Rozważania dotyczące projektowania obwodów dla systemów wbudowanych

Systemy wbudowane są zaprojektowane do działania wyłącznie w określonych celach i są zoptymalizowane pod kątem spełniania różnych parametrów, takich jak moc, wydajność, koszt i czas. Projektowanie systemów wbudowanych jest pełne wyzwań, ponieważ proces projektowania projektu wbudowanego obejmuje różne działania optymalizacyjne z wymaganiem różnych specyfikacji dla różnych warunków.

Projekty obwodów urządzeń elektroniki użytkowej, takich jak telefony komórkowe, laptopy i inne urządzenia, muszą być wykonane w taki sposób, aby były odporne na uderzenia, upadki lub zanurzenie w wodzie bez utraty zdolności operacyjnej.

Opracowywanie obwodów systemów wbudowanych przebiega przez różne etapy, a projektant powinien zapoznać się z tymi wymaganiami przed rozpoczęciem procesu projektowania. Zignorowanie jednego kroku może prowadzić do nieprawidłowego opracowania systemu wbudowanego, co może prowadzić do awarii urządzenia, co może kosztować ogromne wydatki po końcowej fazie projektowania. TronicsZone , firma specjalizująca się w tym obszarze, zaleca następujące praktyki, aby zapewnić sukces i zmniejszyć ryzyko.

Przed rozpoczęciem prac nad projektem obwodów systemów wbudowanych ważne jest poznanie tych dwóch parametrów:

1. Rozpoznaj budżet mocy : Zrozumienie pełnego budżetu mocy podczas projektowania systemu wbudowanego pomoże Ci wybrać odpowiednie komponenty/układy i inne niezbędne czynniki.
2. Pomiar całkowitego poboru mocy: Całkowity pobór mocy obwodów można wywnioskować za pomocą schematu blokowego podczas projektowania systemu wbudowanego. Zastosowanie schematu blokowego pomoże projektantowi rozpoznać główne elementy obwodu i ich limity poboru mocy. Twórz dedykowane notatki aplikacyjne i arkusze danych, aby uzyskać te informacje o urządzeniach.

Wyżej wymienione czynniki pomogą projektantowi układów wbudowanych w zbudowaniu wysokopoziomowego projektu układu wbudowanego w celu osiągnięcia mniejszego zużycia energii i wysokiej wydajności oraz sprawności. Pomoże to również inżynierowi zrozumieć właściwe wymagania chipów/komponentów i innych ważnych parametrów we wczesnej fazie projektowania systemu wbudowanego. Aby zaprojektować efektywny system wbudowany, poniżej znajduje się lista przydatnych rozważań dotyczących projektowania obwodów, które mogą być wykorzystane przez projektanta przy projektowaniu płyt systemu wbudowanego.

Prowadzenie kontroli ogólnego napięcia roboczego obwodu

Ważne jest, aby utrzymać niskie napięcie robocze dla całej płytki drukowanej, ponieważ zużycie energii jest związane z napięciem roboczym. Im wyższy poziom napięcia w obwodzie, tym wyższy pobór mocy, dlatego zaleca się, aby poziom napięcia był jak najniższy. Np. jeśli każdy chip w obwodzie może generować napięcie do 2,7 V, to projektant może rozważyć ustawienie niewielkiego marginesu dla konkretnego poziomu napięcia dla całej płytki projektowej obwodu .

Z drugiej strony, jeśli w obwodach istnieje odpowiednia opcja oszczędzania energii, projektant może łatwo spełnić wymaganie więcej niż jednej szyny zasilającej, która jest wymagana przez wbudowaną płytę systemową, jednak niektóre dodatkowe wyposażenie, takie jak tłumaczenie cyfrowe chipy i konwerter DC-DC będą potrzebne do ukończenia projektu płyty.

Utrzymanie napięcia roboczego urządzeń energochłonnych

Działanie energochłonnych urządzeń elektronicznych powinno być regulowane przy niskim napięciu, ponieważ pomoże to zminimalizować zużycie energii. Aby wykonać ten krok, niektóre dodatkowe urządzenia, takie jak konwerter LDO/DC-DC i zewnętrzny translator napięcia, będą wymagane do połączenia z różnymi urządzeniami/elementami w obwodach, które działają przy różnych poziomach napięcia. Przed przystąpieniem do tej procedury należy sprawdzić, czy w projekcie obwodu będą wymagane dodatkowe koszty, wysiłek, oszczędność energii i czas budzenia .

Wybór odpowiednich chipów i komponentów

Dobór odpowiednich komponentów i układów scalonych jest bardzo ważny podczas opracowywania schematu systemu wbudowanego, ponieważ wpływa na wydajność i wydajność urządzenia. Należy również wziąć pod uwagę całkowity budżet zużycia energii, ponieważ zużycie energii będzie miało większy wpływ na obwód. Projektant musi więc wybrać układy scalone o wysokim/niskim poborze mocy w zależności od projektu obwodu , czy będzie on działał na wysokim/niskim poziomie napięcia. Przy wyborze komponentów i układów scalonych należy również uwzględnić inne ważne czynniki.

Korzystanie z różnych modułów interfejsu

Projekt obwodu systemu wbudowanego może wymagać użycia innych gotowych urządzeń, takich jak czujniki, kamery, moduły IoT (Bluetooth, WiFi itp.), interfejsy komunikacyjne RS485/RS232 itp. Ważne jest, aby wziąć pod uwagę pobór mocy tych urządzeń łączących przed ich wybraniem. Aby wybrać odpowiedni rodzaj technologii, można idealnie zmierzyć, porównując kilka parametrów, takich jak pobór mocy czynnej, czas rozruchu, idealny pobór mocy różnych urządzeń.

Np. jeśli projektant chce używać RF do przesyłania danych, musi rozważyć odpowiednie urządzenie z WiFi, BLE, ISM RF, Zigbee itp., które zapewni wspaniałe wrażenia użytkownika i będzie zużywać mniej energii. W większości przypadków wybór niewłaściwej technologii prowadzi do trudności w optymalizacji zużycia energii w projekcie obwodu . Dlatego ważne jest, aby wziąć pod uwagę również te czynniki.

Bramkowanie zasilania peryferyjnego

W projektowaniu obwodów elektronicznych mechanizm sterowania mocą można zintegrować, aby urządzenie WYŁĄCZAło się, gdy nie jest używane. Niektóre systemy wbudowane używają modemów komunikacyjnych i trzymanie ich w stanie włączonym przez cały czas może mieć wpływ na koszty z punktu widzenia zużycia energii. Dlatego lepiej jest użyć przełącznika zasilania ON/OFF, aby wyłączyć zasilanie urządzenia, gdy nie jest ono używane. Inne komponenty, takie jak czujniki, ADC, LCD itp. powinny być wyłączone, gdy również nie są używane, ponieważ pomoże to zmniejszyć większe zużycie energii w obwodach.

Korzystanie z odpowiedniego zasilacza

Bardzo ważne jest, aby wybrać dokładne napięcie wejściowe, które będzie działać na wbudowanej płytce. Albo napięcie wejściowe jest dostarczane przez zasilacz lub baterię; musi być prawidłowo zmierzony. Jeśli każdy element na płytce drukowanej jest zasilany napięciem 3,3 V lub 5 V, lepiej jest użyć wejścia zasilania 6 V zamiast korzystać z akumulatora 12/24 V lub wejścia prądu stałego, ponieważ pomoże to zapobiec utracie mocy w obwodach jako mocy strata jest bezpośrednio związana z różnicą napięć.

Do konwersji napięcia wbudowanej płytki konstruktor powinien wykorzystać przełączający konwerter DC-DC zamiast regulatora liniowego. Regulatory liniowe działają bardzo nieefektywnie w konwersji napięcia, ponieważ są to urządzenia w trybie rozpraszania, w którym moc jest równoważna różnicy napięcia i prądu rozpraszanego w postaci ciepła.

Umieszczenie diod LED

Umieszczenie diod LED na wbudowanej płytce może w dużym stopniu wpłynąć na zużycie energii przez projekt obwodu . Pojedyncza dioda LED może pobierać w obwodzie do 1-5mA. Jeśli więc istnieje potrzeba zastosowania diod LED na pokładzie, projektant powinien spróbować zredukować diody. Będzie lepiej, jeśli diody LED zostaną całkowicie usunięte, jeśli to możliwe.

W przeciwnym razie projektant musi postarać się zminimalizować jasność diod LED za pomocą wysokiej wartości rezystancji. Albo inżynier może ustawić diody tak, aby tylko migały, zamiast świecić przez cały czas lub wyłączać je, dopóki użytkownik nie zażąda komunikacji z urządzeniem. Takie podejście pomoże zmniejszyć zużycie energii w całym obwodzie.

Wybór prawego wyświetlacza

Wybierając wyświetlacz dla wbudowanej płytki, inżynier ma do wyboru kilka opcji, takich jak wyświetlacz papierowy, wyświetlacz 7-segmentowy, OLED, monograficzny wyświetlacz LCD, znakowy wyświetlacz LCD, szklany wyświetlacz LCD itp. Ponieważ wyświetlacz zużywa od 50% do 60% całkowitego zużycia energii, więc projektant musi starannie dobierać wyświetlacz, pamiętając o całkowitym budżecie zużycia energii dostarczanego przez cały obwód.

Jeśli z pewnością konieczne jest używanie wyświetlacza o wysokim zużyciu energii, projektant powinien zastosować inne techniki, takie jak pełny wyświetlacz, bramkowanie mocy podświetlenia, rozmiar wyświetlacza, wybór schematu kolorów, na przykład tryb szarości lub ciemnej skali, które mogą pomóc w drastycznym minimalizowaniu zużycia energii.

Zastosowanie rezystorów podciągających

Użycie rezystorów podwyższających o optymalnych wartościach może pomóc w zmniejszeniu zużycia energii w obwodach. Rezystory podciągające są głównie używane do kluczy, I2C itp. Każdy rezystor podciągający może pomóc zaoszczędzić nawet kilka miliamperów. Tak więc stosowanie podciągnięć może znacznie pomóc w oszczędzaniu energii. Np. rezystor podciągający o wartości 1K będzie drenował do 3,3mA niż rezystor podciągający o wartości 10K, który drenuje 330uA podczas pracy przy 3,3V.

Korzystanie z mikrokontrolera (MCU)

Wybór odpowiedniego mikrokontrolera jest ważny przy projektowaniu obwodów systemów wbudowanych. W zależności od typu obwodów, wybór mikrokontrolera o wysokim/niskim poborze mocy może się różnić. Wybór mikrokontrolera o niskim poborze mocy ma krytyczne znaczenie, jeśli pobór mocy przez MCU jest o 20% większy niż pobór mocy wbudowanej płyty systemowej.

Tak więc włożenie większego wysiłku w wybór MCU o najniższym poborze mocy nie wpłynie zbytnio na obwody. Ważne jest, aby zwracać uwagę na inne czynniki, które mogą pomóc w niskim zużyciu energii, takie jak bramkowanie mocy urządzeń peryferyjnych, ustawianie poziomu wejściowego pinów zmiennoprzecinkowych na określony stan wysoki lub niski, optymalizacja strategii przepływu kodu itp.

Masz jakieś przemyślenia na ten temat? Daj nam znać poniżej w komentarzach lub przenieś dyskusję na naszego Twittera lub Facebooka.

Rekomendacje redaktorów:

• Jak układy się płytek drukowanych 3D do rzeczywistości?
• Ten długopis rysuje obwody zdolne do przewodzenia energii elektrycznej
• Oto najlepsze zabawki STEM na rynku
• 7 rzeczy, których możemy się nauczyć z solidnego zarządzania flotą, które pomaga Amazon