Progettazione PDS per implementazioni a ultra-basso consumo

Quando si tratta di implementazioni a basso consumo, i prodotti sono caratterizzati come aventi molto raramente opzioni ad alta corrente, essendo di piccole dimensioni, ottimizzati per la gestione dell'energia e con la necessità che le batterie durino il più a lungo possibile. Esiste un ampio spettro di prodotti che rientrano in questi criteri, inclusi, ma non limitati a, smartphone, smartwatch, dispositivi di monitoraggio remoto e dispositivi medici, solo per citarne alcuni.

In termini di progettazione PDS e gestione dell'energia, ci sono alcuni fattori principali che sono intrinseci in ogni prodotto caratterizzato come ultra a basso consumo: progettare PDS efficienti in geometrie molto piccole, gestire il consumo di energia e conservare la durata della batteria. In alcune implementazioni di prodotto, come i dispositivi di monitoraggio remoto, selezionare i condensatori giusti per eliminarli come potenziali fonti di scarico di energia (a causa delle perdite) è anche un fattore critico. Questo articolo si concentra su queste dinamiche.

Se non l'hai ancora letto, questo blog si concentra sull'evoluzione dei progetti PDS, le sfide associate ad essi relativamente a dove fluisce l'energia, e l'impatto dell'induttanza e della resistenza in termini di degradazione delle prestazioni ed è un buon punto di partenza per esplorare i Sistemi di Alimentazione.

Tanta Funzionalità in Prodotti così Piccoli

La tecnologia intelligente, implementata in piccoli formati, è diventata così ubiqua nella nostra vita quotidiana che è difficile immaginare quando non l'avevamo. E, l'evoluzione e la sofisticazione della tecnologia contenuta in questi dispositivi è migliorata a tal punto che siamo diventati superficiali in termini di ciò che è necessario per implementare e operare le varie funzionalità dei prodotti di cui siamo diventati così dipendenti.

Ad esempio, la tecnologia che entra in gioco quando ruoti il telefono da verticale a orizzontale in modo tale che lo schermo rimanga allineato, è ciò che una volta definivamo un supercomputer. E ci sono così tante funzionalità in uno smartphone—alcune radio, una o più telecamere, lo schermo, i processori interni e la memoria—che consumano energia, rendendo una sfida gestire tutte le varie zone di alimentazione. È importante ricordare che per ogni linea di alimentazione in un dispositivo c'è un PDS e non è raro avere 15-20 PDS in uno smartphone.

Quindi, il compito principale per un progettista di PCB si riduce a capire come avere abbastanza regioni sulle schede per ogni linea di alimentazione e come trovare abbastanza modi per segmentare i piani quando non se ne hanno molti a disposizione.

Ad esempio, l'iPhone 10 (iPhone X) ha due PCB molto sottili. Uno è di otto strati mentre l'altro è di dieci. Entrambe le schede hanno componenti su entrambi i lati e le due schede si sovrappongono una sull'altra all'interno del telefono. I complessi IC non hanno affatto package su di loro, sono tutti bump die. (I bump die sono anche noti come Flip Chip o connessione a chip collasso controllato (C4). È un metodo per interconnettere gli IC a circuiti esterni con bump di saldatura e permette di collegare gli IC alle schede in un'area molto piccola).

E, a causa di queste geometrie ristrette, non c'è spazio per avere la capacitanza del piano come modo di gestire il PDS. Tutta la capacitanza è integrata direttamente negli IC. In realtà, l'esperienza di progettazione richiesta per sviluppare questi prodotti è diventata molto specializzata ed è molto diversa dal tradizionale design dei PCB.

Gestione dell'Alimentazione

Quindi, abbiamo due dei parametri per i prodotti a ultra-basso consumo energetico presi in considerazione: molta funzionalità in uno spazio molto piccolo e un numero di PDS in un singolo dispositivo. In termini di gestione dell'energia, un cellulare è progettato in modo tale che quando una determinata funzione non viene attivata, essa viene spenta. Ed è qui che diventa cruciale avere un'operazione PDS ben definita.

Come progettista, devi capire come gestire tutti i principali consumatori di energia all'interno di un telefono in modo che si spengano e si accendano al momento giusto. Nella maggior parte degli smartphone, il maggior consumatore di energia è la radio. Quando carichi video, immagini, grandi quantità di dati, ecc., la radio è continuamente accesa e il consumo di energia è elevato. Nella gamma di utilizzo di energia medio-bassa, ci sono la messaggistica testuale e il caricamento di file di dati più semplici. All'estremo inferiore dell'uso di energia c'è il "ping" che avviene tra il tuo dispositivo mobile e una torre di telefonia mobile che monitora continuamente la tua posizione. In sostanza, l'unico momento in cui il tuo cellulare non consuma energia a qualche livello è quando è completamente spento.

Conservazione della Batteria

Successivamente, arriviamo a quello che probabilmente è l'aspetto più importante delle implementazioni di prodotti ultra-low: far durare la batteria il più a lungo possibile. Per gli smartphone, la durata della batteria è una caratteristica importante, ma per altri prodotti come i dispositivi di monitoraggio remoto, il risparmio energetico è una necessità assoluta. Un esempio di questo tipo di prodotto potrebbe essere un monitor della linea elettrica che viene agganciato alle grandi linee di trasmissione. Nella maggior parte dei casi, il requisito di prestazione per questi dispositivi è tale che le batterie devono durare almeno un anno. Ma, se i condensatori sono del tipo sbagliato, possono perdere e le batterie si scaricheranno molto prima del previsto.

Teoricamente, i condensatori dovrebbero essere perfetti isolanti. Ma non lo sono. Se i condensatori vengono utilizzati in un'alimentazione che ha 80 ampere, qualche microampere di perdita non si nota o non causa molti problemi. Ma se una batteria deve avere un ciclo di vita di un anno, la perdita del condensatore, per quanto piccola, può diventare un problema maggiore. Tipicamente, i condensatori selezionati per dispositivi a potenza ultra-bassa sono stati gli stessi che sono stati utilizzati come condensatori di bypass (spesso condensatori al tantalio). Di regola, questi non sono a bassa perdita ed effettivamente non è un criterio di prestazione per loro.

Di solito, i condensatori ceramici non causano problemi di perdita, ma non sono neanche i meno costosi, quindi non sono una scelta predefinita per applicazioni a ultra-basso consumo come i monitor remoti. Il modo migliore per determinare se i condensatori che hai scelto sono "resistenti alle perdite" è leggere le note applicative del dispositivo. Se la resistenza alle perdite non è esplicitata, è meglio cercare un condensatore che sia specificamente identificato come tale.

I requisiti PDS per dispositivi a ultra-basso consumo differiscono significativamente dalle implementazioni PCB standard. Questi dispositivi sono caratterizzati da fattori di forma ridotti, design PDS altamente efficiente ed eliminazione di qualsiasi potenziale fonte di consumo energetico.

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