전력 네트워크 관리 - 2부

최근 제가 작성한 전력망 관리에 관한 블로그 게시물이 매우 흥미롭고 유익한 댓글을 대량으로 유치했습니다. 이렇게 많은 사람들이 토론에 참여하는 것을 보며 마음이 따뜻해졌습니다. 이러한 모든 기여는 전력 관리 분야가 얼마나 광범위하고 복잡할 수 있는지를 깨닫게 해주었습니다. 여러분이 하시는 디자인 유형에 관계없이 분명히 모두에게 매우 중요한 영역임이 분명합니다.

이러한 댓글 중 많은 것들이 훌륭한 제안과 아이디어를 제공합니다. 이 모든 것을 일관되고 조직적인 방식으로 정리하여, 보이고 유용한 방향을 제시하고자 합니다.

이 문제를 접근하는 방식을 먼저 문제를 더 잘 정의하고 분류함으로써 시작하고자 합니다. 이는 전력 관리를 여러분에게 '에너지 소비'가 덜 되게 만들기 위해 해결해야 할 문제들입니다(농담을 용서해 주세요). 그런 다음 각 문제나 문제의 범주에 대해 가능한 해결 방안을 제안하려고 하며, 이를 구현하는 데 드는 개발 노력을 추정해 보려고 합니다.

첫 번째 유형의 문제는 기초적입니다.

각 전력 네트워크(구성 요소에 전력을 제공하는 데 관련된 넷의 집합)는 궁극적으로 어떤 외부 전원에 연결되어야 합니다. 모든 외부 전원도 어딘가에 전력을 공급해야 합니다. 주어진 전력 네트워크에서는 기본적인 예산 제약 조건이 존중되어야 합니다(생산되는 전력은 소비되는 전력보다 크거나 같아야 하며, 공통 넷에 연결되는 장치의 작동 전압 범위가 일치해야 합니다). 또한 전력 네트워크가 신호와 상호 작용할 때(풀업과 풀다운을 참조)는 실제 오류를 가리는 잘못된 오류가 발생해서는 안 됩니다.

그 다음에는 더 복잡한 성격의 문제가 있습니다.

각 전력 네트워크 예산은 정확하게 관리되어야 하며, 공급된 것이 적절히 분배되어(다양한 부품이 제대로 기능하도록) 최종적으로 모든 가능한 운영 상황에서 수집되도록 해야 합니다. 관심사는 공급 측면에서 어떤 전압 아래에서 얼마나 많은 전류가 제공되는지, 그리고 어떻게 수집되어 반환되는지입니다.

마지막으로, 더 고급 문제들이 있습니다.

결국 PCB는 사용된 부품의 전력 요구 사항을 물리적으로 만족시키는 방식으로 설계되어야 합니다. 반복 작업과 오류를 피하기 위해, 이러한 설계 제약 조건은 회로도 정보에서 자동으로 계산되어야 합니다. 그런 다음 결과가 적절한지 확인하기 위해 최종 PCB 설계를 시뮬레이션해야 합니다. 이러한 관심 영역에는 전력 및 분할 평면 설계, 경로 관리, 열 관리, 부품 스트레스 등이 포함됩니다.

간단한 전력 연결 검사

기본적인 문제의 첫 번째 그룹에 대해, 전력 네트워크, 그 노드들과 그들의 기본적인 특성을 정의하는 수단이 주어진다면, 기본적인 검사를 수행하여 설계자의 주의를 잠재적인 문제에 집중시키는 것이 상대적으로 쉬울 것이라고 생각합니다.

제가 생각하는 기본적인 검사는 다음과 같습니다:

• 네트워크에는 적어도 하나의 전력 생산자가 있어야 합니다.
• 네트워크에서 생산되는 전력은 소비되는 전력보다 크거나 같습니다.
• 네트워크에 연결된 장치의 전압 범위는 적어도 교차해야 합니다.

중요한 질문은 이것을 실제로 구현하는 실용적인 방법이 무엇일까요?

먼저, 전력 네트워크를 '구축'하는 방법을 고려해 봅시다. 전력 네트워크는 단순히 필요한 부품에 전력을 제공하는 네트의 집합입니다.

부분 투시도를 정의하는 목적을 달성하기 위한 좋은 메커니즘으로 생각합니다.

이전 게시물에서 제안된 그래픽 표현이 적절하지 않다는 것을 이해하며, 이전에 묘사된 대로 혼란스럽고, 오해의 소지가 있으며, 디자인 공간을 불필요하게 혼잡하게 만든다는 점을 완전히 이해합니다.

그들의 주요 목적은 특정 의도(여기서는 전력 네트워크 정의)에 대해 두 네트가 결합되어야 한다는 것을 전달하는 것입니다. 전력 관리의 경우, 그들은 단순히 전선으로 작용하며, 따라서 전압에 크게 영향을 주지 않는 부품에 배치되어야 합니다.

이것은 그들의 행동과 그래픽 표현에 반영되어야 합니다. 화면상에서는 명시적인 방식으로만 보여야 합니다 - 예를 들어, 관련된 핀 위에 마우스가 올라갔을 때, 그리고/또는 어떤 선호도나 설정에 따라서요. 그러나 어떻게 보일지(만약 전혀 보인다면), 아직 결정하지 못했습니다. 분명히 출력물이나 결과물에서 제외할 수 있어야 합니다. 또한 일대다 관계를 허용할 것입니다. 라이브러리나 디자인 컨텍스트에 배치할 수 있을 것입니다.

그럼 전력망에 기본 전기적 특성을 정의하는 데 필요한 것이 무엇인지 살펴봅시다. ‘전력’ 핀 유형을 ‘전원 공급’과 ‘전원 수신’ 유형으로 대체하고 핀 매개변수에 전기적 특성을 포함시키는 것이 인기 있는 아이디어라는 것을 이해합니다. 하지만, 이는 여러 가지 이유로 저를 불편하게 합니다.

먼저, 라이브러리와 디자인 맥락에서 데이터 업데이트 문제를 제기합니다. '오래된' 전원 핀이 주어졌을 때, 새 소프트웨어에서는 공급원인지, 수용체인지를 결정해야 할 필요가 있습니다(공급이 의도된 것인지, 아니면 수용체였는지?). 오늘날의 실제 상황을 볼 때, 쉬운 답은 없어 보입니다. 같은 문제가 이전 버전 간의 호환성과 다양한 버전의 소프트웨어 간에 오고 가는 데이터에도 존재합니다.

둘째로, 이러한 유형(전원 공급/수용, 전류 공급/수용, 양/음 참조...)에 대한 명명법과 기본 개념에 대해 의견이 엇갈립니다. 음의 전원 공급에 대해서도 혼란이 생길 수 있습니다.

또한, 다양한 디자인에서 사용되는 방식에 따라 부품 특성이 달라지는 문제도 있습니다. 이는 조절 가능한 레귤레이터부터 일반 커넥터에 의해 제공되는 전력에 이르기까지 다양합니다. 디자인에서 부품 핀 자체를 수정하는 것은 항상 가능성이 있지만, 엄격한 데이터 관리(예: 라이브러리에서 업데이트하거나 디자인 항목 관리자를 사용하는 경우)와 관련하여 위험한 접근 방식입니다.

여기서 앞으로 나아가기 위해 필요한 것은 연결 핀 특성을 간단하게 선언할 수 있는 더 유연한 시스템이라고 생각합니다.

이 관점에서 저는 Ian이 제안한 '태깅(Tagging)'이라는 아이디어가 마음에 듭니다. '파워 태그(Power Tag)'는 단순히 연결 설명입니다. 이는 유형(생산자 또는 소비자), 전력 등급, 전압 범위 및 자유 텍스트 설명으로 정의됩니다. 핀에 배치되면 핀의 전기적 특성을 선언합니다. 라이브러리 컨텍스트나 디자인 컨텍스트에서 배치될 수 있습니다.

그런 다음, 전력 네트워크가 주어지면 기본 검사를 쉽게 수행할 수 있습니다:

• 연결 유형을 통해 생산자 또는 소비자의 부재를 확인할 수 있습니다.
• 모든 생산자의 전력 [생산된]을 더하고, 모든 소비자의 전력 [소비된]을 더할 수 있습니다. 이 두 값은 전력 네트워크의 불균형을 확인하기 위해 비교될 수 있습니다.
• 마지막으로 각 연결된 핀 파워 태그의 전압 범위를 비교하여 유효한 일치 여부를 확인할 수 있습니다.

다음 이미지는 위에서 설명한 전반적인 접근 방식을 보여줍니다. 이 예에서는 두 개의 전력 네트워크가 정의됩니다: 5V0 및 3V3.

파워 잭은 전체 네트워크에 5V0을 제공합니다. 구체적인 디자인 상황에서 스키매틱에 직접 파워 태그가 5V0 레일에 연결된 파워 잭 핀의 전력 특성을 설명합니다.

스위치는 전원을 켜고 끌 수 있습니다. +B와 5V0 네트가 동일한 전원 네트워크의 일부이며 실제로 같은 전압에 있기 때문에, 핀 1과 3, 그리고 핀 3과 2를 연결하기 위해 두 개의 투명 연결이 추가됩니다. 스위치는 항상 ‘투명’하므로, 이러한 투명 연결은 스키매틱 라이브러리에서 스키마 심볼 자체에 추가될 수 있습니다.

그런 다음, 레귤레이터가 5V0 레일을 3V3으로 낮춥니다.

5V0는 오디오 파워 앰프에 전달됩니다. 핀에 배치된 파워 태그는 그 특성을 설명합니다. 소비 전력 값은 최악의 경우를 설명합니다. 이는 스키매틱 라이브러리 환경에서나 스키마 자체에서 수행될 수 있습니다.

3V3는 터치 스크린 컨트롤러에 전달되며, 그 핀 특성은 적절한 파워 태그로 설명됩니다.

그런 다음 5V0에서 간단한 전력 검사를 수행할 수 있습니다:

5V0의 생산자

5V0의 소비자

이 네트워크에서도 모든 전압 범위가 일치합니다(J19-1은 5V0을 제공하며, U1-1은 2V7~6V0이 필요하고, U26-2, 10, 15는 4V5~5V0이 필요합니다).

3V3에서도 동일한 검증을 수행할 수 있습니다:

3V3에서 생산하는 기기

3V3에서 소비하는 기기

또한 3V3 네트워크에서는 운영 전압 범위가 일치합니다(3.2V~3.4V, 1.2V~ 3.4V, 2.7V~3.6V, 2.7V~3.6V)

이 개정된 접근 방식을 바탕으로 몇 개월 내에 이러한 기본적인 문제들을 해결하는 효과적인 솔루션의 구현으로 나아가는 명확한 길을 보기 시작했습니다.

요구에 따라 전체 전력 네트워크를 강조 표시할 수 있어야 하며, 그 정확성에 대한 어떤 지시도 가능해야 합니다.

마찬가지로, 전력 태그의 그룹 인덱스를 사용하여 생산자들을 함께 그룹화하는 간단한 메커니즘은 예를 들어 중복 전력 시스템의 경우 동시에 활성화될 생산자를 지시할 수 있게 해줄 것입니다(그래서 합산되어야 합니다). 시스템은 검사를 실행하는 동안 이를 고려할 수 있습니다.

고급 전력 관리 및 분석

또한, 보조 전력 예산 관리의 더 복잡한 문제를 다루고 싶습니다.

관련된 구성 요소의 전체 전기적 특성과 그것들이 어떻게 연결되어 있는지를 고려하여, 모든 수학적 계산을 수행하고 모든 선언된 제약 조건이 언제나 만족되는지를 보고할 수 있는 도구가 매우 유용할 것이라는 점을 이해합니다. 이 견해에 동의합니다.

그것을 어떤 만족스러운 방식으로 구현하기 위해서는, Spice 시뮬레이션 엔진을 도입해야 할 것이며, 이는 분명히 가능합니다.

라이브러리와 디자인에 적절한 시뮬레이션 모델을 추가하는 것의 무게 외에도, 모든 가능한 경우를 신뢰할 수 있게 커버할 수 있는지 아직 확신이 서지 않습니다. 많은 장치의 전력 소비는 실제 현장에서 어떻게 작동하는지에 따라 달라집니다. 이를 수용하기 위해서는, Spice 시뮬레이션 엔진이 장치가 프로그래밍되는 방식과 이러한 프로그래밍된 장치가 환경과 어떻게 상호작용하는지를 고려할 수 있는 수단을 갖추어야 합니다.

이것은 매우 흥미로운 프로젝트처럼 들리지만, 장기적인 관점에서 들어맞는 것 같습니다. 저에게는 더 깊이 생각하고, 조사하며, 이야기할 가치가 있는 것처럼 느껴집니다 - 아마도 미래의 블로그 포스트에서!

마지막으로, 자동 규칙 생성과 최종 디자인 시뮬레이션의 고급 주제는 효과적으로 다룰 수 있다면 마찬가지로 유용해 보입니다. 그러나, 그들의 최종 구현으로 가는 길은 더욱 불투명해 보입니다.

자동 규칙 생성 측면에서는, 예를 들어 회로도 수준에서 이진 규칙을 정의할 수 있는 능력과 같은 소프트웨어의 여러 건축적 문제가 해결되어야 합니다. 그런 다음 자동 규칙 생성을 위한 지침이 명확히 조사되고 정의되어야 하며, PCB 수준에서 새로운 규칙이 도입될 가능성도 있습니다.

또한, 최종 결과의 시뮬레이션 세계에서는 완전히 새로운 기술이 개발되거나 획득되어야 할 것입니다. 이러한 측면을 효과적으로 다루기 위해서는 먼저 여러 전략적 단계를 밟아야 합니다.

이 글이 다소 길었지만, 이 주제에 대한 관심이 신중한 분석과 마찬가지로 상세하고 정직한 답변을 요구했다고 생각합니다. 제 목표는 몇 개월 안에 효과적으로 배포할 수 있는 유용한 해결책으로의 길을 명확하게 제시하는 것입니다.

제가 제안한 기본적인 해결책에 대해서도 어떤 입력이 매우 도움이 될 것입니다.

예를 들어, 저는 계속해서 '전력 네트워크'에 대해 이야기하지만, 이 용어를 최선이라고는 할 수 없습니다. 여기서 우리는 '전력선'이라는 용어를 던졌습니다. 여러분의 생각은 어떠신가요?

또한, 부분적으로 투명한 그래픽 표현과 전력 태그는 매우 신중한 고려가 필요할 것입니다. 위의 일러스트레이션에 그려진 것은 단지 초안에 불과합니다. 여러분의 제안을 환영합니다.

항상 그렇듯이 여러분의 생각과 아이디어를 여기서 읽고 싶습니다.

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