組み込みシステムの回路設計に関する考慮事項

公開: 2020-10-21

組み込みシステムは、特定の目的でのみ動作するように設計されており、電力、パフォーマンス、コスト、タイミングなどのさまざまなパラメーターを満たすように最適化されています。組み込みシステムの設計には、さまざまな条件に対するさまざまな仕様を必要とするさまざまな最適化アクティビティが含まれるため、組み込みシステムの設計には多くの課題があります。

携帯電話、ラップトップ、その他のデバイスなどの家電機器の回路設計は、動作能力を失うことなく、衝撃、落下、または水中に沈むことに耐えられるように構築する必要があります。

組み込みシステムの回路の開発にはさまざまな手順があり、設計者は設計プロセスを開始する前にこれらの要件を確認する必要があります。いずれかのステップを無視すると、組み込みシステムの開発が誤って行われる可能性があり、最終的な設計段階の後に多額の費用がかかる可能性のあるデバイスの障害につながる可能性があります。この分野を専門とする会社であるTronicsZoneは、成功を確実にし、リスクを軽減するために、次の方法を推奨しています。

組み込みシステムの回路設計に取り掛かる前に、次の2つのパラメータを知っておくことが重要です。

手元の電力バジェットを確認する：組み込みシステムを設計するための完全な電力バジェットを理解すると、適切なコンポーネント/チップおよびその他の必要な要素を選択するのに役立ちます。
全体的な消費電力の測定：組み込みシステムを設計するときに、ブロック図を使用して回路の全体的な消費電力を推定できます。 ブロック図を使用すると、設計者は回路の主要コンポーネントとそれらの消費電力制限を認識するのに役立ちます。デバイスに関するこの情報を入手するには、専用のアプリケーションノートとデータシートを作成してください。

上記の要因は、組み込みシステムの回路設計者が高レベルの組み込み回路設計を構築して、消費電力を削減し、高性能と効率を実現するのに役立ちます。また、組み込みシステムの初期設計段階で、エンジニアがチップ/コンポーネントの適切な要件やその他の重要なパラメータを理解するのにも役立ちます。効果的な組み込みシステムを設計するために、設計者が組み込みシステムボードを設計するために使用できるいくつかの有用な回路設計の考慮事項のリストを以下に示します。

回路全体の動作電圧をチェックします

消費電力は動作電圧に関係するため、回路基板全体の動作電圧を低く維持することが重要です。回路の電圧レベルが高いほど、消費電力が高くなるため、電圧レベルをできるだけ低く保つことをお勧めします。たとえば、回路内のすべてのチップが最大2.7Vの電圧レベルを引き出すことができる場合、設計者は、完全な回路設計ボードの特定の電圧レベルに小さなマージンを設定することを検討できます。

一方、回路に適切な省電力オプションがある場合、設計者は組み込みシステムボードに必要な複数のパワーレールの要件を簡単に満たすことができますが、デジタル変換などの追加機器もあります。ボードの設計を完了するには、チップとDC-DCコンバータが必要になります。

エネルギーを大量に消費するデバイスの動作電圧を維持する

エネルギーを大量に消費する電子機器の動作は、消費電力を最小限に抑えるのに役立つため、低電圧で調整する必要があります。このステップを実行するには、LDO / DC-DCコンバーターや外部電圧トランスレーターなどのいくつかの追加デバイスが、異なる電圧レベルで動作している回路内のさまざまな機器/コンポーネントとのインターフェースを作成する必要があります。この手順を実行する前に、回路設計で追加のコスト、労力、省電力、およびウェイクアップ時間が必要になることを確認してください。

適切なチップとコンポーネントの選択

組み込みシステムの回路図を作成する場合、デバイスの効率とパフォーマンスに影響を与えるため、適切なコンポーネントとICチップの選択は非常に重要です。消費電力は回路に大きな影響を与えるため、完全な消費電力バジェットも考慮する必要があります。したがって、設計者は、回路設計に応じて、高/低電圧レベルで動作するかどうかに応じて、高/低消費電力のICを選択する必要があります。回路のコンポーネントとチップを選択するときは、他の重要な要素も認識する必要があります。

さまざまなインターフェースモジュールの使用

組み込みシステムの回路設計では、センサー、カメラ、IoTモジュール（Bluetooth、WiFiなど）、RS485 / RS232通信インターフェースなどの他の既製のデバイスを使用する必要がある場合があります。電力消費を考慮することが重要です。それらを選択する前に、これらのインターフェースデバイスの。適切なタイプのテクノロジーを選択することは、有効電力消費量、電源投入時間、さまざまなデバイスの理想的な電力消費量などのいくつかのパラメーターを比較することによって理想的に測定できます。

たとえば、設計者がデータの転送にRFを使用する場合は、WiFi、BLE、ISM RF、Zigbeeなどの適切なデバイスを検討する必要があります。これにより、優れたユーザーエクスペリエンスが提供され、消費電力が少なくなります。ほとんどの場合、誤ったテクノロジーを選択すると、回路設計での消費電力の最適化が困難になります。したがって、これらの要因も考慮することが重要です。

ペリフェラルパワーゲーティング

電子回路設計では、電力を制御するメカニズムを統合して、使用していないときにデバイスをオフにすることができます。特定の組み込みシステムは通信モデムを使用しており、それらを常にオンにしておくと、消費電力の観点から費用に影響を与える可能性があります。そのため、使用していないときは、ON / OFF電源制御を使用してデバイスの電源を切ることをお勧めします。センサー、ADC、LCDなどの他のコンポーネントも使用していないときはオフにする必要があります。これは、回路での電力消費量の増加を抑えるのに役立ちます。

適切な電源の使用

組み込みボードで動作する正確な入力電圧を選択することは非常に重要です。入力電圧は、電源アダプタまたはバッテリによって供給されます。正しく測定する必要があります。回路基板上のすべてのコンポーネントが3.3Vまたは5Vで動作している場合は、12 / 24VバッテリーまたはDC入力を使用するのではなく、6V電源入力を使用することをお勧めします。これは、回路の電力損失を防ぐのに役立ちます。損失は電圧差に直接関係しています。

組み込みボードの電圧変換には、リニアレギュレータではなくスイッチングDC-DCコンバータを使用する必要があります。リニアレギュレータは、電力が熱の形で消費される電圧と電流の差に等しい消費モードでこれらのデバイスを使用するため、電圧変換では非常に効果がありません。

LEDの配置

組み込みボード上のLEDの配置は、回路設計の消費電力に大きな影響を与える可能性があります。 1つのLEDは、回路内で最大1〜5mAを消費する可能性があります。したがって、オンボードでLEDを使用する必要がある場合、設計者はLEDを減らしてみる必要があります。可能であれば、LEDを完全に取り外した方がよいでしょう。

それ以外の場合、設計者は、価値の高い抵抗を利用してLEDの輝度を最小限に抑えるように努める必要があります。エンジニアは、LEDをフルタイムで点灯させたり、ユーザーがデバイスとの通信を必要とするまで消灯したりするのではなく、LEDを点滅させるように設定できます。このようなアプローチは、回路全体の消費電力を削減するのに役立ちます。

右ディスプレイの選択

埋め込みボードのディスプレイを選択する場合、エンジニアは、ペーパーディスプレイ、7セグメントディスプレイ、OLED、モノグラフィックLCD、キャラクターLCD、ガラスLCDなどのいくつかのオプションを選択できます。ディスプレイの消費量が50％から60％を超えるため、したがって、設計者は、回路全体によって提供される全体的な電力消費バジェットを念頭に置いて、ディスプレイを慎重に選択する必要があります。

確かに高い消費電力率のディスプレイを使用する必要がある場合、設計者はフルディスプレイ、バックライトパワーゲーティング、ディスプレイサイズ、グレーまたはダークスケールモードなどの配色の選択などの他の手法を実装する必要があります。消費電力を大幅に最小限に抑えます。

プルアップ抵抗の使用

最適値のプルアップ抵抗を使用すると、回路の消費電力を削減するのに役立ちます。プルアップ抵抗は主にキー、I2Cなどに使用されます。すべてのプルアップ抵抗は、最大数ミリアンペアの節約に役立ちます。したがって、プルアップを使用すると、省電力に大きく役立ちます。たとえば、値1Kのプルアップ抵抗は、3.3Vで動作しているときに330uAをドレインする値10Kのプルアップよりも最大3.3mAをドレインします。

マイクロコントローラー（MCU）の使用

適切なマイクロコントローラの選択は、組み込みシステムの回路設計にとって重要です。回路のタイプに応じて、高/低電力消費マイクロコントローラーの選択は異なります。 MCUの消費電力が組み込みシステムボードの消費電力よりも20％大きい場合は、低消費電力のマイクロコントローラを選択することが重要です。

したがって、消費電力が最も少ないMCUを選択するためにより多くの努力を払っても、回路に大きな影響を与えることはありません。周辺機器のパワーゲーティング、浮動小数点ピンの入力レベルを明確な高または低状態に設定する、コードフロー戦略を最適化するなど、低消費電力に役立つ他の要因に注意を払うことが重要です。

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