Blogue PCB - Schéma de gestion de l'alimentation programmable pour la conception de cartes PCB

La gestion de l'alimentation d'une carte PCB implique généralement tous les aspects impliqués dans l'alimentation d'une carte PCB. Certaines questions fréquemment posées comprennent:

1. Choisissez divers convertisseurs DC - DC pour alimenter la carte PCB;

2. Ordre de montée et de descente / suivi;

3. Surveillance de tension.

Dans cet article, la gestion de l'alimentation est simplement définie comme la gestion de toutes les sources d'alimentation (y compris les convertisseurs DC - DC, LDO, etc.) sur une carte PCB. La gestion de l'alimentation comprend les fonctions suivantes: gérer le contrôleur DC - DC sur le PCB. Par exemple, le branchement à chaud, le démarrage en douceur, le tri, le suivi, les tolérances et la régulation; Générer tous les états de puissance associés et les signaux logiques de commande. Par exemple, la génération de signaux de Réinitialisation, l'indication de pannes d'alimentation (surveillance) et la gestion de la tension. La figure 1 montre une fonction typique de gestion de l'alimentation sur un PCB avec CPU ou microprocesseur; La fonction Hot plug / soft start Control est utilisée pour limiter le courant de surtension afin de réduire la charge de démarrage sur l'alimentation. C'est une fonction importante de la carte PCB insérée dans le substrat actif; Les fonctions de tri et de suivi de la puissance sont utilisées pour contrôler comment tourner plusieurs Alimentations. La surveillance des pannes (surtension / sous - tension) est effectuée pour toutes les tensions afin d'avertir le processeur d'une panne d'alimentation imminente. Cette fonction est aussi appelée « fonction de supervision ». Lorsque le processeur est alimenté, la fonction de génération de Réinitialisation fournit au processeur des conditions de démarrage fiables. Certains processeurs exigent que le signal de remise à zéro soit maintenu pendant un certain temps après que toutes les alimentations de fonctionnement du processeur soient stabilisées. Ceci est également appelé étirement d'impulsion de Réinitialisation. La fonction du générateur de Réinitialisation est de maintenir le processeur en mode de Réinitialisation en cas de panne de courant pour éviter les erreurs inattendues dans la mémoire flash sur la carte PCB

1. Limites des solutions traditionnelles de gestion de l'alimentation

Traditionnellement, chaque fonction de gestion de l'alimentation sur un PCB est réalisée par une fonction IC distincte. Ces ci sont disponibles en différents modèles et peuvent être utilisés pour différentes combinaisons de tension. De cette façon, il existe des centaines de modèles d'IC à fonction unique de différents fabricants pour répondre à différents besoins de gestion de l'alimentation. Par exemple, pour sélectionner un modèle IC Reset generator, vous devez fournir les informations suivantes:

1) Le nombre de voies de tension surveillées par le générateur de Réinitialisation IC;

2) combinaison de tensions (3.3, 2.5, 1.2 ou 3.3, 2.5, 1.8, etc.);

3) Le% de la tension de détection de défaut (3.3v-5%, 3.3v-10%, etc.);

4) précision (3%, 2%, 1,5%, etc.);

5) la fonction d'extension d'impulsion de Réinitialisation est commandée par un condensateur externe;

6) Réinitialiser l'entrée manuellement.

Pour gérer toutes les variations possibles de ces paramètres, un seul générateur de Réinitialisation IC peut être disponible en plusieurs centaines de modèles provenant d'un seul fabricant. En outre, si un ingénieur doit (éventuellement) surveiller une autre tension pendant la conception, il doit choisir un modèle différent. De même, de nombreux circuits intégrés mono - fonction sont disponibles dans de nombreuses variantes basées sur des paramètres différents, même pour les mêmes fonctions, telles que les contrôleurs de branchement à chaud, les séquenceurs de puissance et les circuits intégrés de surveillance / détection de tension. Chaque carte PCB d'un système composé de plusieurs cartes PCB nécessite un ensemble différent de ces circuits intégrés monofonctionnels, ce qui augmente également la liste des matériaux.

2. La complexité de la conception de la carte PCB continue d'augmenter

Si l'utilisation de circuits intégrés de gestion de l'alimentation à fonction unique était autrefois contrôlable, c'est une chose du passé. De nombreuses cartes PCB utilisent maintenant généralement plusieurs périphériques Multi - tension, chacun avec un ordre de mise sous tension différent. Les dispositifs avec des noeuds de processus plus fins nécessitent des tensions plus faibles mais des courants plus élevés. Les concepteurs doivent généralement utiliser un point de charge par IC de puissance Multi - tension. De cette façon, la quantité de puissance utilisée sur le PCB augmentera. Avec l'augmentation des boucles de tension d'alimentation et la nécessité d'une gestion Multi - séquentielle, la gestion de l'alimentation devient plus complexe. À mesure que la conception des cartes PCB devient plus complexe, les solutions traditionnelles de gestion de l'alimentation deviennent plus difficiles à gérer. Actuellement, les concepteurs qui implémentent la gestion de puissance avec des circuits intégrés monofonctionnels traditionnels doivent soit renoncer à surveiller certaines tensions, soit utiliser plusieurs dispositifs monofonctionnels pour chaque fonction de gestion de puissance. Aucune des méthodes suivantes n'est souhaitable.

1) Augmenter la zone de PCB et réduire la fiabilité

D'un point de vue statistique, l'augmentation du nombre d'IC monofonctionnels et les interconnexions entre eux augmentent non seulement la surface du PCB, mais réduisent également la fiabilité du PCB. Par exemple, il est possible d'augmenter la probabilité d'erreurs d'assemblage, ce qui conduit à des résultats imprévisibles (et bien sûr mauvais).

2) Deuxième canal d'approvisionnement et compromis de conception

Lors de l'achat d'un équipement à fonction unique auprès de différents fournisseurs, même si l'un d'eux n'arrive pas à temps, il augmente le risque de retard de production. Il en résulte à son tour la nécessité d'un second canal d'alimentation. Cependant, le deuxième canal réduit la disponibilité de l'équipement pour les ingénieurs de conception, forçant les concepteurs à sacrifier la couverture de surveillance des pannes sur les PCB en raison de ces périphériques hors de portée. Les coûts d'assemblage et de test sont proportionnels au nombre d'équipements utilisés dans le système. Le coût unitaire de cet appareil est inversement proportionnel au volume acheté. Étant donné que de nombreux équipements sont nécessaires dans un système donné, moins d'équipements sont nécessaires pour construire le système, ce qui augmente le coût de l'ensemble du système. Par exemple, supposons qu'un système ait 10 cartes PCB et que 1000 de ces systèmes soient fabriqués chaque année. Si chaque carte PCB utilise un seul ci à fonction unique pour la gestion de l'alimentation, environ 10 ci à fonction unique différents sont nécessaires pour compléter la conception. La demande annuelle pour ces circuits intégrés monofonctionnels est de 1000 blocs. Le prix unitaire de 1000 lots est bien sûr supérieur au prix unitaire de 10000 lots. Par conséquent, le coût des solutions de gestion de l'alimentation précédentes était certainement plus élevé que le coût d'utilisation du même ci de gestion de l'alimentation monofonction pour toutes les cartes PCB. Dans les années 1980, lorsque les concepteurs numériques utilisaient des portes TTL pour réaliser des fonctions logiques, les schémas traditionnels de gestion de l'alimentation mis en œuvre avec plusieurs dispositifs IC à fonction unique faisaient partie du passé. À mesure que la complexité des cartes PCB augmente, les concepteurs doivent choisir entre utiliser un ASIC à fonction fixe ou augmenter le nombre de portes TTL utilisées. Il n'est pas surprenant que le nombre de dispositifs TTL utilisés dans la conception du système augmente considérablement.

L'avènement des dispositifs logiques programmables (PLD) a permis aux concepteurs d'implémenter plus de fonctionnalités dans une zone de PCB donnée et de réduire le temps de mise sur le marché. En réduisant le nombre de composants utilisés dans le système, le coût de l'ensemble du système est également réduit. Comme le même PLD peut être utilisé pour plusieurs conceptions, le nombre de composants utilisés dans le système est réduit. Les entreprises peuvent standardiser sur un petit nombre d'appareils PLD sans sacrifier les fonctionnalités requises pour chaque carte PCB. Il est beaucoup plus facile de gérer une petite quantité de PLD que de nombreuses portes TTL. Le même PLD peut être utilisé pour plusieurs conceptions de PCB, ce qui réduit voire élimine le besoin d'un deuxième canal d'alimentation. Les concepteurs peuvent utiliser un logiciel pour simuler un design avant qu'il ne soit commercialisé, augmentant ainsi leurs chances de succès. À l'heure actuelle, l'utilisation de circuits intégrés de gestion de l'alimentation à fonction unique est aussi obsolète que l'utilisation de portes TTL dans le passé. La conception des cartes PCB complexes d'aujourd'hui nécessite un « PLD de gestion de l'alimentation». En fait, l'adoption d'un tel dispositif devrait maintenant être une proposition de conception de carte PCB.

3.programmable schéma de gestion de l'alimentation

Une implémentation typique de la gestion de l'alimentation d'une carte PCB utilise un seul périphérique Programmable de gestion de l'alimentation. Les dispositifs de gestion de l'alimentation programmables nécessitent des sections analogiques et numériques programmables pour simplifier l'intégration de plusieurs dispositifs de gestion de l'alimentation traditionnels à fonction unique. Les concepteurs peuvent configurer une section analogique programmable pour surveiller un ensemble de combinaisons de tension sans avoir besoin d'un appareil monofonction spécialement configuré et programmé en usine. La partie numérique Programmable du dispositif de gestion de l'alimentation nécessite de définir la logique d'une carte PCB contenant des fonctions de surveillance de l'alimentation programmables telles que la génération de Réinitialisation, la génération d'interruption de panne de courant et le séquencement des alimentations individuelles. Une approche de conception Programmable basée sur un logiciel permet aux dispositifs de gestion de l'alimentation de fournir plusieurs fonctions de gestion de l'alimentation spécifiques à la carte.

4. Programmabilité gestion de l'alimentation normalisée

En reconfigurant simplement les périphériques programmables, les concepteurs peuvent implémenter toutes les fonctions de gestion de l'alimentation spécifiques à la carte avec un seul périphérique de gestion de l'alimentation programmable. Le même dispositif Programmable peut être utilisé sur plusieurs cartes PCB au lieu d'utiliser plusieurs circuits intégrés monofonctionnels. Ainsi, les concepteurs peuvent standardiser sur un seul dispositif Programmable de gestion de l'alimentation tout au long du processus de conception. L'intégration des fonctions de gestion de l'alimentation dans un seul périphérique Programmable de gestion de l'alimentation et l'utilisation du même périphérique sur plusieurs PCB offrent les avantages suivants:

1) réduire la taille de la carte PCB et améliorer la fiabilité

Le principal avantage de l'intégration de plusieurs circuits intégrés monofonctionnels dans un seul appareil est la réduction de la surface de la carte PCB. Le nombre réduit d'éléments et les pistes d'interconnexion correspondantes réduisent la surface et le coût du PCB. D'un point de vue statistique, la réduction du nombre d'éléments améliore également la fiabilité du PCB.

2) capable de répondre aux besoins complexes de gestion de l'alimentation

Aujourd'hui, la quantité d'énergie utilisée sur les cartes PCB augmente. De plus, la complexité des fonctions de surveillance et de contrôle augmente. Comme les dispositifs de gestion de l'alimentation programmables intègrent plus d'entrées de surveillance de l'alimentation (par rapport aux circuits intégrés à fonction unique) et une logique numérique programmable, ces dispositifs sont mieux adaptés à la mise en œuvre de fonctions de gestion de l'alimentation complexes. De plus, la programmabilité offre la flexibilité de s'adapter rapidement aux exigences changeantes des spécifications.

3) pas besoin d'un deuxième canal d'alimentation

En général, le deuxième passage est une précaution à prendre pour éviter les retards de production dus à l'indisponibilité de l'équipement. Ce besoin est aggravé par la réalité qu'un système typique nécessite en fait plusieurs appareils monofonctionnels à petite échelle de différents fournisseurs. En standardisant sur un seul périphérique Programmable de gestion de l'alimentation dans tous les PCB et projets, le besoin d'un deuxième canal chronophage et gourmand en ressources peut être considérablement réduit ou complètement éliminé.

4) réduire les coûts globaux du système

Les dispositifs programmables de gestion de l'alimentation sont généralement moins chers que la somme d'un seul IC à fonction unique. En outre, plusieurs cartes PCB dans le système permettent une gestion de l'alimentation standardisée, avec des remises plus élevées en raison de la grande quantité, ce qui réduit encore les coûts.

5) la fonction de gestion de l'alimentation peut être réalisée par logiciel

Conception à l'aide d'un dispositif Programmable de gestion de l'alimentation mis en œuvre par logiciel. Généralement, les outils de conception de logiciels prennent également en charge la validation des algorithmes de gestion de l'alimentation utilisés sur les simulateurs de carte PCB. Étant donné que la conception de la gestion de l'alimentation est entièrement validée avant que la carte mère ne soit mise sur le marché, les chances de réussite sexuelle sont élevées, ce qui accélère encore le rythme de mise sur le marché du produit.

Le nombre d'alimentations utilisées sur les PCB d'aujourd'hui continue d'augmenter et les algorithmes de gestion de l'alimentation deviennent plus complexes. Cependant, dans ces applications de plus en plus exigeantes, les schémas de gestion de l'énergie obsolètes traditionnels sont encore fréquemment utilisés, ce qui rend la conception de PCB inefficace et coûteuse et conduit souvent à des résultats médiocres en raison des compromis inévitables. Cet article propose une conception pour ce problème complexe de gestion de l'alimentation: l'utilisation d'un dispositif Programmable de gestion de l'alimentation à signaux mixtes. Les concepteurs peuvent standardiser le « PLD de gestion de l'alimentation» et utiliser l'appareil sur toute la carte PCB du système, réduisant ainsi les coûts, améliorant la fiabilité et accélérant le délai de mise sur le marché.