Thiết kế PDS cho các Ứng dụng Siêu Tiết Kiệm Năng Lượng

Khi nói đến các ứng dụng tiêu thụ điện năng thấp, các sản phẩm thường được đặc trưng là hiếm khi có các tùy chọn dòng điện cao, có kích thước nhỏ, được tối ưu hóa cho quản lý năng lượng và cần pin kéo dài thời gian sử dụng càng lâu càng tốt. Có một phạm vi rộng lớn các sản phẩm thuộc về các tiêu chí này bao gồm, nhưng không giới hạn ở, điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, thiết bị giám sát từ xa và thiết bị y tế để kể tên một số.

Về thiết kế Hệ thống Phân phối Điện (PDS) và quản lý năng lượng, có một số yếu tố chính tồn tại trong mọi sản phẩm được đặc trưng là siêu tiết kiệm điện: thiết kế PDS hiệu quả trong các hình học cực nhỏ, quản lý tiêu thụ năng lượng và bảo tồn tuổi thọ pin. Trong một số ứng dụng sản phẩm, như thiết bị giám sát từ xa, việc chọn đúng tụ điện để loại bỏ chúng như một nguồn tiêu hao năng lượng tiềm ẩn (do rò rỉ) cũng là một yếu tố quan trọng. Bài viết này tập trung vào những động lực này.

Nếu bạn chưa đọc, blog này tập trung vào sự phát triển của các thiết kế PDS, những thách thức liên quan đến chúng liên quan đến dòng điện chảy qua, và ảnh hưởng của cảm kháng và điện trở đối với sự suy giảm hiệu suất và là một nơi tốt để bắt đầu khám phá Hệ thống Phân phối Điện.

Nhiều Chức năng Trong Những Sản Phẩm Nhỏ Bé

Công nghệ thông minh, được triển khai trong các thiết bị kích thước nhỏ, đã trở nên phổ biến đến mức khó có thể tưởng tượng cuộc sống của chúng ta khi không có nó. Và, sự phát triển và tinh vi của công nghệ bên trong những thiết bị này đã tiến bộ vượt bậc đến mức chúng ta trở nên tự tin về những gì cần thiết để triển khai và vận hành các tính năng sản phẩm mà chúng ta đã trở nên phụ thuộc.

Ví dụ, công nghệ được sử dụng khi bạn xoay điện thoại từ dọc sang ngang sao cho màn hình vẫn giữ nguyên định hướng, là những gì chúng ta từng gọi là siêu máy tính. Và có rất nhiều tính năng trong một chiếc điện thoại thông minh—một vài bộ phát sóng, một hoặc nhiều camera, màn hình, các bộ xử lý bên trong, và bộ nhớ—đều tiêu thụ năng lượng, khiến việc quản lý tất cả các khu vực năng lượng khác nhau trở thành thách thức. Điều quan trọng cần nhớ là cho mỗi đường ray năng lượng trong một thiết bị đều có một PDS và không phải là hiếm khi có 15-20 PDS trong một chiếc điện thoại thông minh.

Do đó, công việc chính của một nhà thiết kế PCB là tìm ra cách để có đủ khu vực trên các bảng mạch cho mỗi đường ray năng lượng, và cách tìm đủ phương pháp để phân chia các mặt phẳng khi bạn không có nhiều để bắt đầu.

Ví dụ, iPhone 10 (iPhone X) có hai PCB rất mỏng. Một cái gồm tám lớp trong khi cái kia là mười lớp. Cả hai bảng mạch đều có linh kiện ở cả hai mặt và chúng được đặt chồng lên nhau bên trong điện thoại. Các IC phức tạp không hề có gói đóng gói nào cả, tất cả chúng đều là bump die. (Bump die còn được biết đến với tên gọi Flip Chip hoặc kết nối chip sụp đổ kiểm soát (C4). Đây là phương pháp kết nối IC với mạch ngoại vi bằng cách sử dụng các gờ hàn và nó cho phép kết nối IC với bảng mạch trong một khu vực rất nhỏ).

Và, vì những hình dạng chật hẹp này, không còn chỗ trống để có dung lượng phẳng như một cách quản lý PDS. Tất cả dung lượng đều được tích hợp trực tiếp vào IC. Thực tế, kỹ năng thiết kế cần thiết để phát triển những sản phẩm này đã trở nên rất chuyên môn và khác biệt so với thiết kế PCB truyền thống.

Quản lý Năng lượng

Vậy, chúng ta đã xác định được hai trong số các yếu tố cho sản phẩm siêu tiết kiệm năng lượng—nhiều chức năng trong một không gian nhỏ và một số PDS trong bất kỳ thiết bị nào. Về quản lý năng lượng, điện thoại di động được thiết kế sao cho khi một chức năng cụ thể không được kích hoạt, nó sẽ được tắt. Và, đó là lúc việc làm cho hoạt động của PDS trở nên quan trọng.

Như một nhà thiết kế, bạn phải tìm ra cách để quản lý tất cả các nguồn tiêu thụ năng lượng chính trong điện thoại sao cho chúng tắt và bật đúng lúc. Trong hầu hết các smartphone, nguồn tiêu thụ năng lượng lớn nhất là radio. Khi bạn đang tải lên video, hình ảnh, lượng lớn dữ liệu, v.v., radio hoạt động liên tục và mức tiêu thụ năng lượng cao. Trong phạm vi sử dụng năng lượng trung bình đến thấp, có việc nhắn tin và tải lên các tệp dữ liệu đơn giản hơn. Ở mức tiêu thụ năng lượng cực thấp là việc “ping” diễn ra giữa thiết bị di động của bạn và một trạm phát sóng điện thoại di động liên tục theo dõi vị trí của bạn. Về cơ bản, chỉ khi điện thoại di động của bạn hoàn toàn tắt nguồn thì mới không tiêu thụ năng lượng ở một mức độ nào đó.

Bảo Tồn Pin

Tiếp theo, chúng ta đến với khía cạnh có lẽ là quan trọng nhất trong việc triển khai sản phẩm siêu tiết kiệm năng lượng: làm cho pin kéo dài thời gian sử dụng càng lâu càng tốt. Đối với điện thoại thông minh, thời lượng pin là một tính năng quan trọng nhưng đối với các sản phẩm khác như thiết bị giám sát từ xa, việc tiết kiệm năng lượng là một yêu cầu tuyệt đối. Một ví dụ về loại sản phẩm này có thể là thiết bị giám sát đường dây điện được kẹp vào các đường dây truyền tải lớn. Trong hầu hết các trường hợp, yêu cầu về hiệu suất đối với những thiết bị này là pin phải kéo dài ít nhất một năm. Nhưng, nếu tụ điện không đúng loại, chúng có thể rò rỉ và pin sẽ được xả ra nhanh hơn mong muốn.

Lý thuyết, tụ điện được cho là cách điện hoàn hảo. Nhưng, chúng không phải vậy. Nếu tụ điện được sử dụng trong một nguồn cung cấp có dòng điện 80 amp, một vài microampe của sự rò rỉ không xuất hiện hoặc gây ra nhiều vấn đề. Nhưng nếu một pin phải có chu kỳ đời sống một năm, sự rò rỉ của tụ điện, dù nhỏ đến đâu, cũng có thể trở thành một vấn đề lớn. Thông thường, các tụ điện được chọn cho các thiết bị siêu tiết kiệm năng lượng đã là những cái đã được sử dụng như tụ điện bypass (thường là tụ điện tantalum). Theo quy tắc, những cái này không phải là tụ rò thấp và thực sự không phải là tiêu chí hiệu suất đối với chúng.

Thông thường, tụ điện gốm không gây ra vấn đề rò rỉ nhưng chúng cũng không phải là lựa chọn ít tốn kém nhất, do đó chúng không phải là mặt hàng lựa chọn mặc định cho các ứng dụng công suất cực thấp như các thiết bị giám sát từ xa. Cách tốt nhất để xác định liệu các tụ điện bạn đã chọn có "kháng rò rỉ" hay không là đọc các ghi chú ứng dụng cho thiết bị. Nếu khả năng chống rò rỉ không được nêu rõ, tốt nhất là tìm kiếm một tụ điện được xác định cụ thể là như vậy.

Yêu cầu PDS cho các thiết bị công suất cực thấp khác biệt đáng kể so với các triển khai PCB tiêu chuẩn. Những thiết bị này được đặc trưng bởi kích thước nhỏ gọn, thiết kế PDS hiệu quả cao và loại bỏ bất kỳ nguồn rò rỉ công suất tiềm ẩn nào.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.