Thông tin PCB - Chương trình quản lý năng lượng lập trình cho thiết kế bảng mạch PCB

Quản lý năng lượng bảng mạch PCB thường liên quan đến tất cả các khía cạnh liên quan đến việc cung cấp năng lượng cho bảng mạch PCB. Một số câu hỏi thường gặp bao gồm:

1. Chọn các bộ chuyển đổi DC-DC khác nhau để cung cấp năng lượng cho bảng mạch PCB;

2. Trình tự/theo dõi điện lên và xuống;

3. Giám sát điện áp.

Trong bài viết này, quản lý năng lượng được định nghĩa đơn giản là quản lý tất cả các nguồn điện trên bo mạch PCB (bao gồm bộ chuyển đổi DC-DC, LDO, v.v.). Quản lý năng lượng bao gồm các tính năng sau: Quản lý bộ điều khiển DC-DC trên PCB. Ví dụ: cắm nóng, khởi động mềm, sắp xếp, theo dõi, dung sai và quy định; Tạo ra tất cả các trạng thái năng lượng có liên quan và tín hiệu logic điều khiển. Ví dụ: tạo tín hiệu đặt lại, chỉ báo lỗi nguồn (giám sát) và quản lý điện áp. Hình 1 cho thấy các tính năng quản lý năng lượng điển hình trên PCB với CPU hoặc bộ vi xử lý; Chức năng điều khiển khởi động nóng/mềm được sử dụng để hạn chế dòng điện tăng để giảm tải khởi động trên nguồn điện. Đây là một chức năng quan trọng của bảng mạch PCB được chèn vào chất nền hoạt động; Chức năng sắp xếp và theo dõi năng lượng được sử dụng để kiểm soát cách bạn xoay nhiều nguồn điện. Theo dõi lỗi (quá áp/dưới điện áp) được thực hiện trên tất cả các điện áp để cảnh báo bộ xử lý về sự cố nguồn sắp xảy ra. Chức năng này còn được gọi là "chức năng giám sát". Chức năng Reset Generation cung cấp cho bộ xử lý các điều kiện khởi động đáng tin cậy khi bộ xử lý được cấp nguồn. Một số bộ xử lý yêu cầu tín hiệu đặt lại được duy trì trong một thời gian sau khi tất cả các nguồn điện hoạt động của bộ xử lý ổn định. Điều này còn được gọi là reset pulse stretch. Chức năng của Reset Generator là giữ cho bộ xử lý ở chế độ Reset trong trường hợp mất điện để ngăn chặn lỗi không mong muốn trong bộ nhớ flash trên bo mạch PCB

1. Hạn chế của các giải pháp quản lý năng lượng truyền thống

Theo truyền thống, mỗi chức năng quản lý năng lượng trên PCB được thực hiện bởi một IC chức năng riêng biệt. Các IC này có sẵn trong các mô hình khác nhau và có thể được sử dụng cho các kết hợp điện áp khác nhau. Bằng cách này, có hàng trăm mô hình IC đơn chức năng từ các nhà sản xuất khác nhau để đáp ứng các nhu cầu quản lý năng lượng khác nhau. Ví dụ, để chọn mô hình Reset Generator IC, bạn phải cung cấp các thông tin sau:

1) Số lượng kênh điện áp được giám sát bởi IC máy phát đặt lại;

2) Kết hợp điện áp (3.3, 2.5, 1.2 hoặc 3.3, 2.5 và 1.8, v.v.);

3) điện áp phát hiện lỗi% (3.3V-5%, 3.3V-10%, v.v.);

4) Độ chính xác (3%, 2%, 1,5%, v.v.);

5) Chức năng mở rộng xung đặt lại được điều khiển bởi tụ điện bên ngoài;

6) Đặt lại đầu vào bằng tay.

Để xử lý tất cả các biến thể có thể có của các thông số này, một IC máy phát đặt lại duy nhất có thể có hàng trăm mô hình chỉ từ một nhà sản xuất. Ngoài ra, nếu một kỹ sư (có thể) cần phải theo dõi một điện áp khác trong quá trình thiết kế, một mô hình khác phải được chọn. Tương tự, nhiều IC chức năng đơn có sẵn trong nhiều biến thể dựa trên các thông số khác nhau, ngay cả đối với cùng một chức năng, chẳng hạn như bộ điều khiển trao đổi nhiệt, bộ sắp xếp công suất và IC chức năng giám sát/dò điện áp. Mỗi bảng mạch PCB của một hệ thống bao gồm nhiều bảng mạch PCB yêu cầu một tập hợp các IC đơn chức năng khác nhau, do đó làm tăng danh sách vật liệu.

2. Sự phức tạp của thiết kế bảng mạch PCB tiếp tục tăng

Nếu việc sử dụng IC quản lý năng lượng đơn chức năng đã từng được kiểm soát, thì nó đã là quá khứ. Nhiều bảng mạch PCB hiện nay thường sử dụng một số thiết bị đa điện áp, mỗi thiết bị có thứ tự cấp nguồn khác nhau. Các thiết bị có nút xử lý tốt hơn đòi hỏi điện áp thấp hơn nhưng dòng điện cao hơn. Các nhà thiết kế thường cần tận dụng một điểm tải cho mỗi IC công suất đa điện áp. Bằng cách này, số lượng điện được sử dụng trên PCB sẽ tăng lên. Quản lý năng lượng trở nên phức tạp hơn với sự gia tăng vòng lặp điện áp cung cấp và sự cần thiết phải quản lý nhiều thứ tự. Khi thiết kế bảng mạch PCB trở nên phức tạp hơn, các giải pháp quản lý năng lượng truyền thống trở nên khó xử lý hơn. Hiện tại, các nhà thiết kế thực hiện quản lý năng lượng với IC một chức năng truyền thống hoặc phải từ bỏ việc giám sát một số điện áp nhất định hoặc sử dụng nhiều thiết bị một chức năng cho mỗi chức năng quản lý năng lượng. Cả hai phương pháp sau đây đều không được khuyến khích.

1) Tăng diện tích PCB, giảm độ tin cậy

Từ quan điểm thống kê, sự gia tăng số lượng IC chức năng đơn và kết nối giữa chúng không chỉ làm tăng diện tích PCB mà còn làm giảm độ tin cậy của PCB. Ví dụ, có thể làm tăng xác suất lỗi lắp ráp, dẫn đến kết quả không lường trước được (và tất nhiên là xấu).

2) Kênh cung cấp thứ hai và thỏa hiệp thiết kế

Khi mua thiết bị chức năng thanh toán từ các nhà cung cấp khác nhau, ngay cả khi một trong những thiết bị không đến đúng hạn, nó cũng làm tăng nguy cơ chậm trễ sản xuất. Điều này lần lượt dẫn đến nhu cầu về kênh cung cấp thứ hai. Tuy nhiên, kênh thứ hai làm giảm tính khả dụng của thiết bị cho các kỹ sư thiết kế, buộc các nhà thiết kế phải hy sinh vùng phủ sóng giám sát lỗi trên PCB vì những thiết bị nằm ngoài tầm với này. Chi phí lắp ráp và thử nghiệm tỷ lệ thuận với số lượng thiết bị được sử dụng trong hệ thống. Chi phí đơn vị của thiết bị này tỷ lệ nghịch với số lượng mua. Vì nhiều thiết bị được yêu cầu trong một hệ thống nhất định, mỗi thiết bị cần ít hơn để xây dựng hệ thống, do đó làm tăng chi phí của toàn bộ hệ thống. Ví dụ, giả sử một hệ thống có 10 bảng mạch PCB và 1000 hệ thống như vậy sẽ được sản xuất mỗi năm. Nếu mỗi bo mạch PCB sử dụng một IC chức năng duy nhất để quản lý năng lượng, sẽ cần khoảng 10 IC chức năng duy nhất khác nhau để hoàn thành thiết kế. Nhu cầu hàng năm cho các mạch tích hợp một chức năng này là 1.000. Đơn giá của 1000 lô chắc chắn cao hơn đơn giá của 10.000 lô. Do đó, chi phí của các giải pháp quản lý năng lượng trước đây chắc chắn cao hơn so với chi phí sử dụng cùng một IC quản lý năng lượng duy nhất cho tất cả các bo mạch PCB. Vào những năm 1980, khi các nhà thiết kế kỹ thuật số sử dụng cổng TTL để thực hiện các chức năng logic, các kế hoạch quản lý năng lượng truyền thống được thực hiện với nhiều thiết bị IC đơn chức năng đã trở thành quá khứ. Khi độ phức tạp của bảng mạch PCB tăng lên, các nhà thiết kế phải lựa chọn giữa việc sử dụng ASIC chức năng cố định hoặc tăng số lượng cửa TTL được sử dụng. Không có gì ngạc nhiên khi số lượng thiết bị TTL được sử dụng trong thiết kế hệ thống đang tăng lên đáng kể.

Sự ra đời của các thiết bị logic lập trình (PLD) cho phép các nhà thiết kế đạt được nhiều chức năng hơn trong một khu vực PCB nhất định và giảm thời gian tiếp thị. Bằng cách giảm số lượng các thành phần được sử dụng trong hệ thống, nó cũng làm giảm chi phí của toàn bộ hệ thống. Vì cùng một PLD có thể được sử dụng trong nhiều thiết kế, số lượng thành phần được sử dụng trong hệ thống được giảm. Các công ty có thể chuẩn hóa nó trên một số lượng nhỏ các thiết bị PLD mà không phải hy sinh các tính năng cần thiết cho mỗi bảng mạch PCB. Quản lý một lượng nhỏ PLD dễ dàng hơn nhiều so với nhiều cửa TTL. Cùng một PLD có thể được sử dụng cho nhiều thiết kế PCB, do đó làm giảm hoặc thậm chí loại bỏ nhu cầu về kênh cung cấp thứ hai. Các nhà thiết kế có thể sử dụng phần mềm để mô phỏng thiết kế trước khi nó được bán, do đó tăng cơ hội thành công của họ. Hiện tại, việc sử dụng IC quản lý năng lượng một chức năng đã lỗi thời như việc sử dụng cổng TTL trong quá khứ. Thiết kế bảng mạch PCB phức tạp ngày nay đòi hỏi "PLD quản lý năng lượng". Trên thực tế, việc áp dụng thiết bị này bây giờ nên là một đề xuất cho thiết kế bảng mạch PCB.

3. Chương trình quản lý năng lượng lập trình

Việc thực hiện quản lý năng lượng bảng mạch PCB điển hình sử dụng một thiết bị quản lý năng lượng lập trình duy nhất. Các thiết bị quản lý năng lượng có thể lập trình yêu cầu các phần tương tự và kỹ thuật số có thể lập trình để đơn giản hóa việc tích hợp nhiều thiết bị quản lý năng lượng một chức năng truyền thống. Các nhà thiết kế có thể cấu hình các phần mô phỏng có thể lập trình để theo dõi một tập hợp các kết hợp điện áp mà không cần phải sử dụng các thiết bị chức năng đơn được cấu hình đặc biệt, được lập trình tại nhà máy. Phần kỹ thuật số có thể lập trình của thiết bị quản lý năng lượng cần xác định logic của bảng mạch PCB có chứa các tính năng giám sát nguồn có thể lập trình như tạo lại, tạo ngắt nguồn và sắp xếp các nguồn điện riêng lẻ. Phương pháp thiết kế dựa trên phần mềm có thể lập trình cho phép các thiết bị quản lý năng lượng cung cấp nhiều chức năng quản lý năng lượng cụ thể.

4. Quản lý năng lượng tiêu chuẩn hóa lập trình

Bằng cách cấu hình lại các thiết bị có thể lập trình, các nhà thiết kế có thể thực hiện tất cả các chức năng quản lý năng lượng cụ thể của bo mạch với một thiết bị quản lý năng lượng có thể lập trình duy nhất. Các thiết bị lập trình giống nhau có thể được sử dụng trên nhiều bo mạch PCB thay vì sử dụng nhiều IC chức năng đơn lẻ. Do đó, các nhà thiết kế có thể chuẩn hóa nó trên một thiết bị quản lý năng lượng lập trình duy nhất trong suốt quá trình thiết kế. Tích hợp các tính năng quản lý năng lượng vào một thiết bị quản lý năng lượng có thể lập trình duy nhất và sử dụng cùng một thiết bị trên nhiều PCB mang lại những lợi ích sau:

1) Giảm kích thước của bảng PCB và cải thiện độ tin cậy

Lợi ích chính của việc tích hợp nhiều IC đơn chức năng vào một thiết bị là giảm diện tích bảng mạch PCB. Số lượng các thành phần giảm và dấu vết liên kết tương ứng làm giảm diện tích và chi phí PCB. Từ quan điểm thống kê, việc giảm số lượng thành phần cũng làm tăng độ tin cậy của PCB.

2) Có khả năng đáp ứng nhu cầu quản lý năng lượng phức tạp

Ngày nay, số lượng nguồn điện được sử dụng trên bo mạch PCB đang tăng lên. Ngoài ra, sự phức tạp của các chức năng giám sát và kiểm soát ngày càng tăng. Các thiết bị này phù hợp hơn để thực hiện các chức năng quản lý năng lượng phức tạp vì các thiết bị quản lý năng lượng có thể lập trình tích hợp nhiều đầu vào giám sát năng lượng hơn (so với IC chức năng đơn) và logic kỹ thuật số có thể lập trình. Hơn nữa, khả năng lập trình cung cấp sự linh hoạt để nhanh chóng thích ứng với các yêu cầu kỹ thuật thay đổi.

3) Không cần kênh cung cấp thứ hai

Nói chung, kênh thứ hai là một biện pháp phòng ngừa được thực hiện để tránh sự chậm trễ trong sản xuất do không có thiết bị. Nhu cầu này càng trở nên trầm trọng hơn bởi thực tế là một hệ thống điển hình thực sự yêu cầu nhiều thiết bị đơn chức năng quy mô nhỏ từ các nhà cung cấp khác nhau. Bằng cách tiêu chuẩn hóa trên một thiết bị quản lý năng lượng có thể lập trình duy nhất trong tất cả các PCB và dự án, nhu cầu về kênh thứ hai tốn nhiều thời gian và tài nguyên có thể được giảm đáng kể hoặc loại bỏ hoàn toàn.

4) Giảm chi phí hệ thống tổng thể

Các thiết bị quản lý năng lượng có thể lập trình thường rẻ hơn so với các IC chức năng đơn lẻ cộng lại. Ngoài ra, nhiều bảng mạch PCB trong hệ thống đạt được quản lý năng lượng tiêu chuẩn, giảm chi phí hơn nữa do số lượng lớn hơn và giảm giá cao hơn.

5) Chức năng quản lý năng lượng có thể được thực hiện bằng phần mềm

Thiết kế sử dụng các thiết bị quản lý năng lượng có thể lập trình được thực hiện bởi phần mềm. Thông thường, các công cụ thiết kế phần mềm cũng hỗ trợ xác minh các thuật toán quản lý năng lượng được sử dụng trên trình mô phỏng bảng mạch PCB. Vì thiết kế quản lý năng lượng đã được chứng minh đầy đủ trước khi bo mạch chủ được đưa ra thị trường, tỷ lệ vượt qua tình dục là rất cao, điều này tiếp tục đẩy nhanh tốc độ đưa sản phẩm ra thị trường.

Số lượng điện năng được sử dụng trên PCB ngày nay tiếp tục tăng và các thuật toán quản lý năng lượng trở nên phức tạp hơn. Tuy nhiên, trong các ứng dụng ngày càng đòi hỏi này, các chương trình quản lý năng lượng lỗi thời truyền thống vẫn được sử dụng thường xuyên, khiến thiết kế PCB không hiệu quả và tốn kém và thường dẫn đến kết quả kém hơn do sự đánh đổi không thể tránh khỏi. Bài viết này trình bày một thiết kế cho vấn đề quản lý năng lượng phức tạp này: sử dụng các thiết bị quản lý năng lượng tín hiệu hỗn hợp có thể lập trình được. Các nhà thiết kế có thể tiêu chuẩn hóa "PLD quản lý năng lượng" và sử dụng thiết bị trên toàn bộ bảng mạch PCB của hệ thống, do đó giảm chi phí, cải thiện độ tin cậy và tăng tốc thời gian tiếp thị.