Immagina il tuo sistema embedded all'avanguardia con notevoli capacità di elaborazione delle immagini, precisione radar e velocità di calcolo senza precedenti che fallisce a causa di un problema di alimentazione apparentemente insignificante. Questo scenario è simile alla costruzione di un grattacielo trascurando la stabilità delle fondamenta. Nel mondo dei sistemi embedded ad alte prestazioni, l'integrità dell'alimentazione è il fattore decisivo tra successo e fallimento.
La progettazione di sistemi embedded copre un ampio spettro di applicazioni elettroniche, dalla semplice programmazione Arduino a complessi sistemi di calcolo personalizzati. In applicazioni avanzate come imaging, radar, calcolo modulare ed edge computing, la progettazione di moduli di regolazione dell'alimentazione diventa un fattore critico per le prestazioni del sistema, poiché deve garantire sia l'integrità dell'alimentazione che l'integrità del segnale. Questi sistemi stanno guidando l'innovazione in tutti i settori, dalle grandi aziende alle startup che esplorano nuovi domini applicativi.
Architettura di alimentazione dei sistemi embedded: costruzione di un'erogazione di alimentazione stabile
Tutti i sistemi embedded si basano su un processore principale per eseguire operazioni di calcolo ed eseguire applicazioni o sistemi operativi embedded. Mentre sistemi semplici come Arduino o Raspberry Pi possono richiedere solo una o due tensioni di core per i loro processori principali, sistemi avanzati come FPGA o GPU richiedono più tensioni di core su vari livelli standard (3,3 V, 2,5 V, 1,8 V, 1,2 V, ecc.). Di conseguenza, l'alimentatore deve soddisfare tutti questi requisiti di tensione in tutto il sistema.
In genere, i sistemi embedded utilizzano l'alimentazione in ingresso a tensione standard, con strategie di regolazione dell'alimentazione basate su PCB che forniscono tensioni di core specifiche. L'architettura di distribuzione dell'alimentazione segue spesso una struttura ad albero gerarchica:
- L'ingresso primario impiega tipicamente un regolatore switching per alimentare l'intero sistema
- Per i sistemi che richiedono una potenza sostanziale, grandi moduli di regolazione erogano alimentazione stabile al livello di tensione più alto
- I sistemi modulari in edge computing, automotive, aerospaziale e telecomunicazioni implementano spesso questi alimentatori indipendenti all'interno di rack o custodie
Gestione precisa della tensione del core: soddisfare i requisiti di alimentazione specifici dei componenti
Varie tensioni di core sono fornite da regolatori di alimentazione dedicati, ciascuno dei quali richiede una progettazione specializzata per soddisfare le specifiche esigenze operative:
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Uscita tensione/corrente stabile:L'uscita dovrebbe ridurre al minimo il rumore attraverso la soppressione del ripple, il filtraggio del rumore di commutazione (nella conversione DC-DC) e test approfonditi della stabilità del feedback del regolatore durante il funzionamento
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Corrente di uscita massima:Man mano che i sistemi embedded si espandono, le richieste di corrente aumentano, richiedendo ai regolatori di erogare un'elevata corrente alle tensioni di core richieste
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Conformità EMI/EMC:Critica in ambienti elettrici difficili, in particolare per applicazioni industriali, automobilistiche e aerospaziali vulnerabili a transienti di ingresso di alimentazione (ESD) e sovratensioni
Fondamenti di layout dell'alimentazione: ottenere un'erogazione di alimentazione a basso rumore e ad alta efficienza
I principi guida per il layout dell'alimentazione embedded combinano le migliori pratiche per i sistemi di alimentazione e la progettazione di PCB ad alta velocità. La tabella seguente riassume le principali considerazioni sul layout per la selezione dei componenti e la progettazione dello stackup del PCB per garantire l'integrità dell'alimentazione:
| Aspetto del design |
Considerazioni chiave |
| Posizionamento del regolatore |
Posizionare vicino ai punti di carico per ridurre al minimo la lunghezza e l'impedenza delle tracce |
| Strategia di messa a terra |
Implementare la messa a terra a stella per le sezioni analogiche e digitali per prevenire i loop di massa |
| Condensatori di disaccoppiamento |
Utilizzare valori appropriati e posizionarli il più vicino possibile ai pin di alimentazione |
| Gestione termica |
Garantire un'area di rame adeguata e vias termici per la dissipazione del calore |
| Stackup dei layer |
Dedicare layer adiacenti per piani di alimentazione e massa per ridurre al minimo l'impedenza |
I moderni sistemi embedded richiedono architetture di alimentazione sempre più sofisticate per supportare le loro capacità avanzate. Man mano che i requisiti di elaborazione continuano a crescere in tutti i settori, l'importanza di un design di alimentazione robusto non farà che intensificarsi. Gli ingegneri devono bilanciare considerazioni di prestazioni, affidabilità ed efficienza quando sviluppano soluzioni di alimentazione per le applicazioni embedded di prossima generazione.
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