Proiectarea rețelei de alimentare pentru un proiect embedded este adesea unul dintre ultimele aspecte de proiectare pe care le ia în considerare o echipă de ingineri. Cu toate acestea, presupunerea că o aplicație poate accepta orice varietate și număr de linii de tensiune este valabilă, doar uneori. Complexitatea implicată în furnizarea unei surse de alimentare eficiente, cu zgomot redus și bine stabilizată conectată la linia de alimentare sau la baterie face ca aceasta să fie o decizie de inginerie hardware esențială. Amplasarea componentelor de conversie a puterii pe placa de circuit imprimat principală necesită o analiză atentă și introduce factori suplimentari, cum ar fi disiparea căldurii, siguranța electrică și interferențele electromagnetice (EMI).
Sursa de alimentare – o parte esențială a oricărui proiect
Sistemele embedded sunt omniprezente. Acestea controlează aparatele noastre electrocasnice, urmăresc animalele noastre de companie, gestionează procesele industriale și prelevează mostre de sol pe planete îndepărtate. Inițiativele de îmbunătățire a performanțelor industriale, cum ar fi Industrie 4.0, au lansat Internetul industrial al lucrurilor (IIoT), care a accelerat nevoia de senzori și actuatoare cu consum redus de putere în locații de producție dispersate geografic. Monitorizarea de la distanță a culturilor și alte aplicații agricole au propulsat IoT pe teren și au pus la încercare ingineria pentru a oferi o conectivitate wireless adecvată și metode de alimentare cu energie de lungă durată.
Dintre numeroasele considerente de proiectare atunci când se creează un nou produs embedded, unul dintre cele mai importante este stabilirea modului de alimentare a produsului, deoarece acesta determină bugetul general de putere. Cantitatea de energie disponibilă va influența, de asemenea, unele dintre capabilitățile și funcțiile produsului. De exemplu, ecranele LCD mari consumă multă putere în timpul utilizării, ceea ce limitează folosirea acestora pentru o aplicație alimentată cu baterii. De asemenea, protocoalele wireless cu lățime de bandă mare, cum ar fi Wi-Fi, sunt, la rândul lor, mari consumatoare de energie în comparație cu cele proiectate pentru cazuri de utilizare cu consum redus de putere, cum ar fi Bluetooth® Low Energy.
Aplicațiile alimentate de la rețea (linie) oferă soluția optimă de alimentare, dar introduc constrângeri de proiectare, cum ar fi izolarea, conversia de putere, disiparea căldurii și spațiul disponibil în interiorul carcasei.
Opțiuni de alimentare
Alimentarea cu energie a unui sistem embedded are mai multe fațete, fiecare cu un set specific de atribute tehnice. Sursa (sursele) de alimentare, metoda (metodele) de conversie a puterii, gestionarea acesteia și rețeaua de distribuție a energiei sunt funcțiile discrete esențiale ale unei arhitecturi de alimentare. Deși cerințele de alimentare ale fiecărui proiect variază considerabil, următoarele sunt subiecte cheie pe care inginerii ar trebui să le analizeze:
Surse de alimentare: Există mai multe metode de alimentare a unui sistem embedded, printre care rețeaua electrică, bateriile nereîncărcabile sau reîncărcabile și recoltarea de energie (o singură sursă sau o varietate de surse). Este stipulată o sursă secundară de alimentare pentru a face față întreruperilor de energie pentru o aplicație alimentată de la rețea? În caz afirmativ, cât timp ar trebui să fie disponibilă alimentarea de rezervă? De asemenea, în cazul unei aplicații alimentate de la baterii, trebuie să se precizeze durata de funcționare dorită între încărcările sau înlocuirile bateriilor. Tehnicile de captare a energiei reprezintă o metodă populară de prelungire a duratei de viață a bateriilor prin încărcare intermitentă (de tip trickle-charging). Pentru unele aplicații cu consum de energie foarte redus, ar putea fi posibilă înlocuirea unei baterii cu un supercapacitor și un circuit integrat de gestionare a energiei (EH PMIC) pentru colectarea de energie. Energia solară, vibrațiile și cea termică sunt metodele preferate de recoltare a energiei pentru senzorii IIoT.
Conversia de putere: Ce tensiune (tensiuni) sunt necesare pentru a alimenta sistemul embedded? Este suficientă o singură sursă de 3,3 VDC sau proiectul are nevoie de linii suplimentare, cum ar fi 1,8 VDC sau 5 VDC pentru anumite dispozitive sau periferice? Care sunt specificațiile privind consumul de curent pentru fiecare linie de alimentare și dacă sunt disponibile date de profilare a consumului? Sistemele alimentate prin linie vor necesita cel puțin un etaj de conversie a tensiunii, de exemplu de la 240VAC la 3,3VDC. Un convertor DC/DC ar putea furniza linii de curent continuu suplimentare, de exemplu, de la 3,3VDC la 1,8VDC sau până la 5VDC.
Rețea de alimentare: O aplicație embedded mai complexă ar putea necesita o rețea de furnizare a energiei (PDN – Power Delivery Network), cum ar fi liniile de tensiune multiple evidențiate mai sus. Distribuția energiei în jurul unei plăci de circuit imprimat (PCB) ar putea necesita competențe de specialitate, deoarece unele circuite integrate sunt deosebit de sensibile la EMI și la fenomene tranzitorii dV/dt ridicate. De asemenea, proiectanții trebuie să ia în considerare dacă trebuie să plaseze convertoarele DC/DC aproape de punctul de sarcină. În plus, circuitele integrate sofisticate pot necesita linii de alimentare secvențiale.
Constrângeri privind arhitectura de alimentare: Unele produse embedded, cum ar fi dispozitivele medicale de siguranță, pot face obiectul unei conformități de reglementare. Izolarea este un aspect fundamental atunci când se selectează un convertor AC/DC sau DC/DC; pentru aplicațiile medicale și de asistență medicală, acest aspect este acoperit de standardul de siguranță IEC 60601, recunoscut la nivel internațional. Eficiența energetică este, de asemenea, o caracteristică reglementată, de exemplu, cerința de nivel VI, cu un consum de energie fără sarcină al unei surse alimentate de la rețea stipulat să fie sub 0,3 wați. Convertoarele de putere și sursele de alimentare sunt, de asemenea, supuse respectării standardelor de compatibilitate electromagnetică (EMC) și EMI.
Managementul energiei și specificații tehnice: În cazul în care produsul dispune de o baterie reîncărcabilă, un circuit integrat de management energetic (PMIC – Power Management IC) monitorizează starea de încărcare a bateriei (SOC – State of Charge) și stabilește curentul de încărcare în funcție de necesități. PMIC gestionează, de asemenea, comportamentul de descărcare al bateriei și decide când trebuie izolată sarcina pentru a preveni deteriorarea și funcționarea eronată a sistemului. Comunicația PMIC-ului și a convertorului cu microcontrolerul gazdă utilizează de obicei protocolul PMBus, interfețele SPI sau I²C.
Power delivery implementation: Echipa de ingineri va alege un modul sau o componentă integrată pentru majoritatea aplicațiilor, dintre care unele sunt evidențiate în secțiunea următoare. Cu toate acestea, o abordare discretă ar putea fi viabilă dacă echipa nu poate asigura tensiunile de alimentare necesare cu componentele disponibile în comerț. Citiți mai multe despre cum să rezolvați provocările de proiectare a alimentării.
Surse de alimentare foarte cunoscute
Figura 1: Seria PBO-15C de surse de alimentare AC/DC cu o singură ieșire de 15 wați de la CUI Inc se potrivește aplicațiilor industriale și caselor inteligente. (Sursa: CUI Inc.)
Un exemplu de sursă de alimentare AC/DC este seria PBO-15C cu o singură ieșire de la CUI Inc. (figura 1). Seria PBO-15C de 15 wați este livrată într-o carcasă deschisă, de tip SIP (Single in-line package), pentru montare pe PCB în poziție orizontală sau verticală. Acceptând o gamă largă de intrare de la 85VAC la 305VAC, seria este disponibilă cu tensiuni nominale populare de la 3,3VDC la 24VDC. Ieșirea este izolată galvanic de intrare, până la 3.000VAC timp de un minut. Seria PBO este potrivită pentru aplicații industriale și pentru locuințe inteligente, fiind conformă cu cerințele IEC 62368 – model Clasă II (fără pământ de protecție).
Seria este, de asemenea, conformă cu standardele EN55032 EMC și EMI pentru imunitate la radiații și conducție. Stabilizare în raport cu linia de intrare – măsura modului în care tensiunea de ieșire variază atunci când se modifică intrarea – este mai bună de ±0,5% la sarcină maximă. Stabilizarea în sarcină – măsurarea modului în care modificările de sarcină influențează tensiunea de ieșire – este de ±1,0% pentru o sarcină de la 0 la 100% pentru modelul de 5VDC. Consumul de energie fără sarcină la o intrare de 230VAC este de 0,25W, iar eficiența energetică este de obicei mai bună de 82% pentru modelele cu ieșire de la 9VDC la 24VDC.
Pentru aplicațiile alimentate de la baterii sau pentru cele care au deja un convertor AC/DC, un regulator liniar poate oferi o metodă convenabilă, ieftină și compactă de a furniza o linie de curent continuu stabilizată. Un exemplu de regulator liniar cu trei terminale este L78L12ACZ-TR de la STMicroelectronics. Construit într-o capsulă TO-92-3 potrivită pentru montarea THT, L78L12 livrează o ieșire stabilizată de 12VDC cu până la 100mA, de la o tensiune de intrare cuprinsă între 14VDC și 35VDC. Familia de regulatoare L78L oferă toate valorile nominale uzuale de la 3,3VDC la 24VDC. Regulatorul consumă un curent de liniște (fără sarcină) de 6,5mA. Aceste regulatoare liniare au o caracteristică de zgomot redus, care le recomandă pentru cazurile de utilizare unde zgomotul condus perturbă performanța sistemului (de exemplu, pentru o conversie analog-digitală precisă).
Figura 2: Arhitectura internă a regulatorului liniar cu zgomot ultra-redus Analog Devices ADP151. (Sursa: Analog Devices)
Un alt tip de regulator liniar cu zgomot redus este regulatorul LDO (Low Dropout Regulator), precum regulatorul liniar ADP151 cu zgomot ultra-redus de 200mA de la Analog Devices. Un LDO se caracterizează printr-o diferență minimă între tensiunea de intrare și cea de ieșire.
ADP151 prezintă o tensiune de cădere de 140mV, în comparație cu atributul de 2V al L78L12 evidențiat mai sus. Capabil să livreze până la 200mA cu o tensiune de intrare de la 2,2VDC la 5,5VDC, ADP151 se potrivește aplicațiilor de conversie analogică cu zgomot redus, alimentate de la baterii și aplicațiilor RF sensibile la zgomot. Curentul de liniște fără sarcină este de numai 10μA. Figura 2 ilustrează arhitectura internă a ADP151, evidențiind utilizarea unui amplificator operațional, a unei referințe de tensiune internă și a unui tranzistor de trecere PMOS.
Regulatoarele liniare sunt extrem de populare; cu toate acestea, ele nu pot furniza o tensiune de ieșire mai mare decât cea de intrare. În funcție de topologie (adică de modul în care are loc conversia), convertoarele DC/DC cu comutație pot îndeplini această funcție și pot furniza o tensiune de ieșire mai mică decât cea de intrare. Convertoarele DC/DC oferă o abordare practică, eficientă din punct de vedere al costurilor și al spațiului, pentru a asigura o singură sau mai multe linii de alimentare pentru un proiect embedded. Există diverse tipuri de topologii de convertoare DC/DC. Unele topologii asigură o izolare galvanică de la intrare la ieșire, în timp ce altele sunt neizolate. Majoritatea derivă din două tipuri sau sunt iterații ale acestora: buck (coborâtor) sau boost (ridicător).
Figura 3: Seria XP Power IZB de convertoare DC/DC izolate, în capsulă SIP8. (Sursa: XP Power)
Un exemplu de convertor DC/DC compact, cu o singură ieșire, este reprezentat de seria IZB de la XP Power (figura 3). Aceste convertoare izolate de 3 wați sunt livrate într-o capsulă standard SIP8 și sunt disponibile în diverse combinații de tensiuni de intrare (2:1) și ieșire care acoperă valorile nominale uzuale de la 3,3VDC la 24VDC. Eficiența este de obicei cuprinsă între 68% și 84% și depinde de dispozitiv. Stabilizarea liniei este mai bună de 0,5% pentru o variație de 1% a tensiunii de intrare și o stabilizare în sarcină în limita a 1% până la sarcină maximă. Frecvența de comutație este de 250kHz în toate condițiile de sarcină.
Un alt convertor DC/DC compact, cu comutație, neizolat este cel din seria Traco TSR 1.5E (figura 4), capabil să livreze până la 1,5A de la o intrare de la 7VDC la 36VDC (de la 15VDC la 36VDC pentru modelul cu ieșire de 12V). Sunt disponibile modele de 3,3VDC, 5VDC și 12VDC. Eficiența este de obicei de 95% pe întreaga gamă.
Figura 4: Seria TSR 1.5E de la Traco oferă un convertor DC/DC compact și foarte eficient pentru aplicații PoL (Point of Load). (Sursa: Traco)
După cum s-a menționat, unele modele de dispozitive portabile alimentate de la baterii necesită circuite care să încarce bateria și să furnizeze o tensiune de alimentare stabilizată. Pentru acest tip de circuite, o soluție poate fi PMIC-ul MAX77654 de Maxim Integrated (acum Analog Devices), de foarte mică putere și înalt integrat. Fiind un regulator buck-boost cu trei ieșiri, cu un singur inductor și ieșiri multiple (SIMO), MAX77654 poate furniza ieșiri programabile de la 0,8VDC la 5,5VDC. De asemenea, sunt disponibile și două ieșiri LDO separate, de 100mA.
MAX77654 PMIC este optimizat pentru bateriile Li-ion de mici dimensiuni, oferind curenți de încărcare programabili și funcții sofisticate de monitorizare a bateriei, inclusiv măsurarea temperaturii bateriei folosind metodele standard JEITA de termoreglare.
Selectarea sursei de alimentare pentru un sistem embedded
Acest scurt articol a evidențiat mai mulți factori esențiali care trebuie luați în considerare atunci când decideți cum să asigurați alimentarea cu putere pentru proiectul vostru embedded. Tipul de aplicație și cazurile de utilizare preconizate vor modela cerințele de alimentare cu tensiune și curent. După cum am arătat, există și alte considerente tehnice privind eficiența, spațiul disponibil pe placă și comunicația cu procesorul gazdă, pentru a menționa doar trei dintre acestea. Site-ul Mouser găzduiește mai multe resurse tehnice pentru managementul energiei.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
