Considérations de conception de circuits pour les systèmes embarqués

Les systèmes embarqués sont conçus pour fonctionner uniquement à des fins spécifiques et sont optimisés pour répondre à différents paramètres tels que la puissance, les performances, le coût et la synchronisation. La conception des systèmes embarqués est pleine de défis car le processus de conception de la conception embarquée comprend diverses activités d'optimisation avec l'exigence de différentes spécifications pour différentes conditions.

La conception des circuits des appareils électroniques grand public tels que les téléphones portables, les ordinateurs portables et d'autres appareils doit être conçue de manière à pouvoir résister aux chocs, aux chutes ou à être immergés dans l'eau sans perdre leur capacité opérationnelle.

Le développement des circuits des systèmes embarqués passe par différentes étapes et le concepteur doit reconnaître ces exigences avant de lancer le processus de conception. Ignorer une étape peut conduire à un mauvais développement du système embarqué, ce qui peut entraîner une défaillance de l'appareil qui peut coûter cher après la phase de conception finale. TronicsZone , une entreprise spécialisée dans ce domaine recommande les pratiques suivantes pour assurer le succès et réduire les risques.

Avant de commencer à travailler sur la conception des circuits des systèmes embarqués, il est important de connaître ces deux paramètres :

1. Reconnaître le budget de puissance à portée de main : Comprendre le budget de puissance complet pour la conception du système embarqué vous aidera à sélectionner les bons composants/puces et d'autres facteurs nécessaires.
2. Mesure de la consommation électrique globale : La consommation électrique globale du circuit peut être déduite à l'aide d'un schéma fonctionnel lors de la conception du système embarqué. L'utilisation d'un schéma fonctionnel aidera le concepteur à reconnaître les principaux composants du circuit et leurs limites de consommation d'énergie. Créez des notes d'application et des fiches techniques dédiées pour obtenir ces informations sur les appareils.

Les facteurs mentionnés ci-dessus aideront le concepteur de circuits de système embarqué à construire une conception de circuit embarqué de haut niveau pour obtenir une consommation d'énergie moindre et des performances élevées ainsi qu'une efficacité. Cela aidera également l'ingénieur à comprendre les bonnes exigences des puces/composants et d'autres paramètres importants dans la phase de conception précoce du système embarqué. Pour concevoir un système embarqué efficace, voici la liste de quelques considérations de conception de circuit utiles qui peuvent être utilisées par le concepteur pour concevoir les cartes système embarquées.

Contrôle de la tension de fonctionnement globale du circuit

Il est important de maintenir une faible tension de fonctionnement pour l'ensemble du circuit imprimé car la consommation d'énergie est liée à la tension de fonctionnement. Plus le niveau de tension du circuit est élevé, plus la consommation d'énergie est élevée, il est donc conseillé de maintenir le niveau de tension aussi bas que possible. Par exemple, si chaque puce du circuit peut tirer le niveau de tension jusqu'à 2,7 V, le concepteur peut envisager de définir une petite marge sur le niveau de tension particulier pour la carte de conception de circuit complète.

D'autre part, s'il existe une option d'économie d'énergie appropriée sur le circuit, le concepteur peut facilement répondre à l'exigence de plusieurs rails d'alimentation, ce qui est nécessaire à la carte système intégrée, cependant, certains équipements supplémentaires comme la traduction numérique des puces et un convertisseur DC-DC seront nécessaires pour compléter la conception de la carte.

Maintien de la tension de fonctionnement des appareils gourmands en énergie

Le fonctionnement des appareils électroniques gourmands en énergie doit être régulé à basse tension car cela contribuera à minimiser la consommation d'énergie. Pour accomplir cette étape, certains dispositifs supplémentaires tels que le convertisseur LDO/DC-DC et le convertisseur de tension externe seront nécessaires pour établir une interface avec différents équipements/composants du circuit qui fonctionnent à des niveaux de tension disparates. Avant de suivre cette procédure, assurez-vous de vérifier le coût supplémentaire, l'effort, l'économie d'énergie et le temps de réveil qui seront nécessaires dans la conception du circuit.

Choisir les bonnes puces et composants

La sélection des bons composants et puces IC est très importante lors de la rédaction d'un schéma du système embarqué car elle affecte l'efficacité et les performances de l'appareil. Il est également nécessaire de considérer le budget de consommation électrique complet car la consommation électrique aura un impact plus important sur le circuit. Ainsi, le concepteur doit choisir des circuits intégrés avec une consommation d'énergie élevée/faible en fonction de la conception du circuit , s'il fonctionnera à un niveau de tension élevé/bas. Il convient également de reconnaître d'autres facteurs importants lors du choix des composants et des puces pour les circuits.

Utilisation de divers modules d'interfaçage

La conception du circuit du système embarqué peut nécessiter l'utilisation d'autres dispositifs prêts à l'emploi tels que des capteurs, des caméras, des modules IoT (Bluetooth, WiFi, etc.), des interfaces de communication RS485/RS232, etc. Il est important de prendre en compte la consommation d'énergie de ces dispositifs d'interfaçage avant de les sélectionner. Choisir le bon type de technologie peut être idéalement mesuré en comparant plusieurs paramètres comme la consommation d'énergie active, le temps de mise sous tension, la consommation d'énergie idéale des différents appareils.

Par exemple, si le concepteur souhaite utiliser RF pour transférer des données, il doit alors envisager l'appareil approprié de WiFi, BLE, ISM RF, Zigbee, etc. qui offrira une excellente expérience utilisateur et consommera moins d'énergie. La plupart du temps, la sélection d'une technologie incorrecte rend difficile l'optimisation de la consommation d'énergie dans la conception du circuit . Il est donc important de tenir également compte de ces facteurs.

Gating de puissance périphérique

Dans la conception de circuits électroniques , le mécanisme de contrôle de l'alimentation peut être intégré pour éteindre l'appareil lorsqu'il n'est pas utilisé. Certains systèmes embarqués utilisent des modems de communication et les garder allumés pendant tout ce temps pourrait avoir un impact sur les dépenses du point de vue de la consommation d'énergie. Il est donc préférable d'utiliser la commande d'alimentation ON/OFF pour mettre l'appareil hors tension lorsqu'il n'est pas utilisé. D'autres composants tels que les capteurs, l'ADC, l'écran LCD, etc. doivent être éteints lorsqu'ils ne sont pas utilisés, car cela contribuera à réduire la consommation d'énergie plus élevée dans les circuits.

Utilisation de la bonne alimentation

Il est essentiel de choisir la tension d'entrée précise qui fonctionnera sur la carte embarquée. Soit la tension d'entrée est délivrée par l'adaptateur secteur ou la batterie ; il doit être correctement mesuré. Si chaque composant de la carte de circuit imprimé fonctionne à 3,3 V ou 5 V, il est préférable d'utiliser une entrée d'alimentation 6 V plutôt que d'utiliser une batterie 12/24 V ou une entrée CC, car cela aidera à prévenir la perte de puissance dans les circuits en tant que puissance. la perte est directement liée à la différence de tension.

Pour la conversion de tension de la carte embarquée, le concepteur doit utiliser un convertisseur CC-CC à découpage plutôt qu'un régulateur linéaire. Les régulateurs linéaires fonctionnent de manière très inefficace dans la conversion de tension, car ces dispositifs fonctionnent sur le mode de dissipation dans lequel la puissance est équivalente à la différence de tension et de courant dissipée sous forme de chaleur.

Emplacement des LED

Le placement des LED sur la carte intégrée peut avoir un impact important sur la consommation d'énergie de la conception du circuit . Une seule LED peut consommer jusqu'à 1-5mA dans le circuit. Donc, s'il est nécessaire d'utiliser des LED à bord, le concepteur doit essayer de réduire les LED. Ce sera mieux si les LED sont complètement retirées si possible.

Sinon, le concepteur doit essayer de minimiser la luminosité des LED à l'aide d'une résistance de haute valeur. Soit l'ingénieur peut régler les LED pour qu'elles clignotent uniquement plutôt que de les faire briller à plein temps ou de les garder éteintes jusqu'à ce que l'utilisateur ait besoin de communiquer avec l'appareil. De telles approches aideront à réduire la consommation d'énergie dans l'ensemble du circuit.

Sélection de l'affichage droit

Lors de la sélection de l'affichage pour la carte intégrée, un ingénieur a plusieurs options à choisir, telles que l'affichage papier, l'affichage à 7 segments, l'OLED, l'écran LCD graphique mono, l'écran LCD à caractères, l'écran LCD en verre, etc. Étant donné que l'écran consomme plus de 50 % à 60 % de la consommation d'énergie globale, le concepteur doit donc choisir l'écran avec soin, en gardant à l'esprit le budget de consommation d'énergie global fourni par l'ensemble des circuits.

S'il est certainement obligatoire d'utiliser l'écran avec un taux de consommation d'énergie élevé, le concepteur doit mettre en œuvre d'autres techniques telles que l'affichage complet, le rétroéclairage, la taille de l'affichage, le choix de la palette de couleurs, comme le mode échelle de gris ou sombre, qui peut aider en minimisant considérablement la consommation d'énergie.

Utilisation de résistances pull-up

L'utilisation des résistances pull-up de valeurs optimales peut aider à réduire la consommation d'énergie dans les circuits. Les résistances pull-up sont principalement utilisées pour les clés, I2C, etc. Chaque résistance pull-up peut aider à économiser jusqu'à quelques milliampères. Ainsi, l'utilisation de tractions peut considérablement aider à économiser de l'énergie. Par exemple, la résistance de pull-up de valeur 1K drainera jusqu'à 3,3 mA que la résistance de pull-up de valeur 10K, qui drainera 330 uA lorsqu'elle fonctionne à 3,3 V.

Utilisation de microcontrôleur (MCU)

La sélection du bon microcontrôleur est importante pour la conception des circuits des systèmes embarqués. Selon le type de circuit, la sélection du microcontrôleur à haute/faible consommation d'énergie peut varier. La sélection du microcontrôleur à faible consommation d'énergie est essentielle si la consommation électrique du MCU est supérieure de 20 % à la consommation électrique de la carte système intégrée.

Ainsi, faire plus d'efforts pour choisir le microcontrôleur le moins consommateur d'énergie n'aura pas beaucoup d'impact sur les circuits. Il est important de prêter attention à d'autres facteurs qui peuvent contribuer à une faible consommation d'énergie, comme le déclenchement de l'alimentation des périphériques, le réglage du niveau d'entrée des broches à virgule flottante sur un état défini haut ou bas, l'optimisation des stratégies de flux de code, etc.

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