Überlegungen zum Schaltungsdesign für eingebettete Systeme

Eingebettete Systeme sind nur für den Betrieb für bestimmte Zwecke konzipiert und optimiert, um verschiedene Parameter wie Leistung, Leistung, Kosten und Timing zu erfüllen. Das Entwerfen eingebetteter Systeme ist voller Herausforderungen, da der Entwurfsprozess des eingebetteten Designs verschiedene Optimierungsaktivitäten mit der Anforderung unterschiedlicher Spezifikationen für unterschiedliche Bedingungen umfasst.

Das Schaltungsdesign von Unterhaltungselektronikgeräten wie Mobiltelefonen, Laptops und mehr Geräten muss so gebaut sein, dass sie Stößen, Stürzen oder Eintauchen in Wasser standhalten, ohne ihre Betriebsfähigkeit zu verlieren.

Die Entwicklung der Schaltkreise der eingebetteten Systeme durchläuft verschiedene Schritte, und der Designer sollte diese Anforderungen anerkennen, bevor er den Designprozess einleitet. Das Ignorieren eines einzigen Schrittes kann zu einer falschen Entwicklung des eingebetteten Systems führen, was zu einem Ausfall des Geräts führen kann, der nach der letzten Designphase hohe Kosten verursachen kann. TronicsZone , ein auf diesen Bereich spezialisiertes Unternehmen, empfiehlt die folgenden Praktiken, um den Erfolg sicherzustellen und Risiken zu reduzieren.

Bevor man mit der Arbeit am Schaltungsdesign der eingebetteten Systeme beginnt, ist es wichtig, diese beiden Parameter zu kennen:

1. Bestätigen Sie das vorhandene Leistungsbudget : Das Verständnis des vollständigen Leistungsbudgets für das Design des eingebetteten Systems hilft Ihnen bei der Auswahl der richtigen Komponenten/Chips und anderer notwendiger Faktoren.
2. Messung der Gesamtstromaufnahme: Die Gesamtstromaufnahme der Schaltung lässt sich beim Entwurf des eingebetteten Systems mit Hilfe eines Blockdiagramms ableiten. Die Verwendung eines Blockdiagramms hilft dem Konstrukteur, die Hauptkomponenten der Schaltung und ihre Stromverbrauchsgrenzen zu erkennen. Erstellen Sie spezielle Anwendungshinweise und Datenblätter, um diese Informationen zu den Geräten zu erhalten.

Die oben genannten Faktoren helfen dem Schaltungsdesigner für eingebettete Systeme, ein hochwertiges eingebettetes Schaltungsdesign zu erstellen, um einen geringeren Stromverbrauch und eine hohe Leistung plus Effizienz zu erreichen. Es hilft dem Ingenieur auch, die richtigen Anforderungen an die Chips/Komponenten und andere wichtige Parameter in der frühen Entwurfsphase des eingebetteten Systems zu verstehen. Um ein effektives eingebettetes System zu entwerfen, ist das Folgende eine Liste mit einigen nützlichen Schaltungsentwurfsüberlegungen, die von dem Designer zum Entwerfen der eingebetteten Systemplatinen verwendet werden können.

Überprüfen Sie die Betriebsspannung des gesamten Schaltkreises

Es ist wichtig, eine niedrige Betriebsspannung für die gesamte Leiterplatte aufrechtzuerhalten, da der Stromverbrauch mit der Betriebsspannung zusammenhängt. Je höher der Spannungspegel der Schaltung, desto höher der Stromverbrauch, daher wird empfohlen, den Spannungspegel so niedrig wie möglich zu halten. Wenn z. B. jeder Chip in der Schaltung den Spannungspegel bis zu 2,7 V ziehen kann, kann der Entwickler erwägen, einen kleinen Spielraum für den jeweiligen Spannungspegel für die gesamte Leiterplatte des Schaltungsdesigns festzulegen .

Wenn es andererseits eine geeignete Stromsparoption in der Schaltung gibt, kann der Designer leicht die Anforderung von mehr als einer Stromschiene erfüllen, die von der eingebetteten Systemplatine benötigt wird, jedoch einige zusätzliche Geräte wie digitale Übersetzung Chips und DC-DC-Wandler werden benötigt, um das Platinendesign zu vervollständigen.

Aufrechterhaltung der Betriebsspannung energiehungriger Geräte

Der Betrieb energiehungriger elektronischer Geräte sollte auf Niederspannung geregelt werden, da dies hilft, den Stromverbrauch zu minimieren. Um diesen Schritt auszuführen, sind einige zusätzliche Geräte wie LDO/DC-DC-Wandler und externer Spannungsumsetzer erforderlich, um eine Schnittstelle mit verschiedenen Geräten/Komponenten in der Schaltung herzustellen, die mit unterschiedlichen Spannungspegeln arbeiten. Bevor Sie sich für dieses Verfahren entscheiden, überprüfen Sie unbedingt die zusätzlichen Kosten, den Aufwand, die Energieeinsparung und die Aufwachzeit, die im Schaltungsdesign erforderlich sind.

Auswahl der richtigen Chips und Komponenten

Die Auswahl der richtigen Komponenten und IC-Chips ist sehr wichtig, wenn ein Schaltplan des eingebetteten Systems erstellt wird, da sie die Effizienz und Leistung des Geräts beeinflusst. Es ist auch notwendig, das gesamte Stromverbrauchsbudget zu berücksichtigen, da der Stromverbrauch einen größeren Einfluss auf die Schaltung hat. Daher muss der Designer je nach Schaltungsdesign ICs mit hohem/niedrigem Stromverbrauch auswählen , unabhängig davon, ob sie mit einem hohen/niedrigen Spannungspegel arbeiten. Man sollte auch andere wichtige Faktoren berücksichtigen, wenn man die Komponenten und Chips für die Schaltung auswählt.

Verwendung verschiedener Schnittstellenmodule

Das Schaltungsdesign des eingebetteten Systems erfordert möglicherweise die Verwendung anderer vorgefertigter Geräte wie Sensoren, Kameras, IoT-Module (Bluetooth, WiFi usw.), RS485/RS232-Kommunikationsschnittstellen usw. Es ist wichtig, den Stromverbrauch zu berücksichtigen dieser Schnittstellengeräte, bevor Sie sie auswählen. Die Wahl der richtigen Technologie lässt sich idealerweise durch den Vergleich mehrerer Parameter wie aktive Leistungsaufnahme, Einschaltzeit, idealer Stromverbrauch verschiedener Geräte messen.

Wenn der Designer beispielsweise RF zum Übertragen von Daten verwenden möchte, muss er/sie das geeignete Gerät aus WiFi, BLE, ISM RF, Zigbee usw. in Betracht ziehen, das eine großartige Benutzererfahrung bietet und weniger Strom verbraucht. Meistens führt die Auswahl der falschen Technologie dazu, dass der Stromverbrauch im Schaltungsdesign nur schwer optimiert werden kann . Daher ist es wichtig, auch diese Faktoren zu berücksichtigen.

Peripheres Power-Gating

Beim Entwurf elektronischer Schaltungen kann der Mechanismus zur Leistungssteuerung integriert werden, um das Gerät auszuschalten, wenn es nicht verwendet wird. Bestimmte eingebettete Systeme verwenden Kommunikationsmodems, und wenn Sie sie die ganze Zeit eingeschaltet lassen, kann dies die Kosten im Hinblick auf den Stromverbrauch beeinträchtigen. Daher ist es besser, den EIN/AUS-Stromregler zu verwenden, um das Gerät auszuschalten, wenn es nicht verwendet wird. Andere Komponenten wie Sensoren, ADC, LCD usw. sollten ebenfalls ausgeschaltet werden, wenn sie nicht verwendet werden, da dies dazu beiträgt, den höheren Stromverbrauch in der Schaltung zu reduzieren.

Verwendung der richtigen Stromversorgung

Es ist äußerst wichtig, die genaue Eingangsspannung zu wählen, die auf der eingebetteten Platine betrieben wird. Entweder wird die Eingangsspannung vom Netzteil oder Akku geliefert; es muss richtig gemessen werden. Wenn jede Komponente auf der Platine mit 3,3 V oder 5 V betrieben wird, ist es besser, eine 6-V-Stromversorgung zu verwenden, anstatt eine 12/24-V-Batterie oder einen Gleichstromeingang zu verwenden, da dies dazu beiträgt, den Leistungsverlust in der Schaltung als Strom zu verhindern Der Verlust hängt direkt mit der Spannungsdifferenz zusammen.

Für die Spannungsumwandlung des eingebetteten Boards sollte der Designer einen schaltenden DC-DC-Wandler anstelle eines linearen Reglers verwenden. Linearregler arbeiten bei der Spannungsumwandlung höchst ineffektiv, da diese Geräte im Dissipationsmodus arbeiten, in dem die Leistung der Differenz zwischen Spannung und Strom entspricht, die in Form von Wärme abgegeben wird.

LED-Platzierung

Die Platzierung von LEDs auf der eingebetteten Platine kann den Stromverbrauch des Schaltungsdesigns stark beeinflussen . Eine einzelne LED kann im Stromkreis bis zu 1-5mA verbrauchen. Wenn es also notwendig ist, LEDs an Bord zu verwenden, sollte der Designer versuchen, die LEDs zu reduzieren. Es ist besser, wenn die LEDs möglichst vollständig entfernt werden.

Andernfalls muss der Designer versuchen, die Helligkeit der LEDs mit Hilfe eines hochohmigen Widerstands zu minimieren. Entweder kann der Techniker die LEDs so einstellen, dass sie nur blinken, anstatt sie die ganze Zeit leuchten zu lassen, oder sie auf AUS halten, bis der Benutzer mit dem Gerät kommunizieren möchte. Solche Ansätze helfen, den Stromverbrauch in der Gesamtschaltung zu reduzieren.

Auswahl des richtigen Displays

Bei der Auswahl des Displays für das eingebettete Board hat ein Ingenieur mehrere Optionen zur Auswahl, z. B. Papierdisplay, 7-Segment-Display, OLED, Monografik-LCD, Zeichen-LCD, Glas-LCD usw. des Gesamtstromverbrauchs, daher muss der Designer das Display sorgfältig auswählen und dabei das Gesamtstromverbrauchsbudget berücksichtigen, das von der gesamten Schaltung geliefert wird.

Wenn es auf jeden Fall zwingend erforderlich ist, das Display mit einem hohen Stromverbrauch zu verwenden, sollte der Designer andere Techniken implementieren, wie z den Stromverbrauch drastisch zu minimieren.

Verwendung von Pull-up-Widerständen

Die Verwendung von Pull-up-Widerständen mit optimalen Werten kann dazu beitragen, den Stromverbrauch in der Schaltung zu reduzieren. Pullup-Widerstände werden hauptsächlich für Tasten, I2C usw. verwendet. Jeder Pullup-Widerstand kann helfen, bis zu ein paar Milliampere einzusparen. Die Verwendung von Klimmzügen kann also erheblich beim Energiesparen helfen. Beispielsweise zieht der Pull-up-Widerstand mit dem Wert 1K bis zu 3,3 mA als der Pull-up-Widerstand mit dem Wert 10 K, der 330 uA bei Betrieb mit 3,3 V verbraucht.

Verwendung von Mikrocontroller (MCU)

Die Auswahl des richtigen Mikrocontrollers ist wichtig für das Schaltungsdesign der eingebetteten Systeme. Abhängig von der Art der Schaltung kann die Auswahl des Mikrocontrollers mit hohem/niedrigem Stromverbrauch variieren. Die Auswahl des Mikrocontrollers mit geringem Stromverbrauch ist entscheidend, wenn der Stromverbrauch der MCU 20 % höher ist als der Stromverbrauch der eingebetteten Systemplatine.

Wenn Sie also mehr Aufwand bei der Auswahl der MCU mit dem niedrigsten Stromverbrauch betreiben, hat dies keine großen Auswirkungen auf die Schaltung. Es ist wichtig, andere Faktoren zu beachten, die zu einem niedrigen Stromverbrauch beitragen können, wie z.

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