ข้อควรพิจารณาในการออกแบบวงจรสำหรับระบบฝังตัว

ระบบสมองกลฝังตัวได้รับการออกแบบมาให้ทำงานเพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะเท่านั้น และได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้เป็นไปตามพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น กำลัง ประสิทธิภาพ ต้นทุน และเวลา การออกแบบระบบฝังตัวนั้นเต็มไปด้วยความท้าทาย เนื่องจากกระบวนการออกแบบการออกแบบที่ฝังตัวนั้นรวมถึงกิจกรรมการปรับให้เหมาะสมที่หลากหลายด้วยข้อกำหนดของข้อกำหนดเฉพาะที่แตกต่างกันสำหรับเงื่อนไขที่แตกต่างกัน

การ ออกแบบวงจรของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป และอุปกรณ์อื่นๆ จำเป็นต้องสร้างขึ้นในลักษณะที่สามารถทนต่อการกระแทก การตกหล่น หรือจมอยู่ใต้น้ำได้โดยไม่สูญเสียความสามารถในการปฏิบัติงาน

การพัฒนาวงจรของ ระบบฝังตัว ต้องผ่านขั้นตอนต่างๆ และผู้ออกแบบควรรับทราบข้อกำหนดเหล่านี้ก่อนเริ่มกระบวนการออกแบบ การละเลยขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งอาจนำไปสู่การพัฒนาระบบฝังตัวที่ไม่ถูกต้อง ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของอุปกรณ์ซึ่งอาจทำให้ต้องเสียค่าใช้จ่ายจำนวนมากหลังจากขั้นตอนการออกแบบขั้นสุดท้าย TronicsZone บริษัทที่เชี่ยวชาญด้านนี้แนะนำแนวทางปฏิบัติต่อไปนี้เพื่อให้แน่ใจว่าประสบความสำเร็จและลดความเสี่ยง

ก่อนเริ่มทำงานกับการ ออกแบบวงจรของระบบฝังตัว สิ่งสำคัญคือต้องทราบพารามิเตอร์ทั้งสองนี้:

1. รับทราบงบประมาณกำลังไฟฟ้า : การทำความเข้าใจงบประมาณด้านพลังงานทั้งหมดสำหรับการออกแบบระบบฝังตัวจะช่วยให้คุณเลือกส่วนประกอบ/ชิปที่เหมาะสม และปัจจัยอื่นๆ ที่จำเป็น
2. การวัดการใช้พลังงานโดยรวม: การใช้พลังงานโดยรวมของวงจรสามารถอนุมานได้โดยใช้บล็อกไดอะแกรมเมื่อออกแบบระบบฝังตัว การใช้บล็อกไดอะแกรมจะช่วยให้ผู้ออกแบบรู้จักส่วนประกอบหลักของวงจรและขีดจำกัดการใช้พลังงาน ทำบันทึกย่อของแอปพลิเคชันและเอกสารข้อมูลโดยเฉพาะเพื่อรับข้อมูลเกี่ยวกับอุปกรณ์นี้

ปัจจัยดังกล่าวจะช่วยให้ผู้ออกแบบวงจรระบบฝังตัวสร้างการออกแบบวงจรฝังตัวระดับสูง เพื่อให้สิ้นเปลืองพลังงานน้อยลงและมีประสิทธิภาพสูงพร้อมประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังช่วยให้วิศวกรเข้าใจข้อกำหนดที่ถูกต้องของชิป/ส่วนประกอบและพารามิเตอร์ที่สำคัญอื่นๆ ในระยะเริ่มต้นของการออกแบบระบบฝังตัว ในการออกแบบระบบฝังตัวที่มีประสิทธิภาพ ต่อไปนี้คือรายการข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการออกแบบวงจรที่มีประโยชน์ ซึ่งผู้ออกแบบสามารถใช้ในการออกแบบแผงระบบฝังตัวได้

หมั่นตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าในการทำงานของวงจรโดยรวม

สิ่งสำคัญคือต้องรักษาแรงดันไฟฟ้าในการทำงานให้ต่ำสำหรับแผงวงจรโดยรวม เนื่องจากการใช้พลังงานเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน ยิ่งระดับแรงดันไฟฟ้าของวงจรสูงขึ้นเท่าใด การใช้พลังงานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นจึงควรรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้ เช่น หากชิปทุกตัวในวงจรสามารถดึงระดับแรงดันไฟฟ้าได้สูงถึง 2.7V ผู้ออกแบบสามารถพิจารณากำหนดระยะขอบเล็กน้อยให้กับระดับแรงดันไฟฟ้าเฉพาะสำหรับ บอร์ดออกแบบวงจรทั้งหมด

ในทางกลับกัน หากมีตัวเลือกการประหยัดพลังงานที่เหมาะสมบนวงจร ผู้ออกแบบก็สามารถตอบสนองความต้องการของรางไฟฟ้าได้มากกว่าหนึ่งราง ซึ่งบอร์ดระบบฝังตัวจำเป็นต้องใช้อย่างง่ายดาย อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เพิ่มเติมบางอย่าง เช่น การแปลดิจิทัล จำเป็นต้องใช้ชิปและตัวแปลง DC-DC เพื่อให้การออกแบบบอร์ดสมบูรณ์

การรักษาแรงดันไฟฟ้าในการทำงานของอุปกรณ์ที่ต้องการพลังงาน

การทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานมากควรได้รับการควบคุมที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ เนื่องจากจะช่วยลดการใช้พลังงานได้ ในการทำขั้นตอนนี้ให้สำเร็จ อุปกรณ์เพิ่มเติมบางอย่าง เช่น ตัวแปลง LDO/ DC-DC และตัวแปลแรงดันไฟฟ้าภายนอก จะต้องทำการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์/ส่วนประกอบต่างๆ ในวงจรซึ่งทำงานในระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ก่อนดำเนินการตามขั้นตอนนี้ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ตรวจสอบค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม ความพยายาม การประหยัดพลังงาน และเวลาปลุกที่จำเป็นสำหรับการ ออกแบบวงจร

การเลือกชิปและส่วนประกอบที่เหมาะสม

การเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมและชิป IC มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อร่างแผนผังของระบบฝังตัว เนื่องจากมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องพิจารณางบประมาณการใช้พลังงานทั้งหมดเนื่องจากการใช้พลังงานจะส่งผลต่อวงจรมากขึ้น ดังนั้นผู้ออกแบบจึงต้องเลือกไอซีที่มีอัตราสิ้นเปลืองพลังงานสูง/ต่ำ ขึ้นอยู่กับการ ออกแบบวงจร ว่าจะทำงานที่ระดับแรงดันสูง/ต่ำหรือไม่ เราควรทราบปัจจัยสำคัญอื่นๆ ในการเลือกส่วนประกอบและชิปสำหรับวงจรด้วย

การใช้โมดูลเชื่อมต่อต่างๆ

การออกแบบวงจรของระบบสมองกลฝังตัวอาจจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์สำเร็จรูปอื่นๆ เช่น เซ็นเซอร์ กล้อง โมดูล IoT (Bluetooth, WiFi เป็นต้น) อินเทอร์เฟซการสื่อสาร RS485/ RS232 เป็นต้น ควรพิจารณาการใช้พลังงาน ของอุปกรณ์เชื่อมต่อเหล่านี้ก่อนที่จะเลือก ในการเลือกประเภทเทคโนโลยีที่เหมาะสม สามารถวัดค่าได้อย่างเหมาะสมโดยการเปรียบเทียบพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น การใช้พลังงานขณะใช้งาน เวลาเปิดเครื่อง การใช้พลังงานในอุดมคติของอุปกรณ์ต่างๆ

เช่น หากผู้ออกแบบต้องการใช้ RF ในการถ่ายโอนข้อมูล เขา/เธอต้องพิจารณาอุปกรณ์ที่เหมาะสมจาก WiFi, BLE, ISM RF, Zigbee เป็นต้น ซึ่งจะให้ประสบการณ์การใช้งานที่ยอดเยี่ยมและใช้พลังงานน้อยลง ส่วนใหญ่การเลือกเทคโนโลยีที่ไม่ถูกต้องจะทำให้เกิดปัญหาในการปรับการใช้พลังงานให้เหมาะสมในการ ออกแบบ วงจร ดังนั้นจึงควรคำนึงถึงปัจจัยเหล่านี้ด้วย

รั้วรอบขอบชิด

ในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ สามารถรวมกลไกการควบคุมกำลังเพื่อให้อุปกรณ์ปิดเมื่อไม่ได้ใช้งาน ระบบฝังตัวบางระบบใช้โมเด็มสื่อสารและเปิดไว้ตลอดเวลาอาจส่งผลกระทบต่อค่าใช้จ่ายจากการใช้พลังงาน ดังนั้นจึงควรใช้ตัวควบคุมการเปิด/ปิดเพื่อปิดเครื่องเมื่อไม่ได้ใช้งาน ส่วนประกอบอื่นๆ เช่น เซ็นเซอร์ ADC LCD ฯลฯ ควรปิดเมื่อไม่ได้ใช้งาน เนื่องจากจะช่วยลดการใช้พลังงานในวงจรได้มากขึ้น

การใช้แหล่งจ่ายไฟที่เหมาะสม

จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเลือกแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ถูกต้องซึ่งจะทำงานบนบอร์ดฝังตัว แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะถูกส่งโดยอะแดปเตอร์จ่ายไฟหรือแบตเตอรี่ จะต้องมีการวัดอย่างถูกต้อง หากทุกส่วนประกอบบนแผงวงจรทำงานที่ 3.3V หรือ 5V ควรใช้ไฟเข้า 6V แทนการใช้แบตเตอรี่ 12/24V หรืออินพุต DC เพราะจะช่วยป้องกันการสูญเสียพลังงานในวงจรเป็นกำลังไฟฟ้า การสูญเสียเกี่ยวข้องโดยตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้า

สำหรับการแปลงแรงดันไฟฟ้าของบอร์ดฝังตัว ผู้ออกแบบควรใช้ตัวแปลง DC-DC แบบสวิตช์แทนตัวควบคุมเชิงเส้น ตัวควบคุมเชิงเส้นทำงานไม่ได้ผลอย่างมากในการแปลงแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้อยู่ในโหมดการกระจายซึ่งพลังงานจะเทียบเท่ากับความแตกต่างของแรงดันและกระแสไฟที่กระจายไปในรูปของความร้อน

ตำแหน่ง LED

การวาง LED ไว้บนบอร์ดฝังตัวสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อการใช้พลังงานของการ ออกแบบ วงจร LED เดียวกินไฟได้สูงถึง 1-5mA ในวงจร ดังนั้น หากมีความจำเป็นในการใช้ LED บนบอร์ด นักออกแบบควรลองลด LEDs ลง มันจะดีกว่าถ้าไฟ LED ถูกลบออกทั้งหมดถ้าเป็นไปได้

มิฉะนั้น ผู้ออกแบบจะต้องพยายามลดความสว่างของ LED ด้วยความช่วยเหลือของค่าความต้านทานสูง วิศวกรสามารถตั้งค่าให้ไฟ LED กะพริบเท่านั้นแทนที่จะทำให้ไฟสว่างเต็มเวลาหรือปิดไฟไว้จนกว่าผู้ใช้จะต้องการสื่อสารกับอุปกรณ์ วิธีการดังกล่าวจะช่วยลดการใช้พลังงานในวงจรโดยรวม

การเลือกจอแสดงผลที่เหมาะสม

เมื่อเลือกจอแสดงผลสำหรับบอร์ดฝังตัว วิศวกรมีตัวเลือกมากมายให้เลือก เช่น Paper Display, 7 Segment display, OLED, Mono Graphic LCD, Character LCD, Glass LCD เป็นต้น เนื่องจากการแสดงผลกินไฟมากกว่า 50% ถึง 60% ของการใช้พลังงานโดยรวม ดังนั้นผู้ออกแบบจึงต้องเลือกจอแสดงผลอย่างระมัดระวัง โดยคำนึงถึงงบประมาณการใช้พลังงานโดยรวมที่จัดส่งโดยวงจรทั้งหมด

หากบังคับใช้จอแสดงผลที่มีอัตราการใช้พลังงานสูงอย่างแน่นอน นักออกแบบควรใช้เทคนิคอื่นๆ เช่น การแสดงผลแบบเต็มหน้าจอ การเปิดปิดไฟแบ็คไลท์ ขนาดจอแสดงผล การเลือกโทนสี เช่น โหมดสเกลสีเทาหรือสีเข้ม ซึ่งสามารถช่วยได้ ในการลดการใช้พลังงานลงอย่างมาก

การใช้ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น

การใช้ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นของค่าที่เหมาะสมสามารถช่วยลดการใช้พลังงานในวงจรได้ ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นส่วนใหญ่จะใช้สำหรับคีย์, I2C เป็นต้น ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นทุกตัวสามารถช่วยประหยัดค่าได้ไม่กี่มิลลิแอมป์ ดังนั้นการใช้พูลอัพสามารถช่วยประหยัดพลังงานได้อย่างมาก เช่น ตัวต้านทานแบบดึงขึ้นที่ค่า 1K จะระบายออกได้สูงถึง 3.3mA มากกว่าตัวต้านทานแบบดึงขึ้นที่ 10K ซึ่งจะระบายออก 330uA เมื่อทำงานที่ 3.3V

การใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU)

การเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เหมาะสมมีความสำคัญต่อการ ออกแบบวงจร ของระบบฝังตัว การเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้พลังงานสูง/ต่ำอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับประเภทของวงจร การเลือกไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้พลังงานต่ำเป็นสิ่งสำคัญหากการใช้พลังงานของ MCU มากกว่าการใช้พลังงานของแผงระบบแบบฝัง 20%

ดังนั้น การใช้ความพยายามมากขึ้นในการเลือก MCU ที่ใช้พลังงานต่ำที่สุดจะไม่ส่งผลกระทบต่อวงจรมากนัก สิ่งสำคัญคือต้องใส่ใจกับปัจจัยอื่นๆ ที่สามารถช่วยในการใช้พลังงานต่ำ เช่น การปิดกำลังไฟของอุปกรณ์ต่อพ่วง การตั้งค่าระดับอินพุตของหมุดจุดลอยตัวให้อยู่ในสถานะสูงหรือต่ำที่แน่นอน การเพิ่มประสิทธิภาพกลยุทธ์การไหลของโค้ด ฯลฯ

มีความคิดเกี่ยวกับเรื่องนี้หรือไม่? แจ้งให้เราทราบด้านล่างในความคิดเห็นหรือดำเนินการสนทนาไปที่ Twitter หรือ Facebook ของเรา

คำแนะนำของบรรณาธิการ:

• แผงวงจรพิมพ์ 3 มิติจะซ้อนกันของจริงได้อย่างไร?
• ปากกานี้วาดวงจรที่สามารถนำไฟฟ้าได้
• นี่คือของเล่น STEM ที่ดีที่สุดในตลาดวันนี้
• 7 สิ่งที่เราเรียนรู้ได้จากการจัดการยานพาหนะที่มีประสิทธิภาพซึ่งช่วย Amazon