Diseño de PDS para implementaciones de ultra-bajo consumo

En lo que respecta a las implementaciones de baja potencia, los productos se caracterizan por raramente ofrecer opciones de alta corriente, ser pequeños en tamaño, estar optimizados para la gestión de energía y tener la necesidad de que las baterías duren tanto como sea posible. Hay un amplio espectro de productos que caen bajo estos criterios, incluyendo, pero no limitado a, smartphones, relojes inteligentes, dispositivos de monitoreo remoto y dispositivos médicos, por nombrar algunos.

En términos de diseño de PDS y gestión de energía, hay algunos factores principales que son inherentes en cada producto que se caracteriza por ser de ultra baja potencia: diseñar PDS eficientes en geometrías muy pequeñas, gestionar el consumo de energía y conservar la vida útil de la batería. En algunas implementaciones de productos, como los dispositivos de monitoreo remoto, seleccionar los capacitores adecuados para eliminarlos como posibles fuentes de drenaje de energía (debido a fugas) también es un factor crítico. Este artículo se centra en estas dinámicas.

Si aún no lo has leído, este blog se enfoca en la evolución de los diseños de PDS, los desafíos asociados con ellos en relación a dónde fluye la energía, y el impacto de la inductancia y la resistencia en términos de degradación del rendimiento y es un buen punto de partida para explorar los Sistemas de Entrega de Energía.

Tanta Funcionalidad en Productos Tan Pequeños

La tecnología inteligente, implementada en formatos pequeños, se ha vuelto tan ubicua en nuestras vidas cotidianas que es difícil imaginar cuándo no la teníamos. Y, la evolución y sofisticación de la tecnología contenida dentro de estos dispositivos ha mejorado tanto que nos hemos vuelto despreocupados en términos de lo que se necesita para implementar y operar las diversas características de los productos de las cuales nos hemos vuelto tan dependientes.

Por ejemplo, la tecnología que entra en juego cuando giras tu teléfono de vertical a horizontal de tal manera que la pantalla permanece alineada, es lo que solíamos referirnos como una supercomputadora. Y hay tantas características en un smartphone—algunas radios, una o más cámaras, la pantalla, los procesadores internos y la memoria—que consumen energía, lo que representa un desafío para gestionar todas las diferentes zonas de energía. Es importante recordar que para cada riel de energía en un dispositivo hay un PDS y no es raro tener 15-20 PDSs en un smartphone.

Por lo tanto, el trabajo principal para un diseñador de PCB se reduce a averiguar cómo tener suficientes regiones en las placas para cada riel de energía, y cómo encontrar suficientes maneras de segmentar los planos cuando no se tienen tantos para empezar.

Por ejemplo, el iPhone 10 (iPhone X) tiene dos PCBs muy delgadas. Una es de ocho capas mientras que la otra es de diez. Ambas placas tienen componentes en ambos lados y las dos placas se sitúan una encima de la otra dentro del teléfono. Los ICs complejos no tienen paquetes en absoluto, todos son bump die. (Los bump die también son conocidos como Flip Chip o conexión de chip de colapso controlado (C4). Es un método para interconectar ICs a circuitos externos con protuberancias de soldadura y permite conectar ICs a placas en un área muy pequeña).

Y, debido a estas geometrías ajustadas, no hay espacio para tener capacitancia de plano como manera de gestionar el PDS. Toda la capacitancia está incorporada directamente en los ICs. En realidad, la experiencia de diseño que se requiere para desarrollar estos productos se ha vuelto muy especializada y es muy diferente del diseño tradicional de PCBs.

Gestión de Energía

Entonces, tenemos dos de los parámetros para productos de ultra-bajo consumo cubiertos: mucha funcionalidad en un espacio muy pequeño y un número de PDSs en cualquier dispositivo. En términos de gestión de energía, un teléfono celular está diseñado de tal manera que cuando una función particular no está siendo activada, se apaga. Y, ahí es donde conseguir que la operación de los PDS sea precisa es crucial.

Como diseñador, tienes que averiguar cómo manejar todos los principales consumidores de energía dentro de un teléfono de tal manera que se apaguen y enciendan en el momento adecuado. En la mayoría de los smartphones, el mayor consumidor de energía es la radio. Cuando estás subiendo videos, fotos, grandes cantidades de datos, etc., la radio está continuamente encendida y el consumo de energía es alto. En el rango de uso de energía medio a bajo, está el envío de mensajes de texto y la subida de archivos de datos más simples. En el extremo más bajo del uso de energía está el "ping" que ocurre entre tu dispositivo móvil y una torre de telefonía celular que monitorea continuamente tu ubicación. En esencia, el único momento en que tu teléfono celular no está consumiendo energía en algún nivel es cuando está completamente apagado.

Conservación de la Batería

A continuación, llegamos a lo que probablemente es el aspecto más importante de las implementaciones de productos ultra-bajos: hacer que la batería dure tanto como sea posible. Para los smartphones, la duración de la batería es una característica importante, pero para otros productos como los dispositivos de monitoreo remoto, la conservación de energía es una necesidad absoluta. Un ejemplo de este tipo de producto sería un monitor de línea eléctrica que se engancha en las grandes líneas de transmisión. En la mayoría de los casos, el requisito de rendimiento para estos dispositivos es tal que las baterías tienen que durar al menos un año. Pero, si los capacitores son del tipo incorrecto, pueden tener fugas y las baterías se descargarán mucho antes de lo deseado.

Teóricamente, los capacitores se supone que son perfectos aislantes. Pero, no lo son. Si se usan capacitores en una fuente de alimentación que tiene 80 amperios, unas pocas microamperios de fuga no se notan ni causan tantos problemas. Pero si una batería tiene que tener un ciclo de vida de un año, la fuga de los capacitores, por pequeña que sea, puede convertirse en un problema mayor. Típicamente, los capacitores seleccionados para dispositivos de ultra-bajo consumo han sido los mismos que se han utilizado como capacitores de desacople (a menudo capacitores de tantalio). Como regla, estos no son de baja fuga y en realidad no es un criterio de rendimiento para ellos.

Por lo general, los capacitores cerámicos no causan problemas de fuga, pero tampoco son los más económicos, por lo que no son una selección predeterminada para aplicaciones de ultra bajo consumo como los monitores remotos. La mejor manera de determinar si los capacitores que has elegido son "resistentes a fugas" es leer las notas de aplicación del dispositivo. Si la resistencia a fugas no está articulada, es mejor buscar un capacitor que esté específicamente identificado como tal.

Los requisitos de PDS para dispositivos de ultra bajo consumo difieren significativamente de las implementaciones de PCB estándar. Estos dispositivos se caracterizan por factores de forma pequeños, diseño de PDS altamente eficiente y eliminación de cualquier fuente potencial de drenaje de energía.

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