Gestion des réseaux d'alimentation - deuxième partie

Mon récent article de blog sur la gestion des réseaux de puissance a attiré un grand nombre de commentaires très intéressants et très informatifs. Cela a été réconfortant, pour moi, de voir autant de personnes s'impliquer dans la discussion. Toutes ces contributions m'ont aidé à apprécier à quel point le domaine de la gestion de l'énergie peut être vaste et complexe. C'est également, de toute évidence, un domaine d'une grande importance pour vous tous, quel que soit le type de conception que vous réalisez.

Beaucoup de ces commentaires offrent d'excellentes suggestions et idées. J'aimerais essayer de rassembler tout cela de manière cohérente et organisée, ce qui, je l'espère, indiquera une voie visible et utile à suivre.

Je souhaite aborder cela en définissant et classifiant d'abord mieux les problèmes qui doivent être résolus pour rendre la gestion de l'énergie moins « consommatrice d'énergie » (pardonnez le jeu de mots) pour vous. Ensuite, pour chaque problème ou classe de problèmes, je vais essayer de proposer quelques approches possibles de solutions, tout en essayant d'estimer l'effort de développement nécessaire pour les mettre en œuvre.

Les premiers types de problèmes sont élémentaires.

Chaque réseau électrique (l'ensemble des réseaux impliqués dans la fourniture d'énergie aux composants) devrait ultimement être connecté à une source externe d'énergie. Toute source externe d'énergie devrait également fournir de l'énergie quelque part. Sur un réseau électrique donné, les contraintes budgétaires de base doivent être respectées (l'énergie produite doit être supérieure ou égale à l'énergie consommée, les plages de tension de fonctionnement des dispositifs se connectant à un réseau commun doivent correspondre). De plus, là où les réseaux électriques interagissent avec les signaux (je fais référence aux résistances de tirage vers le haut et vers le bas), aucune erreur parasite ne devrait être générée, obscurcissant les véritables erreurs.

Viennent ensuite les problèmes de nature plus complexe.

Chaque budget de réseau électrique doit être géré avec précision afin de garantir que ce qui est fourni soit adéquatement distribué (pour le bon fonctionnement des différentes parties) et finalement collecté, dans toutes les circonstances de fonctionnement possibles. Ce qui préoccupe, c'est la quantité de courant fournie sous quelle tension (pour le côté alimentation), et comment elle est collectée et retournée.

Enfin, il y a les problèmes plus avancés.

En définitive, le PCB doit être conçu de manière à satisfaire physiquement les besoins en énergie des composants utilisés. Pour éviter le travail répétitif et les erreurs, ces contraintes de conception devraient être calculées automatiquement à partir des informations du schéma. Puis, pour vérifier que le résultat est adéquat, la conception finale du PCB devrait être simulée. Ces domaines de préoccupation incluent la conception des plans d'alimentation et de séparation, la gestion des itinéraires, la gestion de la chaleur, le stress des composants, etc.

Vérification simple de la connexion électrique

Pour le premier groupe de problèmes élémentaires, je pense qu'étant donné les moyens de définir un réseau électrique, ses nœuds et leurs caractéristiques de base, il devrait être relativement facile d'effectuer des vérifications élémentaires et de concentrer l'attention du concepteur sur les problèmes potentiels.

Les vérifications élémentaires auxquelles je pense sont :

• Il y a au moins un producteur d'énergie sur le réseau.
• La puissance produite sur le réseau est supérieure ou égale à la puissance consommée.
• Les plages de tension des appareils connectés au réseau doivent au moins se croiser.

La question importante est : quelle serait une manière pratique de mettre cela en œuvre ?

Premièrement, considérons la manière de « construire » un réseau électrique. Un réseau électrique n'est rien d'autre qu'un ensemble de réseaux impliqués dans la fourniture d'énergie aux parties qui en ont besoin.

Je trouve que les aperçus partiels sont un bon mécanisme pour atteindre le but de définir ceci.

Je comprends que la représentation graphique proposée dans le post précédent n'est pas adéquate, et je vois totalement les points soulevés - tels que précédemment dépeints, ils peuvent être confus, trompeurs et encombrer inutilement l'espace de conception.

Leur but principal est de communiquer que pour une intention donnée (ici, la définition du réseau électrique) deux réseaux devraient être considérés comme joints. Dans le cas de la gestion de l'énergie, ils agissent simplement comme des fils, et devraient donc être placés sur des parties qui n'affectent pas la tension de manière significative.

Cela devrait se refléter dans leur comportement et leur représentation graphique. À l'écran, ils ne devraient être visibles que de manière explicite - par exemple, lorsque la souris survole une broche concernée, et/ou selon certaines préférences ou configurations. La manière exacte dont ils pourraient apparaître (quand et s'ils sont visibles), je ne l'ai pas encore déterminée. Il devrait certainement être possible de les exclure des impressions et des sorties. De plus, ils permettront des relations un-à-plusieurs. Il sera possible de les placer soit dans une bibliothèque, soit dans un contexte de conception.

Examinons ensuite ce qui serait nécessaire pour définir les caractéristiques électriques de base sur un réseau électrique. Je comprends que remplacer le type de broche ‘Power’ par deux types ‘Power Supply’ et ‘Power Sink’, tout en intégrant les caractéristiques électriques dans les paramètres des broches, est une idée populaire. Cependant, cela me met mal à l'aise pour plusieurs raisons.

Tout d'abord, cela soulève la question de la mise à jour des données, tant dans un contexte de bibliothèque que de conception. Face à une broche d'alimentation «ancienne», un choix judicieux devrait être fait lors de l'utilisation du nouveau logiciel (était-elle destinée à être une source ou un puits ?). Compte tenu de la situation réelle d'aujourd'hui, il semble qu'il n'y ait pas de réponse facile. Le même problème existe pour la compatibilité ascendante et les données qui vont et viennent entre différentes versions du logiciel.

Deuxièmement, les opinions semblent diverger concernant la nomination et les concepts sous-jacents à ces types (source d'alimentation/puits, source de courant/puits, référence positive/négative...). Une certaine confusion pourrait également être introduite en ce qui concerne les alimentations négatives.

Il y a aussi la question des caractéristiques des pièces qui varient selon la manière dont elles sont utilisées dans diverses conceptions. Cela va des régulateurs ajustables à la puissance fournie par des connecteurs génériques. Modifier les broches des pièces elles-mêmes dans la conception est toujours une possibilité, mais c'est une approche risquée en ce qui concerne la gestion rigoureuse des données (par exemple lors de l'utilisation de Mise à jour à partir des bibliothèques, ou du Gestionnaire d'éléments de conception).

Je pense que ce qui est nécessaire ici pour avancer est un système plus flexible qui permet de déclarer les caractéristiques des broches de connexion de manière simple.

Dans cette perspective, j'aime l'idée du « Tagging » proposée par Ian. Un « Power Tag » est simplement une description de connexion. Il est défini par un type (Producteur ou Consommateur), une puissance nominale, une plage de tension et une description en texte libre. Lorsqu'il est placé sur une broche, il déclare les caractéristiques électriques de la broche. Il peut être placé soit dans un contexte de bibliothèque, soit dans un contexte de conception.

Ensuite, étant donné un réseau électrique, les vérifications de base peuvent facilement être effectuées :

• Les types de connexion permettent de vérifier l'absence de producteur ou de consommateur.
• Toute la puissance [produite] des producteurs peut être ajoutée, et toute la puissance [consommée] des consommateurs peut être ajoutée. Ces deux valeurs peuvent ensuite être comparées pour vérifier le déséquilibre du réseau électrique.
• Enfin, les plages de tension de chaque broche connectée au power tag peuvent être comparées pour vérifier une correspondance valide.

Les images suivantes illustrent l'approche globale décrite ci-dessus. Dans cet exemple, deux réseaux électriques sont définis : 5V0 et 3V3.

Une prise d'alimentation fournit 5V0 à l'ensemble du réseau. Directement dans le schéma (puisque cette situation est spécifique à la conception), un Power Tag décrit les caractéristiques de puissance de la broche de la prise d'alimentation qui est connectée au rail 5V0.

Un interrupteur permet d'activer et de désactiver l'alimentation. Puisque les réseaux +B et 5V0 font partie du même réseau d'alimentation, et sont en effet à la même tension, deux passages transparents sont ajoutés pour lier les broches 1 et 3, ainsi que les broches 3 et 2. Un interrupteur est toujours « transparent », donc ces passages auraient pu être ajoutés au symbole sch lui-même, dans une bibliothèque de schémas.

Ensuite, un régulateur réduit la tension du rail 5V0 à 3V3.

Le 5V0 est fourni à un amplificateur de puissance audio. Les étiquettes de puissance placées sur les broches décrivent leurs caractéristiques. La valeur de puissance consommée décrit le pire scénario. Cela peut être fait soit dans un environnement de bibliothèque de schémas, soit dans le schéma lui-même.

Le 3V3 est fourni à un contrôleur d'écran tactile, dont les caractéristiques des broches sont décrites par des étiquettes de puissance appropriées.

Ensuite, des vérifications simples de la puissance peuvent être effectuées sur le 5V0 :

Producteurs sur 5V0

Consommateurs sur 5V0

Sur ce réseau également, toutes les plages de tension correspondent (J19-1 fournit 5V0, tandis que U1-1 nécessite 2V7~6V0, et U26-2, 10 et 15 ont besoin de 4V5~5V0).

Sur 3V3, les mêmes vérifications peuvent être effectuées :

Producteurs sur 3V3

Consommateurs sur 3V3

Également sur le réseau 3V3, les plages de tensions de fonctionnement correspondent (3.2V~3.4V, 1.2V~ 3.4V, 2.7V~3.6V, 2.7V~3.6V)

Sur la base de cette approche révisée, je commence à voir un chemin clair vers la mise en œuvre d'une solution efficace qui aborde ces problèmes élémentaires, dans quelques mois.

Il devrait également être possible de mettre en évidence l'ensemble des réseaux électriques sur demande, avec une indication de leur exactitude.

De même, un mécanisme simple de regroupement des producteurs, en utilisant un indice de groupe dans l'Étiquette d'Alimentation, nous permettra d'indiquer quels producteurs seront actifs en même temps (et devraient donc être additionnés), pour des systèmes d'alimentation redondants par exemple. Le système peut prendre cela en considération lors de l'exécution des vérifications.

Gestion et analyse avancées de l'alimentation

Je voudrais également aborder le problème plus complexe de la gestion assistée du budget d'alimentation.

Je comprends qu'un outil très utile serait celui qui, étant donné les caractéristiques électriques complètes des composants impliqués et la manière dont ils sont connectés ensemble, pourrait faire tous les calculs et rapporter si toutes les contraintes déclarées sont satisfaites, à tout moment. Je suis d'accord avec cette vision.

Pour mettre cela en œuvre de manière satisfaisante, il faudrait intégrer le moteur de simulation Spice, ce qui est évidemment possible.

En plus du poids que représente l'ajout des modèles de simulation adéquats aux bibliothèques et aux conceptions, je ne suis pas encore sûr que tous les cas possibles puissent être couverts de manière fiable. La consommation d'énergie de nombreux appareils dépend de la manière dont ils fonctionnent réellement sur le terrain. Pour prendre cela en compte, le moteur de simulation Spice devrait être équipé de moyens pour tenir compte de la manière dont les appareils sont programmés, et de la manière dont ces appareils programmés interagissent avec leur environnement.

Cela semble être un projet très excitant, mais qui s'inscrit dans une perspective à long terme. Cela me semble être quelque chose qui mérite une réflexion plus approfondie, une investigation et dont il faudrait parler - possiblement dans un futur article de blog !

Enfin, les sujets avancés de génération automatique de règles et de simulation finale de conception semblent tout aussi utiles s'ils pouvaient être effectivement abordés. Cependant, le chemin vers leur mise en œuvre finale semble encore plus incertain.

En termes de génération automatique de règles, un certain nombre de problèmes architecturaux devraient être résolus dans le logiciel, comme la capacité de définir une règle binaire au niveau schématique par exemple. Ensuite, les directives pour la génération automatique de règles devraient être clairement étudiées et définies, avec possiblement, de nouvelles règles introduites au niveau du PCB.

De plus, dans le monde de la simulation du résultat final, une toute nouvelle technologie devrait être développée ou acquise. Un certain nombre d'étapes stratégiques devraient d'abord être franchies afin d'aborder ces aspects de manière efficace.

Ce post a été plutôt long, mais je pense que l'intérêt exprimé pour ce sujet nécessitait une analyse minutieuse, ainsi qu'une réponse tout aussi détaillée et honnête. Mon objectif est de tracer clairement un chemin vers une solution utile qui peut être déployée efficacement en l'espace de quelques mois.

Même pour la solution élémentaire que j'ai proposée, certains apports seraient très utiles.

Par exemple, je continue à parler de « réseau électrique », mais je trouve le terme au mieux ambigu. Ici, nous avons utilisé le terme « ligne électrique ». Qu'en pensez-vous ?

De plus, la représentation graphique d'une partie en transparence et les Power Tags nécessiteront certainement une considération très attentive. Ce qui est dessiné dans l'illustration ci-dessus n'est qu'un brouillon. Vos suggestions seront plus que bienvenues.

Comme toujours, j'aimerais beaucoup lire vos pensées et idées ici.

Veuillez les poster dans la section des commentaires ci-dessous.