PDS-Design für Implementierungen mit ultraniedrigem Stromverbrauch

Wenn es um Implementierungen mit geringem Stromverbrauch geht, zeichnen sich Produkte dadurch aus, dass sie sehr selten Optionen für hohen Strom bieten, klein in der Größe sind, für Energiemanagement optimiert sind und die Notwendigkeit besteht, dass Batterien so lange wie möglich halten. Es gibt ein breites Spektrum an Produkten, die unter diese Kriterien fallen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Smartphones, Smartwatches, Fernüberwachungsgeräte und medizinische Geräte, um nur einige zu nennen.

Im Hinblick auf PDS-Design und Energiemanagement gibt es einige Hauptfaktoren, die bei jedem Produkt, das als extrem stromsparend charakterisiert wird, inhärent sind: das Entwerfen effizienter PDSs in sehr kleinen Geometrien, das Verwalten des Stromverbrauchs und das Konservieren der Batterielebensdauer. Bei einigen Produktimplementierungen, wie z.B. Fernüberwachungsgeräten, ist auch die Auswahl der richtigen Kondensatoren, um sie als potenzielle Quellen für Energieverluste (durch Leckage) zu eliminieren, ein kritischer Faktor. Dieser Artikel konzentriert sich auf diese Dynamiken.

Wenn Sie es noch nicht gelesen haben, dieser Blog konzentriert sich auf die Entwicklung von PDS-Designs, die damit verbundenen Herausforderungen in Bezug darauf, wo die Energie fließt, und die Auswirkungen von Induktivität und Widerstand in Bezug auf Leistungsdegradation und ist ein guter Ausgangspunkt, um Power Delivery Systems zu erkunden.

So viel Funktionalität in so kleinen Produkten

Intelligente Technologie, implementiert in kleinen Formfaktoren, ist in unserem täglichen Leben so allgegenwärtig geworden, dass es schwer vorstellbar ist, wann wir sie nicht hatten. Und die Evolution und Verfeinerung der Technologie, die in diesen Geräten enthalten ist, hat sich derart sprunghaft verbessert, dass wir in Bezug darauf, was es braucht, um die verschiedenen Produktfunktionen zu implementieren und zu betreiben, auf die wir so angewiesen sind, gleichgültig geworden sind.

Beispielsweise ist die Technologie, die ins Spiel kommt, wenn Sie Ihr Telefon von vertikal auf horizontal drehen, sodass der Bildschirm ausgerichtet bleibt, das, was wir früher als Supercomputer bezeichnet haben. Und es gibt so viele Funktionen in einem Smartphone – ein paar Radios, eine oder mehrere Kameras, den Bildschirm, die Prozessoren im Inneren und den Speicher – die Energie verbrauchen, was es zu einer Herausforderung macht, all die verschiedenen Energiezonen zu verwalten. Es ist wichtig zu bedenken, dass es für jede Stromschiene in einem Gerät ein PDS gibt und es ist nicht ungewöhnlich, in einem Smartphone 15-20 PDSs zu haben.

Daher besteht die Hauptaufgabe für einen PCB-Designer darin herauszufinden, wie man genügend Bereiche auf den Platinen für jede Stromschiene hat und wie man genügend Möglichkeiten findet, die Ebenen zu segmentieren, wenn man nicht von Anfang an so viele zur Verfügung hat.

Zum Beispiel hat das iPhone 10 (iPhone X) zwei sehr dünne PCBs. Eine hat acht Schichten, während die andere zehn hat. Beide Platinen haben Komponenten auf beiden Seiten und die beiden Platinen liegen übereinander im Inneren des Telefons. Die komplexen ICs haben überhaupt keine Gehäuse, sie sind alle Bump Die. (Bump Die sind auch bekannt als Flip Chip oder Controlled Collapse Chip Connection (C4). Es ist eine Methode zur Verbindung von ICs mit externer Schaltung mittels Lötbuckeln und ermöglicht die Verbindung von ICs mit Platinen auf sehr kleinem Raum).

Und aufgrund dieser engen Geometrien gibt es keinen Platz für die Verwendung von Planarkapazität als Mittel zur Verwaltung des PDS. Alle Kapazitäten sind direkt in die ICs integriert. Tatsächlich hat die für die Entwicklung dieser Produkte erforderliche Designkompetenz sehr spezialisiert und unterscheidet sich stark vom traditionellen PCB-Design.

Leistungsmanagement

Also haben wir zwei der Parameter für Produkte mit extrem niedrigem Stromverbrauch berücksichtigt – viele Funktionen auf sehr kleinem Raum und eine Anzahl von PDSs in jedem Gerät. In Bezug auf das Energiemanagement ist ein Mobiltelefon so konzipiert, dass, wenn eine bestimmte Funktion nicht aktiviert wird, sie abgeschaltet wird. Und genau hier ist es entscheidend, den Betrieb der PDSs genau zu verstehen.

Als Designer müssen Sie herausfinden, wie Sie alle großen Stromverbraucher innerhalb eines Telefons so verwalten, dass sie zur richtigen Zeit ein- und ausgeschaltet werden. Bei den meisten Smartphones ist der größte Stromverbraucher das Radio. Wenn Sie Videos, Bilder, große Datenmengen usw. hochladen, ist das Radio kontinuierlich eingeschaltet und der Stromverbrauch hoch. Im mittleren bis niedrigen Stromverbrauchsbereich liegt das Versenden von Textnachrichten und das Hochladen einfacherer Dateien. Am äußersten Ende des niedrigen Stromverbrauchs steht das „Pingen“, das zwischen Ihrem mobilen Gerät und einem Mobilfunkturm stattfindet und kontinuierlich Ihren Standort überwacht. Im Wesentlichen ist das einzige Mal, dass Ihr Handy keinen Strom auf irgendeiner Ebene verbraucht, wenn es vollständig heruntergefahren ist.

Batterieschonung

Als Nächstes kommen wir zu dem wahrscheinlich wichtigsten Aspekt bei der Implementierung von Produkten mit extrem niedrigem Energieverbrauch: die Maximierung der Batterielaufzeit. Bei Smartphones ist die Akkulaufzeit ein wichtiges Merkmal, aber bei anderen Produkten, wie Fernüberwachungsgeräten, ist die Energieeinsparung absolut notwendig. Ein Beispiel für diesen Typ von Produkt wäre ein Stromleitungsmesser, der an großen Übertragungsleitungen angebracht wird. In den meisten Fällen ist die Leistungsanforderung für diese Geräte so, dass die Batterien mindestens ein Jahr halten müssen. Wenn jedoch die Kondensatoren vom falschen Typ sind, können sie auslaufen und die Batterien werden weit schneller entladen, als gewünscht.

Theoretisch sollen Kondensatoren perfekte Isolatoren sein. Aber das sind sie nicht. Wenn Kondensatoren in einer Stromversorgung verwendet werden, die 80 Ampere hat, zeigt ein paar Mikroampere Leckstrom keine Probleme oder verursacht nicht viele Probleme. Aber wenn eine Batterie einen Lebenszyklus von einem Jahr haben muss, kann Kondensatorleckage, egal wie klein, zu einem großen Problem werden. Typischerweise wurden die für Geräte mit extrem niedrigem Energieverbrauch ausgewählten Kondensatoren dieselben sein, die als Bypass-Kondensatoren verwendet wurden (oft Tantal-Kondensatoren). Als Regel sind diese nicht leckstromarm und das ist tatsächlich kein Leistungskriterium für sie.

Normalerweise verursachen Keramikkondensatoren keine Leckprobleme, aber sie sind auch nicht die günstigsten, daher sind sie nicht die Standardauswahl für Anwendungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch wie Fernüberwachungen. Der beste Weg, um festzustellen, ob die von Ihnen gewählten Kondensatoren „leckresistent“ sind, besteht darin, die Anwendungshinweise für das Gerät zu lesen. Wenn die Leckresistenz nicht ausdrücklich erwähnt wird, ist es am besten, nach einem Kondensator zu suchen, der speziell als solcher gekennzeichnet ist.

Die PDS-Anforderungen für Geräte mit extrem niedrigem Stromverbrauch unterscheiden sich erheblich von Standard-PCB-Implementierungen. Diese Geräte zeichnen sich durch kleine Formfaktoren, hoch effizientes PDS-Design und die Eliminierung jeglicher potenzieller Energieverlustquellen aus.

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