Conception PDS pour des implémentations à ultra-faible consommation

Lorsqu'il s'agit de mises en œuvre à faible puissance, les produits sont caractérisés par le fait qu'ils ont très rarement des options à courant élevé, sont de petite taille, sont optimisés pour la gestion de l'énergie et nécessitent que les batteries durent le plus longtemps possible. Il existe un large éventail de produits qui répondent à ces critères, y compris, mais sans s'y limiter, les smartphones, les montres intelligentes, les dispositifs de surveillance à distance et les dispositifs médicaux pour n'en nommer que quelques-uns.

En termes de conception de PDS et de gestion de l'énergie, il y a quelques facteurs principaux qui sont inhérents à chaque produit caractérisé comme étant à ultra faible puissance : concevoir des PDS efficaces dans des géométries très petites, gérer la consommation d'énergie et conserver la durée de vie de la batterie. Dans certaines mises en œuvre de produits, comme les dispositifs de surveillance à distance, choisir les bons condensateurs pour les éliminer en tant que sources potentielles de drainage de puissance (en raison de fuites) est également un facteur critique. Cet article se concentre sur ces dynamiques.

Si vous ne l'avez pas encore lu, ce blog se concentre sur l'évolution des conceptions de PDS, les défis associés à celles-ci par rapport à la circulation de l'énergie, et l'impact de l'inductance et de la résistance en termes de dégradation des performances et constitue un bon point de départ pour explorer les Systèmes de Livraison de Puissance.

Tant de Fonctionnalités dans de Si Petits Produits

La technologie intelligente, mise en œuvre dans des formats compacts, est devenue tellement omniprésente dans notre quotidien qu'il est difficile d'imaginer une époque sans elle. De plus, l'évolution et la sophistication de la technologie contenue dans ces appareils se sont améliorées à tel point que nous sommes devenus désinvoltes quant à ce qu'il faut pour mettre en œuvre et faire fonctionner les différentes fonctionnalités des produits dont nous sommes devenus si dépendants.

Par exemple, la technologie qui entre en jeu lorsque vous tournez votre téléphone de la verticale à l'horizontale de sorte que l'écran reste aligné, est ce que nous avions l'habitude de désigner comme un superordinateur. Et il y a tellement de fonctionnalités dans un smartphone – quelques radios, une ou plusieurs caméras, l'écran, les processeurs à l'intérieur, et la mémoire – qui consomment de l'énergie, rendant difficile la gestion de toutes les différentes zones d'alimentation. Il est important de se rappeler que pour chaque rail d'alimentation dans un appareil, il y a un PDS et il n'est pas rare d'avoir 15-20 PDS dans un smartphone.

Ainsi, le principal travail pour un concepteur de PCB revient à déterminer comment avoir suffisamment de régions sur les cartes pour chaque rail d'alimentation, et comment trouver suffisamment de moyens pour segmenter les plans lorsque vous n'en avez pas tant que ça pour commencer.

Par exemple, l'iPhone 10 (iPhone X) possède deux PCB très fins. L'un comporte huit couches tandis que l'autre en a dix. Les deux cartes ont des composants des deux côtés et elles sont superposées l'une sur l'autre à l'intérieur du téléphone. Les circuits intégrés complexes n'ont aucun boîtier, ils sont tous en bump die. (Les bump die sont également connus sous le nom de Flip Chip ou connexion de puce à effondrement contrôlé (C4). C'est une méthode pour interconnecter les CI à des circuits externes avec des bosses de soudure et cela permet de connecter les CI aux cartes dans une zone très réduite).

Et, en raison de ces géométries serrées, il n'y a pas de place pour avoir une capacité de plan comme moyen de gérer le PDS. Toute la capacité est intégrée directement dans les CI. En réalité, l'expertise en conception requise pour développer ces produits est devenue très spécialisée et diffère grandement de la conception traditionnelle de PCB.

Gestion de l'alimentation

Alors, nous avons pris en compte deux des paramètres pour les produits à ultra-basse consommation : beaucoup de fonctionnalités dans un très petit espace et un nombre de PDS dans un seul appareil. En termes de gestion de l'énergie, un téléphone portable est conçu de telle manière que lorsqu'une fonction particulière n'est pas activée, elle est éteinte. Et c'est là que maîtriser le fonctionnement des PDS devient crucial.

En tant que concepteur, vous devez trouver comment gérer tous les principaux consommateurs d'énergie dans un téléphone de manière à ce qu'ils s'éteignent et s'allument au bon moment. Dans la plupart des smartphones, le plus grand consommateur d'énergie est la radio. Lorsque vous téléchargez des vidéos, des photos, de grandes quantités de données, etc., la radio est continuellement activée et la consommation d'énergie est élevée. Dans la gamme de consommation d'énergie moyenne à faible, il y a l'envoi de messages textes et le téléchargement de fichiers de données plus simples. À l'extrême bas de l'échelle de consommation d'énergie se trouve le « ping » qui a lieu entre votre appareil mobile et une tour de téléphonie mobile qui surveille en continu votre emplacement. En essence, le seul moment où votre téléphone portable ne consomme pas d'énergie à un certain niveau est lorsqu'il est complètement éteint.

Conservation de la batterie

Ensuite, nous abordons ce qui est probablement l'aspect le plus important des mises en œuvre de produits ultra-bas : faire durer la batterie le plus longtemps possible. Pour les smartphones, la durée de vie de la batterie est une caractéristique importante, mais pour d'autres produits tels que les dispositifs de surveillance à distance, la conservation de l'énergie est une nécessité absolue. Un exemple de ce type de produit serait un moniteur de ligne électrique qui est accroché aux grandes lignes de transmission. Dans la plupart des cas, l'exigence de performance pour ces dispositifs est telle que les batteries doivent durer au moins un an. Mais, si les condensateurs sont du mauvais type, ils peuvent fuir et les batteries seront déchargées bien plus tôt que souhaité.

Théoriquement, les condensateurs sont censés être des isolants parfaits. Mais, ce n'est pas le cas. Si des condensateurs sont utilisés dans une alimentation qui a 80 ampères, quelques microampères de fuite ne se manifestent pas ou ne posent pas tant de problèmes. Mais si une batterie doit avoir un cycle de vie d'un an, une fuite de condensateur, aussi petite soit-elle, peut devenir un problème majeur. Typiquement, les condensateurs sélectionnés pour les dispositifs à ultra-faible puissance ont été les mêmes que ceux utilisés comme condensateurs de dérivation (souvent des condensateurs au tantale). En règle générale, ceux-ci ne sont pas à faible fuite et ce n’est en fait pas un critère de performance pour eux.

Habituellement, les condensateurs céramiques ne posent pas de problèmes de fuite, mais ils ne sont pas non plus les moins chers, donc ils ne sont pas un choix par défaut pour les applications à ultra-basse consommation comme les moniteurs à distance. La meilleure façon de déterminer si les condensateurs que vous avez choisis sont « résistants aux fuites » est de lire les notes d'application pour le dispositif. Si la résistance aux fuites n'est pas précisée, il est préférable de rechercher un condensateur qui est spécifiquement identifié comme tel.

Les exigences PDS pour les dispositifs à ultra-basse consommation diffèrent significativement des implémentations PCB standard. Ces dispositifs se caractérisent par des facteurs de forme petits, une conception PDS très efficace et l'élimination de toute source potentielle de drainage de puissance.

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