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A medida que el diseño de las placas de circuito se vuelve cada vez más complejo, comienzan a limitar el rendimiento de las arquitecturas de gestión de hardware / energía existentes. Actualmente hay cuatro arquitecturas de gestión de placas de circuito más utilizadas. Aunque todo esto puede usarse para apoyar estos diseños complejos, requieren más o menos concesiones o compromisos en términos de escalabilidad del diseño, carga de trabajo o costos.
Recientemente, ha surgido una quinta arquitectura de gestión de placas de circuito, que puede proporcionar el máximo rendimiento, seguridad y flexibilidad actual, reduciendo significativamente la carga de trabajo de diseño y los costos de construcción. Este artículo discutirá esta nueva arquitectura, centrándose en las funciones de gestión de energía que proporciona.
Resumen
Normalmente dividimos la placa de circuito en dos módulos funcionales (figura 1): gestión de carga y gestión de hardware. Para la mayoría de las placas de circuito, la función de carga representa entre el 80% y el 90% de toda la zona de PCB (capa de datos / control y / o procesador). El 10% al 20% restante es la parte de gestión de hardware para realizar monitoreo / control a nivel de hardware o gestión de Asuntos internos.
Hasta hace poco, surgió una nueva arquitectura descentralizada, que es más escalable que otras y se puede implementar a un costo bom más bajo. Para facilitar la comprensión de las ventajas de la arquitectura distribuida, primero discutimos cómo construir las funciones de gestión de energía de las cuatro arquitecturas de gestión de hardware más utilizadas (figura 2 - 5), y luego exploramos más a fondo la arquitectura distribuida.
Comparación de la arquitectura de gestión de energía basada en el control PLD
Basado en la gestión de energía y la gestión de asuntos internos de pld, en esta arquitectura, la función de gestión de energía se añade al PLD de control a bordo (pld). La CPU monitorea la Potencia de entrada y la señal de "buena potencia" de cada convertidor DC - DC. El algoritmo de cronometraje se implementa con pld, se genera una señal "habilitada" para electrificar el circuito de carga y evitar daños o errores lógicos. El PLD también puede generar señales lógicas como reset (restart) y Power Good (power good) para garantizar que el componente de carga pueda comenzar a funcionar cuando la fuente de alimentación está encendida o dejar de funcionar cuando la fuente de alimentación está apagada. también es responsable de generar secuencias para desactivar la fuente de alimentación de forma segura cuando la fuente de alimentación falla o se detecta una falla. El PLD es fácil de soportar soluciones orientadas a eventos y puede proporcionar respuestas separadas para diferentes combinaciones de fallas.
El sistema de gestión de hardware basado en PLD puede realizar funciones de gestión de energía y gestión de Asuntos internos.
Para este tipo de diseño, todas las funciones de secuencia, protección y control de energía se implementan con pld, generalmente escritas en VHDL o verilog.
Ventajas:
- bajo coste
La arquitectura intuitiva facilita el ajuste de la lógica cronológica de la CPU para adaptarse a las nuevas aplicaciones
¿¿ utiliza el entorno de diseño (verilogs comunes) para implementar el diseño?
La arquitectura orientada a eventos puede responder de manera flexible a diversas fallas de manera diferente
Deficiencias:
Debido a que cada fuente de alimentación requiere dos canales de señal, los diseños más grandes y complejos comienzan a enfrentar el desafío de más puertos de E / s de PLD y congestión de placas de circuito.
Una buena detección de la fuente de alimentación es inexacta (generalmente con una tasa de error del 8% al 20%) y hay una tendencia a no poder monitorear el voltaje de la fuente de alimentación, lo que resulta en una menor fiabilidad.
¿ se ha añadido la función de medición automática (monitorizar el voltaje real de la fuente de alimentación en lugar de la señal Power good) y hay que añadir el convertidor A / d, lo que aumenta el coste y la complejidad de la placa de circuito
¿¿ necesita un ingeniero a nivel de tablero (con experiencia en circuitos digitales) para construir las funciones necesarias? En muchos casos, este tipo de ingenieros no son expertos en energía
Uso de IC de gestión de energía para establecer la gestión de energía y uso de PLD para la gestión de asuntos internos
En esta arquitectura de separación funcional, el IC de gestión de energía es responsable de monitorear y ordenar el convertidor DC - DC de la placa de circuito. Debido a que el IC de gestión de energía puede monitorear directamente el voltaje de la fuente de alimentación, también puede realizar funciones de ajuste fino y marginación. La CPU utiliza el buen estado de la fuente de alimentación de la fuente de alimentación para generar las señales de control, Estado y asuntos internos necesarias.
Estos diseños suelen utilizar herramientas de configuración basadas en GUI para definir las funciones IC de gestión de energía, mientras que la lógica PLD se define con VHDL o verilog.
Ventajas:
¿ reducir el número de I / o de pld, ya que la función "habilitada" puede ser ejecutada por el IC de gestión de energía
La Junta tiene más espacio para lograr un diseño más simplificado y menos capas de PCB
Al monitorear directamente el voltaje de la fuente de alimentación, el IC de gestión de energía puede obtener información más precisa sobre la salud general del sistema y mejorar la estabilidad del sistema.
Deficiencias:
El IC de gestión de energía aumenta los costos de bom, especialmente cuando se necesitan varios componentes
La arquitectura puede proporcionar una respuesta orientada a eventos, pero aumenta la complejidad del diseño si se despliegan más de dos IC de gestión de energía
¿ será más difícil ajustar la secuencia para un diseño más complejo, especialmente al dividir las funciones de varios IC de gestión de energía
Debido a que el proceso de diseño debe utilizar múltiples herramientas (gui + VHDL / verilog), puede requerir varios ingenieros, lo que aumentará el riesgo de diseño
Se utiliza CPU para realizar la gestión de asuntos internos y pmbus para realizar la función de gestión de energía basada en mcu. La arquitectura utiliza un Microcontrolador (mcu) para controlar la secuencia de potencia del punto de carga de control digital (dpol). La mcu utiliza el bus de gestión de energía (pmbus) para gestionar dpol pmbus es un Protocolo de comunicación de dos líneas basado en el bus i2c. PLD es responsable de la función de gestión de asuntos internos del vehículo y controla cualquier convertidor DC - DC de punto de carga a través de la interfaz de control analógico (apol). Para simplificar el diseño del software, la mayoría de los diseños de gestión de energía basados es es en mcu adoptan esquemas de series temporales.
La gestión de energía basada en software tiene otra desventaja potencial, es decir, requiere un tiempo de respuesta a fallas más largo (generalmente de 10 a 15 milisegundos, mientras que el tiempo de respuesta de PLD es de microsegundos). Para algunas fallas que requieren un tiempo de respuesta más rápido (o una secuencia orientada a eventos), se puede agregar un CPD como segunda medida de protección.
La implementación de la gestión de energía basada en software requiere VHDL o verilog para el diseño de software mcu y pld.
Ventajas:
¿ el diseño es muy fácil de ajustar (solo para series basadas en el tiempo)
Las ricas herramientas de desarrollo de software hacen que las soluciones basadas en mcu se depuran más rápido y convenientemente.
Actualización del firmware para cambiar rápidamente el diseño
Aઠdiseño simplificado de PCB el cableado alrededor de dpol es más redundante
Deficiencias:
- costes bom más caros
¿¿ es difícil ajustar el diseño a los requisitos de secuencia orientados a eventos?
¿ se necesitan múltiples herramientas de diseño (verilog / VHDL + software)
Resumen
Con el aumento de la complejidad del diseño del sistema a nivel de pcb, el sistema de gestión de hardware representa una proporción cada vez mayor de la carga de trabajo de diseño y los costos bom. El uso de fuentes de alimentación PLD y Pol para lograr algunas o todas las funciones de gestión puede aliviar las dificultades causadas por las tendencias anteriores, pero en este momento los costos se han convertido en un obstáculo. Ahora, la arquitectura de gestión de hardware distribuido está disponible, y PLD se puede conectar a componentes de sensores de bajo costo a través de enlaces serie de 3 líneas. Además de reducir la complejidad del diseño, los requisitos de espacio de PCB y los costos de bom, la arquitectura se puede construir utilizando diversas herramientas de ingenieros analógicos y digitales.
