Quando se trata de implementações de baixa potência, os produtos são caracterizados por raramente terem opções de alta corrente, serem pequenos em tamanho, otimizados para o gerenciamento de energia e com a necessidade de que as baterias durem o máximo possível. Há um amplo espectro de produtos que se enquadram nesses critérios, incluindo, mas não se limitando a, smartphones, smartwatches, dispositivos de monitoramento remoto e dispositivos médicos, para citar alguns.
Em termos de design de PDS e gerenciamento de energia, existem alguns fatores principais que são inerentes a cada produto caracterizado como sendo de ultra baixa potência: projetar PDSs eficientes em geometrias muito pequenas, gerenciar o consumo de energia e conservar a vida útil da bateria. Em algumas implementações de produtos, como dispositivos de monitoramento remoto, selecionar os capacitores certos para eliminá-los como potenciais fontes de drenagem de energia (devido a vazamentos) também é um fator crítico. Este artigo foca nessas dinâmicas.
Se você ainda não leu, este blog foca na evolução dos designs de PDS, os desafios associados a eles em relação a onde a energia flui, e o impacto da indutância e resistência em termos de degradação de desempenho e é um bom ponto de partida para explorar Sistemas de Entrega de Energia.
A tecnologia inteligente, implementada em pequenos formatos, tornou-se tão onipresente em nosso dia a dia que é difícil imaginar quando não a tínhamos. E, a evolução e sofisticação da tecnologia contida nesses dispositivos melhorou tanto que nos tornamos descuidados em termos do que é necessário para implementar e operar as diversas funcionalidades dos produtos dos quais nos tornamos tão dependentes.
Por exemplo, a tecnologia que entra em jogo quando você gira seu telefone de vertical para horizontal de modo que a tela permaneça alinhada, é o que costumávamos chamar de supercomputador. E há tantos recursos em um smartphone — alguns rádios, uma ou mais câmeras, a tela, os processadores internos e a memória — que consomem energia, tornando um desafio gerenciar todas as diferentes zonas de energia. É importante lembrar que para cada trilho de energia em um dispositivo existe um PDS e não é incomum ter 15-20 PDSs em um smartphone.
Assim, o principal trabalho para um projetista de PCB resume-se a descobrir como ter regiões suficientes nas placas para cada trilho de energia e como encontrar maneiras suficientes de segmentar os planos quando você não tem tantos para começar.
Por exemplo, o iPhone 10 (iPhone X) possui duas PCBs muito finas. Uma tem oito camadas enquanto a outra tem dez. Ambas as placas têm componentes dos dois lados e as duas placas ficam uma em cima da outra dentro do telefone. Os ICs complexos não têm nenhum pacote sobre eles, são todos bump die. (Bump die também são conhecidos como Flip Chip ou conexão de chip de colapso controlado (C4). É um método para interconectar ICs a circuitos externos com protuberâncias de solda e permite conectar ICs a placas em uma área muito pequena).
E, por causa dessas geometrias apertadas, não há espaço para ter capacitância de plano como uma forma de gerenciar o PDS. Toda a capacitância é construída diretamente nos ICs. Na realidade, a expertise de design que é necessária para desenvolver esses produtos tornou-se muito especializada e é muito diferente do design tradicional de PCB.
Portanto, temos dois dos parâmetros para produtos de ultra-baixo consumo contabilizados—muita funcionalidade em um espaço muito pequeno e um número de PDSs em qualquer dispositivo. Em termos de gestão de energia, um telefone celular é arquitetado de forma que, quando uma função específica não está sendo ativada, ela é desligada. E é aí que acertar na operação do PDS é crucial.
Como designer, você tem que descobrir como gerenciar todos os principais consumidores de energia dentro de um telefone de forma que eles se desliguem e liguem no momento certo. Na maioria dos smartphones, o maior consumidor de energia é o rádio. Quando você está fazendo upload de vídeos, fotos, grandes quantidades de dados, etc., o rádio fica continuamente ligado e o consumo de energia é alto. Na faixa de uso de energia média a baixa, há o envio de mensagens de texto e upload de arquivos de dados mais simples. No extremo inferior do uso de energia está o "ping" que ocorre entre o seu dispositivo móvel e uma torre de celular que monitora continuamente sua localização. Em essência, o único momento em que seu telefone celular não está consumindo energia em algum nível é quando está completamente desligado.
Em seguida, chegamos ao que provavelmente é o aspecto mais importante das implementações de produtos ultra-baixo consumo: fazer a bateria durar o máximo possível. Para smartphones, a vida útil da bateria é uma característica importante, mas para outros produtos, como dispositivos de monitoramento remoto, a conservação de energia é uma necessidade absoluta. Um exemplo desse tipo de produto seria um monitor de linha de energia que é acoplado a grandes linhas de transmissão. Na maioria dos casos, o requisito de desempenho para esses dispositivos é tal que as baterias têm que durar pelo menos um ano. Mas, se os capacitores forem do tipo errado, eles podem vazar e as baterias serão descarregadas muito antes do desejado.
Teoricamente, os capacitores deveriam ser isolantes perfeitos. Mas, eles não são. Se os capacitores são usados em uma fonte de alimentação que tem 80 amperes, alguns microamperes de vazamento não aparecem ou causam tantos problemas. Mas se uma bateria tem que ter um ciclo de vida de um ano, o vazamento de capacitores, não importa quão pequeno, pode se tornar um grande problema. Tipicamente, os capacitores selecionados para dispositivos de ultra-baixo consumo têm sido os mesmos que foram usados como capacitores de desvio (muitas vezes capacitores de tântalo). Como regra, estes não são de baixo vazamento e isso na verdade não é um critério de desempenho para eles.
Geralmente, os capacitores cerâmicos não causam problemas de vazamento, mas também não são os mais baratos, então eles não são uma escolha padrão para aplicações de ultra-baixo consumo como monitores remotos. A melhor maneira de determinar se os capacitores que você escolheu são "resistentes a vazamentos" é ler as notas de aplicação do dispositivo. Se a resistência a vazamentos não for articulada, é melhor procurar um capacitor que seja especificamente identificado como tal.
Os requisitos de PDS para dispositivos de ultra-baixo consumo diferem significativamente das implementações de PCB padrão. Esses dispositivos são caracterizados por fatores de forma pequenos, design de PDS altamente eficiente e eliminação de quaisquer fontes potenciais de drenagem de energia.
Gostaria de saber mais sobre como a Altium pode ajudá-lo com seu próximo design de PCB? Fale com um especialista na Altium.