PDS超低消費電力実装のための設計

低消費電力の実装において、製品は非常にまれに高電流オプションを持つことが特徴付けられ、小さいサイズで、電力管理に最適化され、バッテリーの持続時間が可能な限り長くなければならないという必要性があります。これらの基準に該当する製品には、スマートフォン、スマートウォッチ、遠隔監視デバイス、医療デバイスなどがありますが、これに限定されません。

PDS設計と電力管理に関しては、超低消費電力として特徴付けられるすべての製品に固有のいくつかの主要な要因があります：非常に小さいジオメトリで効率的なPDSを設計すること、電力消費を管理し、バッテリー寿命を節約すること。遠隔監視デバイスなどの製品実装では、リークによる電力ドレインの潜在的な原因としてキャパシタを排除するために適切なキャパシタを選択することも重要な要因です。この記事はこれらのダイナミクスに焦点を当てています。

まだ読んでいない場合は、このブログはPDS設計の進化、それに関連する課題、電力が流れる場所、インダクタンスと抵抗が性能劣化に与える影響に焦点を当てており、電力供給システムを探求する良い出発点です。

こんなに小さい製品にこんなに多くの機能

スマートテクノロジーは、小型フォームファクタで実装され、私たちの日常生活において非常に普及しているため、それがなかった時代を想像することが難しくなっています。そして、これらのデバイス内に含まれる技術の進化と洗練度は、私たちが依存しているさまざまな製品機能を実装し、操作することがどれほど大変かという点において、私たちが軽視するほどに飛躍的に向上しました。

例えば、携帯電話を縦から横に回転させたときに画面が整列したままでいる技術は、かつて私たちがスーパーコンピュータと呼んでいたものです。そして、スマートフォンには多くの機能があります。いくつかのラジオ、1つ以上のカメラ、画面、内部のプロセッサ、そして電力を消費するメモリがあり、さまざまな電力ゾーンを管理することは課題となります。デバイスにある各電力レールにはPDSがあり、スマートフォンに15-20のPDSがあることは珍しくありません。

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したがって、PCBデザイナーの主な仕事は、各電力レールのためにボード上に十分な領域を持つ方法と、始めるときにそれほど多くない平面を分割する十分な方法を見つけることになります。

たとえば、iPhone 10（iPhone X）には、非常に薄いPCBが2枚あります。一方は8層で、もう一方は10層です。両方のボードには両面にコンポーネントがあり、これら2枚のボードは電話の内部で互いに重なっています。複雑なICには、パッケージがまったくなく、すべてがバンプダイです。（バンプダイは、フリップチップや制御崩壊チップ接続（C4）としても知られています。これは、はんだバンプを使用してICを外部回路に接続する方法であり、非常に小さなエリアでICをボードに接続することを可能にします）。

そして、これらの狭い幾何学的形状のために、PDSを管理する方法として平面キャパシタンスを持つ余地がありません。すべてのキャパシタンスはICに直接組み込まれています。実際には、これらの製品を開発するために必要な設計の専門知識は非常に特殊化されており、従来のPCB設計とは大きく異なります。

電力管理

では、超低消費電力製品に必要なパラメーターの2つ—非常に小さなスペースに多くの機能を持たせることと、1つのデバイスに複数のPDSを持つこと—が考慮されました。電力管理の観点から見ると、携帯電話は特定の機能がアクティブでない時にはオフになるように設計されています。そして、PDSの操作を正確に行うことが重要です。

設計者としては、電話内の主要な電力消費者をすべて管理し、適切なタイミングでオンとオフを切り替える方法を見つけ出さなければなりません。ほとんどのスマートフォンでは、最も電力を消費するのは無線です。動画、写真、大量のデータなどをアップロードするとき、無線は連続してオンになり、電力消費が高くなります。中から低電力使用範囲では、テキストメッセージの送信やよりシンプルなデータファイルのアップロードがあります。電力使用の極端に低い端には、モバイルデバイスと携帯電話の基地局との間で行われる「ピンギング」があり、これはあなたの位置を連続的に監視します。本質的に、携帯電話が何らかのレベルで電力を消費していない唯一の時は、完全に電源が切れている時です。

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バッテリーの保存

次に、超低消費電力製品の実装においておそらく最も重要な側面について触れます。それは、バッテリーの持続時間を可能な限り長くすることです。スマートフォンにとってバッテリー寿命は重要な特徴ですが、リモートモニタリングデバイスなどの他の製品にとっては、電力の節約が絶対的な必要性です。このタイプの製品の例としては、大きな送電線にクリップされる電力線モニターがあります。ほとんどの場合、これらのデバイスの性能要件は、バッテリーが少なくとも1年間持続することです。しかし、キャパシタが間遍なタイプである場合、漏れてしまい、バッテリーが望むよりもずっと早く放電されてしまいます。

理論的には、キャパシタは完璧な絶縁体であるとされています。しかし、実際にはそうではありません。キャパシタが80アンペアの電源で使用される場合、数マイクロアンペアの漏れは現れず、それほど問題を引き起こしません。しかし、バッテリーが1年の寿命を持たなければならない場合、どんなに小さなキャパシタの漏れも大きな問題になり得ます。通常、超低消費電力デバイスに選択されるキャパシタは、バイパスキャパシタとして使用されてきたものと同じです（しばしばタンタルキャパシタ）。原則として、これらは低漏れではなく、実際にはそれが性能基準ではありません。

通常、セラミックコンデンサは漏れ問題を引き起こすことはありませんが、最も安価な選択肢でもないため、リモートモニターのような超低消費電力アプリケーションのデフォルトの選択項目ではありません。選択したコンデンサが「漏れにくい」とされているかどうかを判断する最良の方法は、デバイスのアプリケーションノートを読むことです。漏れにくさが明記されていない場合は、そのように特定されているコンデンサを探すのが最善です。

超低消費電力デバイスのPDS要件は、標準的なPCB実装とは大きく異なります。これらのデバイスは、小型フォームファクター、高効率のPDS設計、および潜在的な電力消耗源の排除によって特徴づけられます。

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