اعتبارات تصميم الدوائر للأنظمة المدمجة

تم تصميم الأنظمة المضمنة للعمل لأغراض محددة فقط وتم تحسينها لتلبية معايير مختلفة مثل الطاقة والأداء والتكلفة والتوقيت. تصميم الأنظمة المدمجة مليء بالتحديات حيث تتضمن عملية تصميم التصميم المضمن أنشطة تحسين متنوعة مع متطلبات مواصفات مختلفة لظروف مختلفة.

يجب تصميم الدوائر الإلكترونية للأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والمزيد من الأجهزة بطريقة يمكنها تحمل الصدمات أو السقوط أو الغمر في الماء دون أن تفقد قدرتها التشغيلية.

يمر تطوير دوائر الأنظمة المدمجة بخطوات مختلفة ويجب على المصمم أن يقر بهذه المتطلبات قبل الشروع في عملية التصميم. يمكن أن يؤدي تجاهل أي خطوة إلى تطوير خاطئ للنظام المضمن ، مما قد يؤدي إلى فشل الجهاز الذي يمكن أن يكلف نفقات باهظة بعد مرحلة التصميم النهائية. توصي TronicsZone ، وهي شركة متخصصة في هذا المجال ، بالممارسات التالية لضمان النجاح وتقليل المخاطر.

قبل البدء في تصميم الدوائر للأنظمة المدمجة ، من المهم معرفة هاتين المعلمتين:

1. الاعتراف بميزانية الطاقة المتاحة : سيساعدك فهم ميزانية الطاقة الكاملة لتصميم النظام المضمن على تحديد المكونات / الرقائق المناسبة والعوامل الضرورية الأخرى.
2. قياس استهلاك الطاقة الإجمالي: يمكن استنتاج إجمالي استهلاك الطاقة للدائرة بمساعدة مخطط الكتلة عند تصميم النظام المضمن. سيساعد استخدام مخطط الكتلة المصمم في التعرف على المكونات الرئيسية للدائرة وحدود استهلاكها للطاقة. قم بعمل ملاحظات وأوراق بيانات مخصصة للتطبيق للحصول على هذه المعلومات حول الأجهزة.

ستساعد العوامل المذكورة أعلاه مصمم دوائر النظام المدمج على بناء تصميم دائرة مدمجة عالي المستوى لتحقيق استهلاك أقل للطاقة وأداء عالٍ بالإضافة إلى الكفاءة. كما سيساعد المهندس على فهم المتطلبات الصحيحة للرقائق / المكونات والمعلمات المهمة الأخرى في مرحلة التصميم المبكرة للنظام المضمن. لتصميم نظام مضمن فعال ، فيما يلي قائمة ببعض اعتبارات تصميم الدوائر المفيدة التي يمكن أن يستخدمها المصمم لتصميم لوحات النظام المدمجة.

الحفاظ على فحص جهد التشغيل الكلي للدائرة

من المهم الحفاظ على جهد تشغيل منخفض للوحة الدائرة الكلية لأن استهلاك الطاقة مرتبط بجهد التشغيل. كلما ارتفع مستوى الجهد الكهربائي للدائرة ، زاد استهلاك الطاقة ، لذلك يُنصح بالحفاظ على مستوى الجهد عند أدنى مستوى ممكن. على سبيل المثال ، إذا كان بإمكان كل شريحة في الدائرة سحب مستوى الجهد حتى 2.7 فولت ، فيمكن للمصمم التفكير في تعيين هامش صغير على مستوى الجهد المحدد للوحة تصميم الدائرة الكاملة .

من ناحية أخرى ، إذا كان هناك خيار مناسب لتوفير الطاقة على الدوائر ، فيمكن للمصمم بسهولة تلبية متطلبات أكثر من سكة كهربائية واحدة ، والتي تحتاجها لوحة النظام المدمجة ، ومع ذلك ، فإن بعض المعدات الإضافية مثل الترجمة الرقمية ستكون هناك حاجة إلى شرائح ومحول DC-DC لإكمال تصميم اللوحة.

المحافظة على جهد التشغيل للأجهزة المتعطشة للطاقة

يجب تنظيم تشغيل الأجهزة الإلكترونية المتعطشة للطاقة عند الجهد المنخفض حيث سيساعد ذلك في تقليل استهلاك الطاقة. لإنجاز هذه الخطوة ، ستكون هناك حاجة لبعض الأجهزة الإضافية مثل محول LDO / DC-DC ومترجم الجهد الخارجي لإجراء تفاعل مع معدات / مكونات مختلفة في الدائرة التي تعمل عند مستويات جهد متفاوتة. قبل الشروع في هذا الإجراء ، تأكد من التحقق من التكلفة الإضافية والجهد وتوفير الطاقة ووقت الاستيقاظ المطلوب في تصميم الدائرة.

اختيار الرقائق والمكونات الصحيحة

يعد اختيار المكونات الصحيحة وشرائح IC أمرًا بالغ الأهمية عند صياغة مخطط للنظام المضمن لأنه يؤثر على كفاءة الجهاز وأدائه. من الضروري أيضًا مراعاة الميزانية الكاملة لاستهلاك الطاقة حيث سيكون لاستهلاك الطاقة تأثير أكبر على الدائرة. لذلك ، يجب على المصمم اختيار دوائر متكاملة ذات استهلاك طاقة مرتفع / منخفض اعتمادًا على تصميم الدائرة ، سواء كانت ستعمل على مستوى جهد مرتفع / منخفض. يجب على المرء أيضًا أن يعترف بالعوامل المهمة الأخرى عند اختيار المكونات والرقائق للدائرة.

استخدام وحدات ربط مختلفة

قد يتطلب تصميم الدوائر للنظام المضمن الحاجة إلى استخدام أجهزة أخرى جاهزة مثل المستشعرات والكاميرات ووحدات إنترنت الأشياء (Bluetooth و WiFi وما إلى ذلك) وواجهات اتصالات RS485 / RS232 وما إلى ذلك. من المهم مراعاة استهلاك الطاقة من هذه الأجهزة المترابطة قبل تحديدها. لاختيار النوع المناسب من التكنولوجيا يمكن قياسه بشكل مثالي من خلال مقارنة العديد من المعلمات مثل استهلاك الطاقة النشط ووقت تشغيل الطاقة والاستهلاك المثالي للطاقة للأجهزة المختلفة.

على سبيل المثال ، إذا كان المصمم يرغب في استخدام الترددات اللاسلكية لنقل البيانات ، فإنه يحتاج إلى التفكير في الجهاز المناسب من WiFi ، و BLE ، و ISM RF ، و Zigbee ، وما إلى ذلك ، والذي سيوفر تجربة مستخدم رائعة ويستهلك طاقة أقل. في معظم الأحيان ، يؤدي اختيار التكنولوجيا غير الصحيحة إلى صعوبة تحسين استهلاك الطاقة في تصميم الدائرة . وبالتالي ، من المهم مراعاة هذه العوامل أيضًا.

بوابات الطاقة الطرفية

في تصميم الدوائر الإلكترونية ، يمكن دمج آلية التحكم في الطاقة لإيقاف تشغيل الجهاز عند عدم استخدامه. تستخدم بعض الأنظمة المضمنة أجهزة مودم للاتصالات وقد يؤثر إبقائها قيد التشغيل طوال الوقت على التكلفة من وجهة نظر استهلاك الطاقة. لذلك ، من الأفضل استخدام التحكم في الطاقة ON / OFF لإيقاف تشغيل الجهاز عندما لا يكون قيد الاستخدام. يجب إيقاف تشغيل المكونات الأخرى مثل المستشعرات و ADC و LCD وما إلى ذلك عندما لا تكون قيد الاستخدام لأنها ستساعد في تقليل الاستهلاك العالي للطاقة في الدوائر.

استخدام مصدر الطاقة المناسب

من الضروري للغاية اختيار جهد الدخل الدقيق الذي سيعمل على اللوحة المدمجة. إما أن يتم توصيل جهد الدخل بواسطة مهايئ التيار الكهربائي أو البطارية ؛ يجب قياسه بشكل صحيح. إذا تم تشغيل كل مكون على لوحة الدائرة عند 3.3 فولت أو 5 فولت ، فمن الأفضل استخدام إدخال طاقة 6 فولت بدلاً من استخدام بطارية 12/24 فولت أو إدخال تيار مستمر حيث سيساعد ذلك على منع فقدان الطاقة في الدائرة كطاقة الخسارة مرتبطة مباشرة بفرق الجهد.

لتحويل الجهد للوحة المضمنة ، يجب على المصمم الاستفادة من محول DC-DC بدلاً من منظم خطي. تعمل المنظمات الخطية بشكل غير فعال للغاية في تحويل الجهد لأن هذه الأجهزة في وضع التبديد حيث تعادل الطاقة الفرق في الجهد والتيار المشتت في شكل حرارة.

وضع المصابيح

يمكن أن يؤثر وضع مصابيح LED على اللوحة المدمجة بشكل كبير على استهلاك الطاقة لتصميم الدائرة . يمكن لمصباح LED واحد أن يستهلك ما يصل إلى 1-5mA في الدائرة. لذلك ، إذا كانت هناك حاجة لاستخدام مصابيح LED على اللوحة ، فيجب على المصمم محاولة تقليل مصابيح LED. سيكون من الأفضل إزالة مصابيح LED بالكامل إن أمكن.

خلاف ذلك ، يجب على المصمم محاولة تقليل سطوع المصابيح بمساعدة المقاومة عالية القيمة. يمكن للمهندس ضبط مصابيح LED بحيث تومض فقط بدلاً من جعلها تتوهج طوال الوقت أو إبقائها مطفأة حتى يطلب المستخدم الاتصال بالجهاز. ستساعد هذه الأساليب في تقليل استهلاك الطاقة في الدائرة الكلية.

اختيار العرض الصحيح

عند اختيار شاشة العرض للوحة المدمجة ، فإن لدى المهندس العديد من الخيارات ليختارها مثل عرض الورق ، وشاشة العرض المكونة من 7 أجزاء ، و OLED ، وشاشات الكريستال السائل أحادية الرسم ، وشاشات الكريستال السائل الزجاجية ، وما إلى ذلك نظرًا لأن الشاشة تستهلك ما يزيد عن 50٪ إلى 60٪ من إجمالي استهلاك الطاقة ، لذلك يجب على المصمم اختيار الشاشة بعناية ، مع مراعاة الميزانية الإجمالية لاستهلاك الطاقة التي تقدمها الدائرة بأكملها.

إذا كان من المؤكد أن استخدام الشاشة مع معدل استهلاك طاقة مرتفع ، فيجب على المصمم تنفيذ تقنيات أخرى مثل العرض الكامل ، وبوابة طاقة الإضاءة الخلفية ، وحجم العرض ، واختيار نظام الألوان ، مثل وضع المقياس الرمادي أو الغامق ، والتي يمكن أن تساعد في تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير.

استخدام مقاومات السحب

يمكن أن يساعد استخدام مقاومات السحب ذات القيم المثلى في تقليل استهلاك الطاقة في الدوائر. تُستخدم مقاومات السحب بشكل رئيسي للمفاتيح ، I2C ، إلخ. يمكن أن يساعد كل مقاوم سحب في توفير ما يصل إلى بضعة مللي أمبير. لذلك ، يمكن أن يساعد استخدام عمليات السحب بشكل كبير في توفير الطاقة. على سبيل المثال ، سوف يستنزف المقاوم للسحب بقيمة 1K حتى 3.3mA من سحب القيمة 10K ، والذي سوف يستنزف 330uA عند التشغيل عند 3.3V.

استخدام متحكم دقيق (MCU)

يعد اختيار الميكروكونترولر المناسب أمرًا مهمًا لتصميم الدوائر للأنظمة المدمجة. اعتمادًا على نوع الدائرة ، يمكن أن يختلف اختيار متحكم دقيق يستهلك طاقة عالية / منخفضة. يعد اختيار المتحكم الدقيق الذي يستهلك طاقة منخفضة أمرًا بالغ الأهمية إذا كان استهلاك الطاقة لوحدة MCU أكبر بنسبة 20٪ من استهلاك الطاقة للوحة النظام المدمجة.

لذلك ، فإن بذل المزيد من الجهد في اختيار وحدة MCU الأقل استهلاكًا للطاقة لن يكون له تأثير كبير على الدوائر. من المهم الانتباه إلى العوامل الأخرى التي يمكن أن تساعد في انخفاض استهلاك الطاقة مثل بوابات الطاقة للأجهزة الطرفية ، وضبط مستوى إدخال دبابيس النقطة العائمة إلى حالة عالية أو منخفضة محددة ، وتحسين استراتيجيات تدفق الكود ، إلخ.

هل لديك أي أفكار حول هذا؟ أخبرنا أدناه في التعليقات أو انقل المناقشة إلى Twitter أو Facebook.

توصيات المحررين:

• كيف ستتراكم لوحات الدوائر المطبوعة ثلاثية الأبعاد مع الأشياء الحقيقية؟
• يرسم هذا القلم دوائر قادرة على توصيل الكهرباء
• إليك أفضل ألعاب STEM في السوق اليوم
• 7 أشياء يمكننا تعلمها من إدارة الأسطول القوية التي تساعد أمازون