point calibration—can be incorporated into the customer’s end-of-line test. A schematic of the ADPD188BI, with the firmly integrated LEDs on the left and the photodiode on the analog front end, is shown in Figure 4. As can be seen in the figure, the complete signal chain is realized on a single 5 mm × 3.8 mm chip.

Figure 4. Schematic of the ADPD188BI.

The ADPD188BI works by emitting a short LED pulse of a few microsec-onds, which is then scattered by the particles back onto the photodiodes. A transimpedance amplifier converts the resulting current into a voltage, whereby a band-pass filter filters out the dc component and an integra-tor filters out the ac component of the ambient light from lamps or solar radiation up to 80 dB. After that, the analog-to-digital converter converts the voltage into a digital signal.

This principle provides a number of advantages. The use of two LEDs results in a high dynamic range and a high SNR, leading to fewer false alarms; in addition, the short LED pulses result in low power consumption. The dual measurement by the two diodes also enables finer detection; that is, differentiation not just between normal smoke and burning hamburgers but also between normal smoke and steam. Thus, it is also possible to install and use smoke alarms in the kitchen and the bathroom. Furthermore, the integration of the system means easier calibration due to the predefined conditions as well as a reduction in physical size. The system not only meets the forward-looking regulations of the UL but also allows for a small, chamberless design for easy integra-tion into any room. With that, the ADPD188BI meets all future requirements for safety, cost, and reliability with a novel measurement system.

About the AuthorChristoph Kämmerer has worked at Analog Devices in Germany since February 2015. He graduated in 2014 from the Friedrich-Alexander University in Erlangen with a master’s in physics. He then worked as an intern in process development at Analog Devices in Limerick. After completing the trainee program in December 2016, he now works as a field applications engineer at Analog Devices and specializes in emerging applications. He can be reached at christoph.kaemmerer@analog.com.

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Über den AutorChristoph Kämmerer ist seit Februar 2015 bei Analog Devices in Deutschland tätig. 2014 absolvierte er ein Physikstudium an der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen mit einem Master-Dip-lom, bevor er eine Praktikantentätigkeit in der Prozessentwicklung von Analog Devices in Limerick aufnahm. Nach Abschluss des Trainee-Programms im Dezember 2016 arbeitet Kämmerer jetzt als Field Applications Engineer bei Analog Devices und hat sich auf den Bereich „Emerging Applications“ spezialisiert. Sie erreichen ihn unter christoph.kaemmerer@analog.com.

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