Проектирование PDS для реализации с ультранизким энергопотреблением

Когда речь идет о реализации устройств с низким потреблением энергии, такие продукты характеризуются как редко имеющие опции с высоким током, малыми размерами, оптимизированными для управления питанием и необходимостью как можно более долгой работы от батарей. Существует широкий спектр продуктов, подпадающих под эти критерии, включая, но не ограничиваясь, смартфоны, умные часы, устройства для удаленного мониторинга и медицинские устройства, чтобы назвать некоторые.

С точки зрения дизайна системы распределения питания (PDS) и управления питанием, существует несколько основных факторов, присущих каждому продукту, характеризующемуся как ультранизкопотребляющий: проектирование эффективных систем PDS в очень малых геометриях, управление потреблением энергии и сохранение заряда батареи. В некоторых реализациях продуктов, таких как устройства для удаленного мониторинга, выбор подходящих конденсаторов для исключения их как потенциальных источников утечки энергии также является критическим фактором. Эта статья сосредоточена на этих динамиках.

Если вы еще не читали, этот блог сосредоточен на эволюции дизайнов PDS, проблемах, связанных с ними относительно направления потока энергии, и влиянии индуктивности и сопротивления с точки зрения снижения производительности и является хорошей отправной точкой для изучения систем распределения питания.

Так много функциональности в таких маленьких продуктах

Умные технологии, реализованные в компактных форм-факторах, стали настолько повсеместными в нашей повседневной жизни, что трудно представить время, когда их у нас не было. И эволюция, а также сложность технологий, содержащихся в этих устройствах, улучшились настолько сильно, что мы стали небрежно относиться к тому, что требуется для реализации и эксплуатации различных функций продуктов, от которых мы так зависим.

Например, технология, которая используется, когда вы поворачиваете телефон из вертикального положения в горизонтальное так, чтобы экран оставался выровненным, раньше называлась суперкомпьютером. И в смартфоне так много функций — несколько радиомодулей, одна или несколько камер, экран, процессоры внутри и память — которые потребляют энергию, что управление всеми различными зонами питания становится сложной задачей. Важно помнить, что для каждой линии питания в устройстве есть система распределения питания (PDS), и не редкость иметь 15-20 таких систем в смартфоне.

Таким образом, основная задача для дизайнера печатных плат сводится к тому, чтобы выяснить, как обеспечить достаточное количество регионов на платах для каждой линии питания и как найти достаточное количество способов для разделения плоскостей, когда у вас их изначально не так много.

Например, у iPhone 10 (iPhone X) есть две очень тонкие печатные платы. Одна из них восьмислойная, а другая - десятислойная. На обеих платах компоненты расположены с обеих сторон, и они установлены одна на другую внутри телефона. Сложные интегральные схемы не имеют никаких корпусов, все они выполнены по технологии bump die. (Bump die также известны как Flip Chip или controlled collapse chip connection (C4). Это метод соединения интегральных схем с внешними электрическими цепями с помощью припойных шариков, который позволяет соединять интегральные схемы с платами на очень маленькой площади).

И из-за этих плотных геометрий нет места для использования плоскостной емкости в качестве способа управления PDS. Вся емкость встроена непосредственно в интегральные схемы. На самом деле, экспертиза в области проектирования, необходимая для разработки этих продуктов, стала очень специализированной и сильно отличается от традиционного проектирования печатных плат.

Управление питанием

Итак, мы учли два параметра для ультранизкопотребляющих продуктов — большое количество функций на очень маленьком пространстве и наличие нескольких PDS в каждом устройстве. С точки зрения управления питанием, мобильный телефон сконструирован таким образом, что когда определенная функция не активируется, она отключается. И вот где крайне важно точно настроить работу PDS.

Как дизайнер, вы должны выяснить, как управлять всеми основными потребителями энергии в телефоне так, чтобы они включались и выключались в нужное время. В большинстве смартфонов основным потребителем энергии является радио. Когда вы загружаете видео, фотографии, большие объемы данных и т. д., радио работает непрерывно, и потребление энергии высокое. В диапазоне среднего и низкого потребления энергии находятся отправка текстовых сообщений и загрузка более простых файлов данных. На крайне низком уровне потребления энергии находится «пингование», происходящее между вашим мобильным устройством и вышкой сотовой связи, которое непрерывно отслеживает ваше местоположение. По сути, единственное время, когда ваш мобильный телефон не потребляет энергию на каком-либо уровне, это когда он полностью выключен.

Сохранение заряда батареи

Далее мы подходим к, возможно, самому важному аспекту реализации устройств с ультранизким потреблением: максимальному увеличению времени работы от батареи. Для смартфонов время работы от батареи является важной характеристикой, но для других продуктов, таких как устройства дистанционного мониторинга, экономия энергии является абсолютной необходимостью. Примером такого продукта может служить монитор линии электропередач, который крепится на большие передающие линии. В большинстве случаев требования к производительности этих устройств таковы, что батареи должны работать как минимум год. Но если конденсаторы выбраны неправильного типа, они могут протекать, и батареи разрядятся гораздо раньше, чем хотелось бы.

Теоретически конденсаторы должны быть идеальными изоляторами. Но на деле это не так. Если конденсаторы используются в источнике питания с силой тока 80 ампер, несколько микроампер утечки не проявляются или не вызывают больших проблем. Но если батарея должна иметь жизненный цикл в один год, утечка конденсатора, как бы ни была мала, может стать серьезной проблемой. Как правило, конденсаторы, выбранные для устройств с ультранизким потреблением, были теми же, что использовались в качестве шунтирующих конденсаторов (часто танталовые конденсаторы). Как правило, они не обладают низким уровнем утечки, и это на самом деле не является критерием их производительности.

Обычно керамические конденсаторы не вызывают проблем с утечкой, но они также не самые дешевые, поэтому они не являются стандартным выбором для приложений с ультранизким энергопотреблением, таких как удаленные мониторы. Лучший способ определить, являются ли выбранные вами конденсаторы «устойчивыми к утечке», - это прочитать примечания к применению для устройства. Если устойчивость к утечкам не указана, лучше всего искать конденсатор, который специально обозначен как таковой.

Требования к системе распределения питания (PDS) для устройств с ультранизким энергопотреблением значительно отличаются от стандартных реализаций на печатных платах. Эти устройства характеризуются малыми размерами, высокоэффективным дизайном PDS и исключением любых потенциальных источников потребления энергии.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium.