Projektowanie PDS dla implementacji o ultraniskim poborze mocy

Jeśli chodzi o implementacje o niskim poborze mocy, produkty charakteryzują się bardzo rzadko występującymi opcjami wysokiego prądu, małymi rozmiarami, optymalizacją zarządzania energią oraz koniecznością, aby baterie działały jak najdłużej. Istnieje szerokie spektrum produktów, które spełniają te kryteria, w tym, ale nie ograniczając się do, smartfonów, inteligentnych zegarków, urządzeń do zdalnego monitorowania i urządzeń medycznych, aby wymienić tylko kilka.

Jeśli chodzi o projektowanie PDS i zarządzanie energią, istnieje kilka głównych czynników, które są nieodłączne dla każdego produktu charakteryzowanego jako ultra niskopoborowy: projektowanie efektywnych PDS w bardzo małych geometriach, zarządzanie zużyciem energii i zachowanie żywotności baterii. W niektórych implementacjach produktów, takich jak urządzenia do zdalnego monitorowania, wybór odpowiednich kondensatorów, aby wyeliminować je jako potencjalne źródła wycieku mocy, jest również kluczowym czynnikiem. Ten artykuł koncentruje się na tych dynamikach.

Jeśli jeszcze tego nie przeczytałeś, ten blog skupia się na ewolucji projektów PDS, wyzwaniach z nimi związanych w kontekście przepływu mocy oraz wpływie indukcyjności i oporu na degradację wydajności i jest dobrym punktem wyjścia do eksploracji Systemów Dostarczania Energii.

Tyle funkcjonalności w tak małych produktach

Inteligentna technologia, zaimplementowana w małych formach, stała się tak wszechobecna w naszym codziennym życiu, że trudno jest sobie wyobrazić czas, kiedy jej nie było. A ewolucja i zaawansowanie technologii zawartej w tych urządzeniach poprawiły się tak bardzo, że zaczęliśmy lekceważyć, co jest potrzebne do wdrożenia i obsługi różnych funkcji produktów, od których staliśmy się tak zależni.

Na przykład, technologia, która wchodzi w grę, gdy obracasz telefon z pionu na poziom tak, aby ekran pozostał wyrównany, to to, co kiedyś nazywaliśmy superkomputerem. A w smartfonie jest tak wiele funkcji - kilka radii, jedna lub więcej kamer, ekran, procesory wewnątrz i pamięć - które zużywają energię, co sprawia, że zarządzanie wszystkimi różnymi strefami zasilania jest wyzwaniem. Ważne jest, aby pamiętać, że dla każdej szyny zasilającej w urządzeniu istnieje PDS i nie jest rzadkością posiadanie 15-20 PDSów w smartfonie.

W związku z tym głównym zadaniem dla projektanta PCB sprowadza się do tego, jak zapewnić wystarczającą liczbę regionów na płytach dla każdej szyny zasilającej, oraz jak znaleźć wystarczającą liczbę sposobów na segmentację płaszczyzn, gdy nie ma się ich zbyt wiele na początku.

Na przykład iPhone 10 (iPhone X) posiada dwie bardzo cienkie płytki PCB. Jedna ma osiem warstw, a druga dziesięć. Obie płytki mają komponenty po obu stronach, a dwie płytki znajdują się jedna na drugiej wewnątrz telefonu. Skomplikowane układy scalone nie mają w ogóle obudów, wszystkie są bump die. (Bump die znane są również jako Flip Chip lub controlled collapse chip connection (C4). Jest to metoda łączenia układów scalonych z zewnętrznymi obwodami za pomocą wypukłości lutowniczych, co pozwala na łączenie układów scalonych z płytami na bardzo małej powierzchni).

I z powodu tych ciasnych geometrii, nie ma miejsca na posiadanie pojemności płaszczyzny jako sposób zarządzania PDS. Cała pojemność jest wbudowana bezpośrednio w układy scalone. W rzeczywistości, wiedza specjalistyczna wymagana do opracowywania tych produktów stała się bardzo wyspecjalizowana i bardzo różni się od tradycyjnego projektowania PCB.

Zarządzanie zasilaniem

Więc mamy dwa z parametrów dla produktów o ultra-niskim poborze mocy uwzględnione - dużo funkcjonalności w bardzo małej przestrzeni oraz wiele PDS-ów w jednym urządzeniu. Pod względem zarządzania energią, telefon komórkowy jest zaprojektowany tak, że gdy określona funkcja nie jest aktywowana, jest wyłączana. I właśnie tutaj kluczowe jest dopracowanie działania PDS.

Jako projektant musisz wymyślić, jak zarządzać wszystkimi głównymi konsumentami energii w telefonie, tak aby wyłączali się i włączali we właściwym czasie. W większości smartfonów największym konsumentem energii jest radio. Gdy przesyłasz filmy, zdjęcia, duże ilości danych itp., radio jest ciągle włączone, a zużycie energii jest wysokie. W zakresie średniego do niskiego zużycia energii znajduje się wysyłanie wiadomości tekstowych i przesyłanie prostszych plików danych. Na skrajnie niskim końcu zużycia energii jest "pingowanie", które odbywa się między twoim urządzeniem mobilnym a wieżą komórkową, która ciągle monitoruje twoją lokalizację. W istocie, jedynym momentem, gdy twój telefon komórkowy nie zużywa energii na jakimkolwiek poziomie, jest moment, gdy jest całkowicie wyłączony.

Oszczędzanie baterii

Następnie przechodzimy do tego, co prawdopodobnie jest najważniejszym aspektem implementacji produktów o ultra-niskim zużyciu energii: maksymalne wydłużenie czasu pracy baterii. Dla smartfonów, czas pracy baterii jest ważną cechą, ale dla innych produktów, takich jak urządzenia do zdalnego monitorowania, oszczędność energii jest absolutną koniecznością. Przykładem takiego produktu może być monitor linii energetycznej, który jest montowany na dużych liniach przesyłowych. W większości przypadków wymagania dotyczące wydajności tych urządzeń są takie, że baterie muszą wytrzymać co najmniej rok. Jednakże, jeśli kondensatory są niewłaściwego typu, mogą przeciekać, a baterie zostaną rozładowane znacznie szybciej niż byśmy tego chcieli.

Teoretycznie kondensatory powinny być doskonałymi izolatorami. Ale nie są. Jeśli kondensatory są używane w zasilaczu, który ma 80 amperów, kilka mikroamperów przecieku nie jest zauważalne ani nie powoduje wielu problemów. Ale jeśli bateria ma mieć cykl życia jednego roku, przeciek kondensatora, niezależnie od tego, jak mały by nie był, może stać się dużym problemem. Zazwyczaj kondensatory wybierane do urządzeń o ultra-niskim zużyciu energii były tymi samymi, które były używane jako kondensatory omijające (często kondensatory tantalowe). Z reguły nie są to kondensatory o niskim przecieku i właściwie nie jest to kryterium wydajności dla nich.

Zazwyczaj kondensatory ceramiczne nie powodują problemów z przeciekami, ale nie są też najtańsze, więc nie są domyślnym wyborem dla aplikacji o ultra-niskim poborze mocy, takich jak zdalne monitory. Najlepszym sposobem, aby określić, czy wybrane kondensatory są „odporne na przecieki”, jest przeczytanie not aplikacyjnych urządzenia. Jeśli odporność na przecieki nie jest wyraźnie określona, najlepiej jest poszukać kondensatora, który jest specjalnie identyfikowany jako taki.

Wymagania PDS dla urządzeń o ultra-niskim poborze mocy znacznie różnią się od standardowych implementacji PCB. Urządzenia te charakteryzują się małymi rozmiarami, wysoce efektywnym projektem PDS i eliminacją wszelkich potencjalnych źródeł zużycia energii.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.