Considerações de projeto de circuito para sistemas embarcados

Os sistemas incorporados são projetados para operar apenas para fins específicos e são otimizados para atender a diferentes parâmetros, como potência, desempenho, custo e tempo. Projetar os sistemas embarcados é cheio de desafios, pois o processo de design do projeto embarcado inclui várias atividades de otimização com a exigência de diferentes especificações para diferentes condições.

O projeto de circuito de dispositivos eletrônicos de consumo, como telefones celulares, laptops e outros dispositivos, precisa ser construído de forma a resistir a pancadas, quedas ou ficar submerso na água sem perder sua capacidade operacional.

O desenvolvimento dos circuitos dos sistemas embarcados passa por diferentes etapas e o projetista deve reconhecer esses requisitos antes de iniciar o processo de projeto. Ignorar qualquer etapa pode levar ao desenvolvimento errado do sistema embarcado, o que pode levar à falha do dispositivo que pode custar grandes despesas após a fase final do projeto. A TronicsZone , empresa especializada nesta área, recomenda as seguintes práticas para garantir o sucesso e reduzir os riscos.

Antes de começar a trabalhar no projeto de circuitos dos sistemas embarcados, é importante conhecer estes dois parâmetros:

1. Reconheça o orçamento de energia à mão : Compreender o orçamento de energia completo para projetar o sistema embarcado ajudará você a selecionar os componentes/chips corretos e outros fatores necessários.
2. Medindo o consumo geral de energia: O consumo geral de energia do circuito pode ser deduzido com a ajuda de um diagrama de blocos ao projetar o sistema embarcado. O uso de um diagrama de blocos ajudará o projetista a reconhecer os principais componentes do circuito e seus limites de consumo de energia. Faça anotações de aplicativos e folhas de dados dedicadas para obter essas informações sobre os dispositivos.

Os fatores mencionados acima ajudarão o projetista de circuitos de sistemas embarcados a construir um projeto de circuitos embarcados de alto nível para obter menos consumo de energia e alto desempenho e eficiência. Também ajudará o engenheiro a entender os requisitos corretos dos chips/componentes e outros parâmetros importantes na fase inicial do projeto do sistema embarcado. Para projetar um sistema embarcado eficaz, a seguir está uma lista de algumas considerações úteis de projeto de circuito que podem ser usadas pelo projetista para projetar as placas do sistema embarcado.

Mantendo uma verificação da tensão geral de operação do circuito

É importante manter uma tensão de operação baixa para a placa de circuito geral porque o consumo de energia está relacionado à tensão de operação. Quanto maior o nível de tensão do circuito, maior o consumo de energia, por isso é aconselhável manter o nível de tensão o mais baixo possível. Por exemplo, se cada chip no circuito puder extrair o nível de tensão de até 2,7 V, então o projetista pode considerar definir uma pequena margem para o nível de tensão específico para a placa de projeto de circuito completo.

Por outro lado, se houver uma opção de economia de energia adequada no circuito, o projetista pode facilmente atender ao requisito de mais de um barramento de energia, o que é necessário para a placa de sistema embarcada, no entanto, alguns equipamentos adicionais, como tradução digital chips e conversor DC-DC serão necessários para completar o projeto da placa.

Mantendo a tensão de operação de dispositivos que consomem muita energia

A operação de dispositivos eletrônicos que consomem muita energia deve ser regulada em baixa tensão, pois ajudará a minimizar o consumo de energia. Para realizar esta etapa, alguns dispositivos adicionais como conversor LDO/DC-DC e conversor de tensão externo serão necessários para fazer interface com diferentes equipamentos/componentes no circuito que estão trabalhando em níveis de tensão diferentes. Antes de realizar este procedimento, certifique-se de verificar o custo adicional, esforço, economia de energia e tempo de despertar que serão necessários no projeto do circuito.

Escolhendo os chips e componentes certos

A seleção dos componentes e chips de IC corretos é muito importante ao elaborar um esquema do sistema embarcado, pois afeta a eficiência e o desempenho do dispositivo. Também é necessário considerar o orçamento completo de consumo de energia, pois o consumo de energia terá um impacto maior no circuito. Assim, o projetista deve escolher CIs com alto/baixo consumo de energia dependendo do projeto do circuito , se ele irá operar em um nível de alta/baixa tensão. Deve-se também reconhecer outros fatores importantes ao escolher os componentes e chips para os circuitos.

Uso de vários módulos de interface

O projeto do circuito do sistema embarcado pode exigir a utilização de outros dispositivos prontos como sensores, câmeras, módulos IoT (Bluetooth, WiFi, etc.), interfaces de comunicação RS485/RS232, etc. É importante considerar o consumo de energia desses dispositivos de interface antes de selecioná-los. A escolha do tipo certo de tecnologia pode ser medida idealmente comparando vários parâmetros, como consumo de energia ativa, tempo de inicialização, consumo de energia ideal de diferentes dispositivos.

Por exemplo, se o designer deseja usar RF para transferir dados, ele precisa considerar o dispositivo adequado de WiFi, BLE, ISM RF, Zigbee, etc., que proporcionará uma ótima experiência ao usuário e consumirá menos energia. Na maioria das vezes, a seleção de tecnologia incorreta leva à dificuldade de otimizar o consumo de energia no projeto do circuito . Por isso, é importante levar em consideração esses fatores também.

Potência periférica

No projeto de circuito eletrônico , o mecanismo de controle de energia pode ser integrado para desligar o dispositivo quando não estiver sendo usado. Certos sistemas embarcados usam modems de comunicação e mantê-los LIGADOS o tempo todo pode impactar a despesa do ponto de vista do consumo de energia. Portanto, é melhor usar o controle de energia ON/OFF para desligar o dispositivo quando não estiver em uso. Outros componentes como sensores, ADC, LCD, etc. devem ser desligados quando também não estiverem em uso, pois isso ajudará a reduzir o maior consumo de energia nos circuitos.

Uso da fonte de alimentação correta

É altamente essencial escolher a tensão de entrada precisa que operará na placa incorporada. A tensão de entrada é fornecida pelo adaptador de alimentação ou pela bateria; ele precisa ser medido corretamente. Se todos os componentes da placa de circuito forem operados a 3,3 V ou 5 V, é melhor usar uma entrada de alimentação de 6 V em vez de usar uma bateria de 12/24 V ou entrada CC, pois isso ajudará a evitar a perda de energia no circuito como energia A perda está diretamente relacionada à diferença de tensão.

Para conversão de tensão da placa embarcada, o projetista deve fazer uso do conversor DC-DC chaveado ao invés de um regulador linear. Os reguladores lineares operam de forma altamente ineficaz na conversão de tensão como esses dispositivos no modo de dissipação em que a potência é equivalente à diferença de tensão e corrente dissipada na forma de calor.

Posicionamento dos LEDs

A colocação de LEDs na placa embutida pode impactar amplamente o consumo de energia do projeto do circuito . Um único LED pode consumir até 1-5mA no circuito. Portanto, se houver necessidade de usar LEDs a bordo, o projetista deve tentar reduzir os LEDs. Será melhor se os LEDs forem completamente removidos, se possível.

Caso contrário, o projetista deve tentar minimizar o brilho dos LEDs com a ajuda de uma resistência de alto valor. O engenheiro pode configurar os LEDs para piscar apenas em vez de fazê-los brilhar o tempo todo ou mantê-los DESLIGADOS até que o usuário precise se comunicar com o dispositivo. Tais abordagens ajudarão a reduzir o consumo de energia no circuito geral.

Seleção de exibição direita

Ao selecionar o display para a placa embutida, um engenheiro tem várias opções, como Paper Display, display de 7 segmentos, OLED, LCD monográfico, LCD de caracteres, LCD de vidro, etc. do consumo geral de energia, portanto, o projetista deve escolher a tela com cuidado, tendo em mente o orçamento geral de consumo de energia fornecido por todo o circuito.

Se for certamente obrigatório usar o display com uma alta taxa de consumo de energia, então o projetista deve implementar outras técnicas como full display, backlight power gating, tamanho do display, escolha de esquema de cores, como modo de escala de cinza ou escuro, que podem ajudar minimizando drasticamente o consumo de energia.

Uso de resistores de pull-up

O uso de resistores pull-up de valores ideais pode ajudar a reduzir o consumo de energia nos circuitos. Resistores de pull-up são usados ​​principalmente para chaves, I2C, etc. Cada resistor de pull-up pode ajudar a economizar até alguns miliamperes. Assim, o uso de pull-ups pode ajudar significativamente na economia de energia. Por exemplo, o resistor pull-up de valor 1K drenará até 3,3mA do que o resistor pull-up de valor 10K, que drenará 330uA quando operando em 3,3V.

Uso de microcontrolador (MCU)

A seleção do microcontrolador correto é importante para o projeto do circuito dos sistemas embarcados. Dependendo do tipo de circuito, a seleção do microcontrolador de alto/baixo consumo de energia pode variar. A seleção do microcontrolador de baixo consumo de energia é fundamental se o consumo de energia do MCU for 20% maior que o consumo de energia da placa de sistema incorporada.

Portanto, fazer mais esforço na escolha do MCU de menor consumo de energia não causará muito impacto nos circuitos. É importante prestar atenção a outros fatores que podem ajudar no baixo consumo de energia, como o power gating dos periféricos, definir o nível de entrada dos pinos de ponto flutuante para um estado alto ou baixo definido, otimizar estratégias de fluxo de código, etc.

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