PCB Tecnico - Alimentazione programmabile ottimizzata per la progettazione di PCB

La gestione dell'alimentazione PCB riguarda generalmente tutti gli aspetti coinvolti nella fornitura di energia al PCB. Alcune questioni comunemente coinvolte sono:

1. scegliere vari convertitori DC-DC per fornire energia al PCB;

2. sequenziamento/tracciamento di apertura e chiusura di potere;

3. Monitoraggio della tensione;

4. Tutto quanto sopra.

In questo articolo, la gestione dell'alimentazione è semplicemente definita come: l'implementazione della gestione di tutta l'alimentazione sul PCB (incluso: convertitore DC-DC, LDO, ecc.) La gestione dell'alimentazione include le seguenti funzioni: gestire il controller DC-DC sul PCB. Ad esempio, hot swap, soft start, sequenziamento, tracciamento, tolleranza e regolazione; generare tutti i segnali logici relativi allo stato di potenza e controllo. Ad esempio, reset generazione del segnale, indicazione di interruzione di corrente (monitoraggio) e gestione della tensione. La figura 1 mostra una tipica funzione di gestione dell'energia su un PCB con CPU o microprocessore; La funzione di controllo hot-swap/soft-start è utilizzata per limitare la corrente di entrata per ridurre il carico iniziale dell'alimentazione elettrica. Questa è una funzione importante per il PCB inserito nel substrato attivo (vivo); la funzione di sequenziamento e monitoraggio dell'alimentazione è utilizzata per controllare come accendere/spegnere più alimentatori con la premessa di soddisfare i requisiti di sequenza di accensione di tutti i dispositivi sul PCB. Tutte le tensioni sono monitorate per guasti (sovra/sotto tensione) per avvertire il processore di imminenti interruzioni di corrente. Questa funzione è anche chiamata "funzione di vigilanza".

Quando il processore è acceso, la funzione di generazione di reset fornisce condizioni di avvio affidabili per il processore. Alcuni processori richiedono che il segnale di ripristino rimanga per un periodo di tempo dopo che tutti gli alimentatori funzionanti del processore sono stabilizzati. Questo è anche chiamato reset pulse stretching. La funzione del generatore di reset è di mantenere il processore in modalità reset quando l'alimentazione non riesce a prevenire errori indesiderati dalla memoria flash di bordo.

Limitazioni delle soluzioni tradizionali di gestione dell'energia

Tradizionalmente, ogni funzione di gestione dell'energia sul PCB è implementata da un IC funzionale separato. Per diverse combinazioni di tensione, questi IC hanno modelli diversi. 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 reset, devono essere fornite le seguenti informazioni:

1. il numero di circuiti di tensione che l'IC del generatore di reset deve monitorare;

2. la combinazione di tensione (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 controllata da un condensatore esterno;

6. Input di reset manuale

Al fine di affrontare tutte le possibili modifiche di questi parametri, solo un singolo IC generatore di reset, solo un produttore può avere centinaia di modelli. Inoltre, se l'ingegnere ha bisogno di monitorare un'altra tensione (probabilmente) durante il processo di progettazione, deve scegliere un altro prodotto di un modello diverso. Allo stesso modo, molti IC monofunzionali hanno molti modelli, come controller hot-swappable, sequenziatori di potenza e monitor / rivelatori di tensione, anche se hanno solo la stessa funzione e hanno molti modelli basati su parametri diversi. Ogni PCB di un sistema composto da più PCB richiede gruppi diversi di questi IC monofunzionali, il che aumenta anche il costo del materiale.

La complessità della progettazione PCB continua ad aumentare

Se l'uso di un IC di gestione dell'energia singola fosse gestibile, allora sarebbe una vecchia storia. Molti PCB ora utilizzano generalmente diversi dispositivi multi-tensione e ogni dispositivo ha una sequenza di accensione diversa. Più fine è il nodo di processo, minore è la tensione richiesta per il dispositivo, ma maggiore è la corrente. I progettisti spesso hanno bisogno di utilizzare un punto di carico di ogni IC di alimentazione multi-tensione. In questo modo, il numero di alimentatori utilizzati sul PCB aumenterà. Con l'aumento dei cicli di tensione dell'alimentazione elettrica e la necessità di una gestione del sequenziamento multiplo, la gestione dell'alimentazione diventa più complicata.

Man mano che la progettazione PCB diventa sempre più complessa, le soluzioni tradizionali di gestione dell'energia diventano più difficili da parrare. Attualmente, i progettisti che utilizzano IC tradizionali monofunzionali per implementare la gestione dell'energia potrebbero dover rinunciare al monitoraggio di determinate tensioni o selezionare più dispositivi monofunzionali per ogni funzione di gestione dell'energia. I seguenti due metodi non sono consigliati.

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

L'aumento del numero di IC monofunzionali e le interconnessioni successive non solo aumentano l'area PCB, ma riducono anche l'affidabilità del PCB da un punto di vista statistico. Ad esempio, può aumentare la probabilità di errori di assemblaggio, portando a risultati imprevedibili (decisamente negativi).

2. Secondo canale di alimentazione e compromesso di progettazione

Se i dispositivi monofunzionali vengono acquistati da fornitori diversi, aumenta il rischio di ritardi di produzione causati anche da uno dei dispositivi non presenti in tempo. Questo a sua volta porta alla domanda di un secondo canale di approvvigionamento. Tuttavia, il secondo canale ridurrà la disponibilità del dispositivo degli ingegneri di progettazione, in modo che questi dispositivi non disponibili costringono i progettisti a sacrificare la copertura del monitoraggio degli errori PCB.

I costi di montaggio e collaudo sono proporzionali al numero di dispositivi utilizzati nel sistema. Il costo unitario del dispositivo è inversamente proporzionale alla quantità acquistata. Poiché molti dispositivi sono necessari in un dato sistema e ogni dispositivo necessario per costruire il sistema è ridotto, il costo complessivo del sistema è aumentato. Ad esempio, se un sistema dispone di 10 PCB, ogni anno verranno prodotti 1.000 sistemi di questo tipo. Se ogni PCB utilizza un IC monofunzionale per implementare 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. Il prezzo unitario per un lotto di 1.000 è ovviamente superiore al prezzo unitario per un lotto di 10.000. Pertanto, il costo della precedente soluzione di gestione dell'energia è sicuramente superiore a quello di tutti i PCB che utilizzano lo stesso IC di gestione dell'energia monofunzionale.

Il tradizionale sistema di gestione dell'energia implementato da più dispositivi IC monofunzionali è diventato una vecchia cosa negli anni '80. A quel tempo, i progettisti digitali usavano i cancelli TTL per implementare funzioni logiche. Man mano che la complessità del PCB aumenta, i progettisti devono scegliere tra le due opzioni di scegliere un ASIC a funzione fissa o aumentare il numero di cancelli TTL utilizzati. Non sorprende che il numero di dispositivi TTL utilizzati nella progettazione del sistema stia aumentando drasticamente.

L'emergere di dispositivi logici programmabili (PLD) consente ai progettisti di ottenere più funzioni all'interno di una determinata area di unità PCB e abbrevia anche il time to market. Poiché il numero di dispositivi utilizzati nel sistema è ridotto, anche il costo complessivo del sistema è ridotto. Poiché lo stesso PLD può essere utilizzato in più progetti, il numero di dispositivi utilizzati nel sistema è ridotto. L'azienda può standardizzare un piccolo numero di dispositivi PLD senza sacrificare le funzioni richieste da ogni PCB.

È molto più facile gestire un piccolo numero di PLD che gestire 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. Il progettista può utilizzare software per simulare il progetto prima di progettare la scheda di progetto, aumentando così le possibilità di successo. Attualmente, l'uso di circuiti integrati di gestione dell'energia monofunzionali è vecchio stile come l'uso di cancelli TTL in passato. Progettare il PCB complesso di oggi richiede "gestione dell'energia PLD". Infatti, l'uso di questo dispositivo dovrebbe ora essere un'offerta per la progettazione di PCB.

Una tipica implementazione di gestione dell'alimentazione PCB utilizzando un unico dispositivo programmabile di gestione dell'alimentazione. I dispositivi programmabili di gestione dell'alimentazione richiedono parti analogiche e digitali programmabili per semplificare l'integrazione di più dispositivi tradizionali di gestione dell'alimentazione monofunzionali. I progettisti possono configurare la parte analogica programmabile per monitorare un insieme di combinazioni di tensione senza dover ricorrere a un dispositivo monofunzionale appositamente configurato e programmato in fabbrica.

Necessità di utilizzare la parte digitale programmabile del dispositivo di gestione dell'alimentazione per definire la logica per il PCB, questa logica si combina con la funzione di monitoraggio dell'alimentazione programmabile per realizzare quali la generazione di reset, la generazione di interruzione dell'alimentazione elettrica e il sequenziamento di ogni alimentatore. Una metodologia di progettazione programmabile basata su software consente ai dispositivi di gestione dell'energia di fornire una varietà di funzioni di gestione dell'energia per PCB specifici.