Considerazioni sulla progettazione dei circuiti per i sistemi embedded

I sistemi embedded sono progettati per funzionare solo per scopi specifici e sono ottimizzati per soddisfare diversi parametri come potenza, prestazioni, costi e tempi. La progettazione dei sistemi embedded è piena di sfide poiché il processo di progettazione della progettazione embedded include varie attività di ottimizzazione con il requisito di specifiche differenti per condizioni differenti.

La progettazione dei circuiti di dispositivi elettronici di consumo come telefoni cellulari, laptop e altri dispositivi deve essere realizzata in modo tale da resistere a urti, cadute o essere immersi nell'acqua senza perdere la propria capacità operativa.

Lo sviluppo del circuito dei sistemi embedded passa attraverso diverse fasi e il progettista dovrebbe riconoscere questi requisiti prima di avviare il processo di progettazione. Ignorare qualsiasi passaggio può portare a uno sviluppo errato del sistema embedded, che può portare al guasto del dispositivo che può costare ingenti spese dopo la fase di progettazione finale. TronicsZone , un'azienda specializzata in quest'area, consiglia le seguenti pratiche per garantire il successo e ridurre i rischi.

Prima di iniziare a lavorare sulla progettazione dei circuiti dei sistemi embedded, è importante conoscere questi due parametri:

1. Riconoscere il budget energetico a portata di mano : la comprensione del budget energetico completo per la progettazione del sistema integrato ti aiuterà a selezionare i componenti/chip giusti e altri fattori necessari.
2. Misurazione del consumo energetico complessivo: il consumo energetico complessivo dei circuiti può essere dedotto con l'aiuto di un diagramma a blocchi durante la progettazione del sistema embedded. L'uso di uno schema a blocchi aiuterà il progettista a riconoscere i componenti principali del circuito ei loro limiti di consumo energetico. Crea note applicative e schede tecniche dedicate per ottenere queste informazioni sui dispositivi.

I fattori sopra menzionati aiuteranno il progettista di circuiti di sistemi embedded a costruire un progetto di circuiti embedded di alto livello per ottenere un minor consumo energetico e prestazioni elevate più efficienza. Aiuterà inoltre l'ingegnere a comprendere i giusti requisiti dei chip/componenti e altri parametri importanti nella fase iniziale di progettazione del sistema embedded. Per progettare un sistema embedded efficace, di seguito è riportato l'elenco di alcune considerazioni utili sulla progettazione dei circuiti che possono essere utilizzate dal progettista per progettare le schede di sistema embedded.

Controllo della tensione di esercizio complessiva del circuito

È importante mantenere una bassa tensione operativa per l'intero circuito stampato perché il consumo di energia è correlato alla tensione operativa. Maggiore è il livello di tensione del circuito, maggiore è il consumo energetico, quindi si consiglia di mantenere il livello di tensione il più basso possibile. Ad esempio, se ogni chip nel circuito può assorbire il livello di tensione fino a 2,7 V, il progettista può considerare di impostare un piccolo margine per il particolare livello di tensione per l'intera scheda di progettazione del circuito.

D'altra parte, se esiste un'opzione di risparmio energetico adeguata sui circuiti, il progettista può facilmente soddisfare il requisito di più di un power-rail, necessario per la scheda di sistema incorporata, tuttavia, alcune apparecchiature aggiuntive come la traduzione digitale saranno necessari chip e convertitore CC-CC per completare il design della scheda.

Mantenimento della tensione di esercizio dei dispositivi affamati di energia

Il funzionamento dei dispositivi elettronici affamati di energia dovrebbe essere regolato a bassa tensione in quanto aiuterà a ridurre al minimo il consumo di energia. Per eseguire questo passaggio, saranno necessari alcuni dispositivi aggiuntivi come il convertitore LDO/DC-DC e il traduttore di tensione esterno per interfacciarsi con diverse apparecchiature/componenti nei circuiti che funzionano a livelli di tensione disparati. Prima di eseguire questa procedura, assicurati di controllare il costo aggiuntivo, lo sforzo, il risparmio energetico e il tempo di attivazione richiesti nella progettazione del circuito.

Scegliere i chip e i componenti giusti

La selezione dei componenti e dei chip IC corretti è estremamente importante quando si redige uno schema del sistema embedded poiché influisce sull'efficienza e sulle prestazioni del dispositivo. È inoltre necessario considerare il budget di consumo energetico completo poiché il consumo energetico avrà un impatto maggiore sul circuito. Pertanto, il progettista deve scegliere circuiti integrati con consumo energetico alto/basso a seconda del progetto del circuito , indipendentemente dal fatto che funzionino a livello di alta/bassa tensione. Si dovrebbero anche prendere in considerazione altri fattori importanti nella scelta dei componenti e dei chip per i circuiti.

Utilizzo di vari moduli di interfaccia

La progettazione del circuito del sistema embedded può richiedere l'utilizzo di altri dispositivi già pronti come sensori, telecamere, moduli IoT (Bluetooth, WiFi, ecc.), interfacce di comunicazione RS485/RS232, ecc. È importante considerare il consumo energetico di questi dispositivi di interfacciamento prima di selezionarli. La scelta del giusto tipo di tecnologia può essere idealmente misurata confrontando diversi parametri come il consumo di energia attiva, il tempo di accensione, il consumo energetico ideale di diversi dispositivi.

Ad esempio, se il progettista desidera utilizzare la RF per il trasferimento dei dati, deve considerare il dispositivo adatto da WiFi, BLE, ISM RF, Zigbee, ecc. che fornirà un'esperienza utente eccezionale e consumerà meno energia. Il più delle volte la scelta di una tecnologia errata porta a difficoltà nell'ottimizzazione del consumo energetico nella progettazione del circuito . Pertanto, è importante considerare anche questi fattori.

Gate di alimentazione periferica

Nella progettazione di circuiti elettronici , il meccanismo di controllo della potenza può essere integrato per spegnere il dispositivo quando non viene utilizzato. Alcuni sistemi embedded utilizzano modem di comunicazione e tenerli accesi per tutto il tempo potrebbe incidere sulla spesa dal punto di vista del consumo energetico. Quindi, è meglio utilizzare il controllo di accensione/spegnimento per spegnere il dispositivo quando non è in uso. Anche altri componenti come sensori, ADC, LCD, ecc. devono essere spenti quando non sono utilizzati in quanto ciò contribuirà a ridurre il maggiore consumo di energia nei circuiti.

Uso della giusta alimentazione

È estremamente essenziale scegliere la tensione di ingresso precisa che funzionerà sulla scheda incorporata. O la tensione di ingresso viene fornita dall'adattatore di alimentazione o dalla batteria; deve essere misurato correttamente. Se ogni componente del circuito funziona a 3,3 V o 5 V, è meglio utilizzare un ingresso di alimentazione a 6 V piuttosto che utilizzare una batteria da 12/24 V o un ingresso CC in quanto aiuterà a prevenire la perdita di potenza nei circuiti come alimentazione la perdita è direttamente correlata alla differenza di tensione.

Per la conversione di tensione della scheda incorporata, il progettista dovrebbe utilizzare un convertitore CC-CC a commutazione anziché un regolatore lineare. I regolatori lineari funzionano altamente inefficaci nella conversione di tensione in quanto questi dispositivi sulla modalità di dissipazione in cui la potenza è equivalente alla differenza di tensione e corrente dissipata sotto forma di calore.

Posizionamento dei LED

Il posizionamento dei LED sulla scheda incorporata può influire notevolmente sul consumo energetico del progetto del circuito . Un singolo LED può consumare fino a 1-5 mA nel circuito. Quindi, se è necessario utilizzare i LED a bordo, il progettista dovrebbe provare a ridurre i LED. Sarà meglio se i LED vengono completamente rimossi, se possibile.

In caso contrario, il progettista deve cercare di ridurre al minimo la luminosità dei LED con l'aiuto di una resistenza di alto valore. Il tecnico può impostare i LED in modo che lampeggino solo anziché farli illuminare a tempo pieno o mantenerli spenti fino a quando l'utente non richiede la comunicazione con il dispositivo. Tali approcci aiuteranno a ridurre il consumo di energia nel circuito generale.

Selezione del display destro

Quando si seleziona il display per la scheda incorporata, un tecnico ha diverse opzioni tra cui scegliere come Paper Display, Display a 7 segmenti, OLED, LCD grafico mono, LCD a caratteri, LCD in vetro, ecc. Poiché il display consuma dal 50% al 60% del consumo energetico complessivo, quindi il progettista deve scegliere il display con attenzione, tenendo presente il budget di consumo energetico complessivo erogato dall'intero circuito.

Se è certamente obbligatorio utilizzare il display con un consumo energetico elevato, il progettista dovrebbe implementare altre tecniche come la visualizzazione completa, il power gating della retroilluminazione, le dimensioni del display, la scelta della combinazione di colori, come la modalità scala di grigi o scura, che può aiutare nel ridurre drasticamente il consumo di energia.

Uso di resistori di pull-up

L'uso di resistori di pull-up di valori ottimali può aiutare a ridurre il consumo di energia nei circuiti. I resistori di pull-up sono utilizzati principalmente per chiavi, I2C, ecc. Ogni resistore di pull-up può aiutare a risparmiare fino a pochi milliampere. Quindi, l'uso dei pull-up può aiutare in modo significativo nel risparmio energetico. Ad esempio, il resistore di pull-up di valore 1K consumerà fino a 3,3 mA rispetto al pull-up di valore 10K, che consumerà 330 uA durante il funzionamento a 3,3 V.

Uso del microcontrollore (MCU)

La scelta del microcontrollore giusto è importante per la progettazione dei circuiti dei sistemi embedded. A seconda del tipo di circuito, la selezione del microcontrollore ad alto/basso consumo energetico può variare. La selezione del microcontrollore a basso consumo energetico è fondamentale se il consumo energetico dell'MCU è maggiore del 20% rispetto al consumo energetico della scheda di sistema incorporata.

Quindi, fare più sforzi nella scelta dell'MCU a minor consumo energetico non avrà molto impatto sui circuiti. È importante prestare attenzione ad altri fattori che possono aiutare a ridurre il consumo energetico come il power gating delle periferiche, l'impostazione del livello di ingresso dei pin a virgola mobile su uno stato alto o basso definito, l'ottimizzazione delle strategie di flusso del codice, ecc.

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