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Schema programmabile di gestione dell'energia per la progettazione di schede PCB
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Schema programmabile di gestione dell'energia per la progettazione di schede PCB

Schema programmabile di gestione dell'energia per la progettazione di schede PCB

2022-06-07
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Author:pcb

Scheda PCB La gestione dell'energia è generalmente interessata a tutti gli aspetti coinvolti nell'alimentazione di un Scheda PCB. Some commonly covered issues are:

1. Selezionare vari convertitori DC-DC per fornire energia alla scheda PCB;

2. Accendere e spegnere sequenziamento/tracciamento;

3. Monitoraggio della tensione.

Scheda PCB

In questo articolo, La gestione dell'energia è semplicemente definita come la gestione di tutta l'energia sulScheda PCB(including DC-DC converters, LDO, ecc.). La gestione dell'alimentazione include le seguenti funzioni: gestione del controller DC-DC sul PCB. Per esempio, hot-plug, soft-start, sequenziamento, tracciamento, tolleranza, e regolamentazione; vengono generati tutti gli stati di potenza e i segnali logici di controllo pertinenti. Per esempio, reset signal generation, power failure indication (monitoring), e gestione della tensione. La figura 1 mostra una tipica funzione di gestione dell'energia su un PCB con CPU o microprocessore; la spina calda/La funzione di controllo soft-start è utilizzata per limitare la corrente di entrata per ridurre il carico di avvio sull'alimentazione elettrica. Questa è una funzione importante per Scheda PCBs inseriti in substrati attivi; Le funzioni di sequenziamento e monitoraggio dell'alimentazione sono utilizzate per controllare come accendere più alimentatori. Fault (over/under voltage) monitoring of all voltages to warn the processor of impending power failure. Questa funzione è nota anche come "funzione di vigilanza". La funzione di generazione di reset fornisce una condizione di avvio affidabile per il processore quando il processore è alimentato. Alcuni processori richiedono che il segnale di ripristino rimanga per un periodo di tempo dopo che tutte le fonti di alimentazione operative del processore sono stabili. Questo è anche noto come reset pulse stretching. La funzione del generatore di reset è di mantenere il processore in modalità reset in caso di interruzione di corrente per prevenire errori indesiderati nel Scheda PCB memoria flash


1. Limitazioni delle soluzioni tradizionali di gestione dell'energia

Tradizionalmente, ogni funzione di gestione dell'energia sul PCB è implementata da un IC funzionale separato. Questi IC sono disponibili in diversi modelli per diverse combinazioni di tensione. In questo modo, ci sono centinaia di modelli IC monofunzionali di diversi produttori per soddisfare diverse esigenze di gestione dell'energia. Ad esempio, per selezionare un modello IC del generatore di ripristino, devono essere fornite le seguenti informazioni:

1) Il numero di canali di tensione da monitorare dal circuito integrato del generatore di reset;

2) Una combinazione di tensioni (3.3, 2.5, 1.2 o 3.3, 2.5, 1.8, ecc.);

3)% della tensione di rilevamento dei guasti (3.3V-5%, 3.3V-10%, ecc.);

4) Precisione (3%, 2%, 1,5%, ecc.);

5) La funzione di estensione dell'impulso di reset è controllata da un condensatore esterno;

6) Input di reset manuale.


Per gestire tutte le possibili variazioni di questi parametri, ci possono essere centinaia di modelli di un solo produttore per un singolo IC generatore di reset. Inoltre, se l'ingegnere deve monitorare un'altra tensione (probabilmente) durante il processo di progettazione, deve essere selezionato un modello diverso. Allo stesso modo, molti IC monofunzionali sono disponibili in molte varianti basate su parametri diversi, anche per la stessa funzione, come controller hot-swap, sequenziatori di potenza e IC funzione di monitoraggio/rilevamento della tensione. Un set diverso di questi IC monofunzionali è richiesto per ogni scheda PCB di un sistema composto da più schede PCB, aumentando così anche la bolletta dei materiali.


2. La complessità della progettazione della scheda PCB continua ad aumentare

Se l'uso di circuiti integrati di gestione dell'alimentazione a funzione singola fosse mai gestibile, è una cosa del passato. Molte schede PCB ora in genere utilizzano diversi dispositivi multi-tensione, ciascuno con una sequenza di alimentazione diversa. I dispositivi con nodi di processo più fini richiedono tensioni inferiori ma correnti più elevate. I progettisti spesso hanno bisogno di utilizzare un punto di carico per IC di alimentazione multi-tensione. In questo modo, il numero di alimentatori utilizzati sul PCB aumenterà. La gestione dell'alimentazione diventa più complessa man mano che aumentano i cicli di tensione di alimentazione e viene richiesta una gestione multipla del sequenziamento. Man mano che i progetti di schede PCB diventano più complessi, le soluzioni tradizionali di gestione dell'alimentazione diventano più difficili da gestire. Attualmente, i progettisti che implementano la gestione dell'energia con i tradizionali IC monofunzionali devono rinunciare al monitoraggio di determinate tensioni o utilizzare più dispositivi monofunzionali per ogni funzione di gestione dell'energia. Nessuno dei due metodi seguenti è consigliabile.

1) Aumentare l'area PCB e ridurre l'affidabilità

L'aumento del numero di IC monofunzionali e la conseguente interconnessione tra loro non solo aumenta l'area PCB, ma riduce anche l'affidabilità del PCB da un punto di vista statistico. Ad esempio, è possibile aumentare la probabilità di errori di assemblaggio, portando a risultati imprevisti (certamente negativi).

2) Secondo canale di alimentazione e compromesso di progettazione

Quando i dispositivi monofunzionali vengono acquistati da fornitori diversi, aumenta il rischio di ritardi di produzione dovuti anche a uno dei dispositivi che non arrivano in tempo. Questo a sua volta porta alla necessità di un secondo canale di alimentazione. Tuttavia, il secondo canale riduce la disponibilità dei dispositivi per il progettista, costringendo i progettisti a sacrificare la copertura del monitoraggio dei guasti sul PCB a causa di questi dispositivi fuori portata. I costi di montaggio e collaudo sono proporzionali al numero di dispositivi utilizzati nel sistema. Il costo unitario del dispositivo è inversamente proporzionale al volume di acquisto. Poiché molti dispositivi sono necessari in un dato sistema, meno di ogni dispositivo è necessario per costruire il sistema, aumentando il costo complessivo del sistema. Ad esempio, supponendo che un sistema abbia 10 schede PCB, 1.000 tali sistemi saranno fabbricati all'anno. Se ogni scheda PCB utilizza un IC monofunzionale per la gestione dell'alimentazione, sono necessari circa 10 IC monofunzionali diversi per completare la progettazione. La domanda annuale di questi IC monofunzionali è di 1.000 pezzi. Il prezzo unitario in lotti di 1.000 è ovviamente superiore al prezzo unitario in lotti di 10.000. Pertanto, il costo della precedente soluzione di gestione dell'energia è sicuramente superiore a quello di utilizzare lo stesso IC di gestione dell'energia singola per tutte le schede PCB. Gli schemi tradizionali di gestione dell'energia implementati con più dispositivi IC monofunzionali appartengono al passato negli anni '80, quando i progettisti digitali usavano i cancelli TTL per implementare funzioni logiche. Con l'aumentare della complessità della scheda PCB, i progettisti devono scegliere tra utilizzare un ASIC a funzione fissa o aumentare il numero di cancelli TTL utilizzati. Non sorprende che il numero di dispositivi TTL utilizzati nella progettazione di sistemi stia aumentando drasticamente.


L'avvento dei dispositivi logici programmabili (PLD) ha permesso ai progettisti di ottenere maggiori funzionalità all'interno di una data area PCB e ha anche abbreviato il time to market. Il costo complessivo del sistema è ridotto anche riducendo il numero di componenti utilizzati nel sistema. Poiché lo stesso PLD può essere utilizzato in più progetti, il numero di componenti utilizzati nel sistema è ridotto. Le aziende possono standardizzare su un piccolo numero di dispositivi PLD senza sacrificare la funzionalità richiesta di ogni scheda PCB. È molto più facile gestire un piccolo numero di PLD rispetto a molti cancelli TTL. Lo stesso PLD può essere utilizzato per più progetti PCB, riducendo o addirittura eliminando la necessità di un secondo canale di alimentazione. I progettisti possono utilizzare il software per simulare i progetti prima di essere lanciati, aumentando le loro possibilità di successo. Attualmente, l'utilizzo di circuiti integrati di gestione dell'energia monofunzionali è vecchio stile come l'uso di cancelli TTL in passato. Progettare le schede PCB complesse di oggi richiede "Power Management PLD". Infatti, l'adozione di questo dispositivo dovrebbe ora essere un'offerta per la progettazione di schede PCB.


3. Programma programmabile di gestione dell'energia

Una tipica implementazione di gestione dell'alimentazione della scheda PCB utilizza un singolo dispositivo programmabile di gestione dell'alimentazione. I dispositivi di gestione dell'energia programmabili richiedono sezioni analogiche e digitali programmabili per semplificare l'integrazione di più dispositivi di gestione dell'energia tradizionali monofunzionali. I progettisti possono configurare la sezione analogica programmabile per monitorare un insieme di combinazioni di tensione senza ricorrere a un dispositivo monofunzionale appositamente configurato e programmato in fabbrica. La parte digitale programmabile del dispositivo di gestione dell'alimentazione è necessaria per definire la logica per la scheda PCB che incorpora funzioni di monitoraggio dell'alimentazione programmabili come la generazione di reset, l'interruzione dell'alimentazione interrompe la generazione e il sequenziamento di singoli alimentatori. Una metodologia di progettazione programmabile basata su software consente ai dispositivi di gestione dell'energia di fornire più funzioni di gestione dell'energia specifiche per scheda.


4. Programmabilità Standardizza la gestione dell'energia

Semplicemente riconfigurando il dispositivo programmabile, i progettisti possono implementare tutte le funzioni di gestione dell'alimentazione specifiche della scheda con un unico dispositivo programmabile di gestione dell'alimentazione. Lo stesso dispositivo programmabile può essere utilizzato su più schede PCB invece di utilizzare più IC monofunzionali. Di conseguenza, i progettisti possono standardizzare su un unico dispositivo programmabile per la gestione dell'alimentazione durante tutta la progettazione. Consolidare le funzioni di gestione dell'energia in un unico dispositivo programmabile di gestione dell'energia e utilizzare lo stesso dispositivo su più PCB offre i seguenti vantaggi:

1) Ridurre le dimensioni della scheda PCB e aumentare l'affidabilità

Il vantaggio principale di integrare più IC monofunzionali in un unico dispositivo è la ridotta area della scheda PCB. Il numero ridotto di componenti e le corrispondenti tracce di interconnessione riducono l'area PCB e i costi. Da un punto di vista statistico, il ridotto numero di componenti aumenta anche l'affidabilità del PCB.

2) Capacità di soddisfare esigenze complesse di gestione dell'energia

Il numero di alimentatori utilizzati sulle schede PCB oggi è in aumento. Inoltre, la complessità delle funzioni di monitoraggio e controllo è in aumento. Poiché i dispositivi di gestione dell'energia programmabili integrano più ingressi di monitoraggio dell'energia (rispetto ai circuiti integrati monofunzionali) e la logica digitale programmabile, questi dispositivi sono più adatti per l'implementazione di complesse funzioni di gestione dell'energia. Inoltre, la programmabilità offre la flessibilità di adattarsi rapidamente per soddisfare i mutevoli requisiti delle specifiche.

3) Non c'è bisogno di un secondo canale di alimentazione

In generale, il secondo canale è una misura precauzionale adottata per aggirare i ritardi di produzione dovuti all'indisponibilità dei dispositivi. Questa esigenza è esacerbata dalla realtà che un sistema tipico richiede più dispositivi monofunzionali su piccola scala da fornitori diversi. Standardizzando su un unico dispositivo programmabile per la gestione dell'energia in tutti i PCB e progetti, la necessità di un secondo canale che richiede molto tempo e risorse può essere significativamente ridotta o eliminata del tutto.

4) Minore costo complessivo del sistema

I dispositivi programmabili di gestione dell'energia sono generalmente meno costosi della somma dei singoli IC monofunzionali. Inoltre, la gestione dell'alimentazione standardizzata è implementata per più schede PCB nel sistema, che riduce ulteriormente i costi a causa di sconti più elevati dovuti a lotti più grandi.

5) La funzione di gestione dell'energia può essere realizzata dal software

Progettato utilizzando dispositivi programmabili di gestione dell'energia implementati nel software. Tipicamente, lo strumento di progettazione software supporta anche la verifica degli algoritmi di gestione dell'energia utilizzati sui simulatori di schede PCB. Poiché il progettazione di gestione dell'energia è completamente verificato prima del lancio della scheda, la possibilità di passaggio sessuale è elevata, il che accelera ulteriormente il ritmo di lancio del prodotto.


Il numero di alimentatori utilizzati su today's PCBs continues to increase, Gli algoritmi di gestione dell'energia diventano ancora più complessi. Tuttavia, Gli schemi tradizionali di gestione dell'energia obsoleti sono ancora spesso utilizzati in queste applicazioni sempre più esigenti, rendendo la progettazione PCB inefficiente e costosa, e spesso con scarsi risultati dovuti a compromessi inevitabili. Questo articolo presenta un progetto per questo complesso problema di gestione dell'energia:, dispositivi di gestione dell'energia a segnale misto. I progettisti possono standardizzare i "PLD di gestione dell'energia" e utilizzare il dispositivo in tutto il sistema Scheda PCB, riduzione dei costi, aumentare l'affidabilità, e accelerare il time to market.