تصور کنید سیستم تعبیهشده پیشرفته شما با قابلیتهای پردازش تصویر قابل توجه، دقت راداری و سرعت محاسباتی بیسابقه، به دلیل یک مشکل ظاهراً بیاهمیت در برق، از کار بیفتد. این سناریو شبیه به ساخت یک آسمانخراش در حالی است که ثبات فونداسیون نادیده گرفته میشود. در دنیای سیستمهای تعبیهشده با کارایی بالا، یکپارچگی برق عامل تعیینکننده بین موفقیت و شکست است.
طراحی سیستمهای تعبیهشده طیف وسیعی از کاربردهای الکترونیکی را در بر میگیرد، از برنامهنویسی ساده آردوینو تا سیستمهای محاسباتی سفارشی پیچیده. در کاربردهای پیشرفته مانند تصویربرداری، رادار، محاسبات ماژولار و محاسبات لبه، طراحی ماژولهای تنظیمکننده برق به یک عامل حیاتی در تعیین عملکرد سیستم تبدیل میشود، زیرا باید یکپارچگی برق و یکپارچگی سیگنال را تضمین کند. این سیستمها در حال پیشبرد نوآوری در سراسر صنایع، از شرکتهای بزرگ گرفته تا استارتآپهایی هستند که در حال بررسی حوزههای کاربردی جدید هستند.
همه سیستمهای تعبیهشده برای انجام عملیات محاسباتی و اجرای برنامهها یا سیستمعاملهای تعبیهشده به یک پردازنده اصلی متکی هستند. در حالی که سیستمهای سادهای مانند آردوینو یا رزبری پای ممکن است تنها به یک یا دو ولتاژ هسته برای پردازندههای اصلی خود نیاز داشته باشند، سیستمهای پیشرفتهای مانند FPGA یا GPU به چندین ولتاژ هسته در سطوح استاندارد مختلف (3.3 ولت، 2.5 ولت، 1.8 ولت، 1.2 ولت و غیره) نیاز دارند. در نتیجه، منبع تغذیه باید تمام این الزامات ولتاژ را در سراسر سیستم در خود جای دهد.
به طور معمول، سیستمهای تعبیهشده از برق ورودی ولتاژ استاندارد استفاده میکنند، که استراتژیهای تنظیم برق مبتنی بر PCB، ولتاژهای هسته خاصی را ارائه میدهند. معماری توزیع برق اغلب از یک ساختار درختی سلسله مراتبی پیروی میکند:
ولتاژهای هسته مختلف توسط تنظیمکنندههای برق اختصاصی تأمین میشوند که هر کدام برای برآورده کردن نیازهای عملیاتی خاص به طراحی تخصصی نیاز دارند:
اصول راهنما برای طرحبندی برق تعبیهشده، بهترین شیوهها را برای سیستمهای برق و طراحی PCB با سرعت بالا ترکیب میکند. جدول زیر ملاحظات کلیدی طرحبندی را برای انتخاب اجزا و طراحی stackup PCB برای اطمینان از یکپارچگی برق خلاصه میکند:
| جنبه طراحی | ملاحظات کلیدی |
|---|---|
| محل قرارگیری تنظیمکننده | نزدیک به نقاط بار قرار دهید تا طول و امپدانس مسیر را به حداقل برسانید |
| استراتژی اتصال به زمین | برای جلوگیری از حلقههای زمین، اتصال به زمین ستارهای را برای بخشهای آنالوگ و دیجیتال پیادهسازی کنید |
| خازنهای جداکننده | از مقادیر مناسب استفاده کنید و آنها را تا حد امکان نزدیک به پینهای برق قرار دهید |
| مدیریت حرارتی | اطمینان از ناحیه مسی کافی و vias حرارتی برای اتلاف گرما |
| Stackup لایه | لایههای مجاور را برای صفحات برق و زمین اختصاص دهید تا امپدانس به حداقل برسد |
سیستمهای تعبیهشده مدرن به معماریهای برق فزایندهای پیچیده برای پشتیبانی از قابلیتهای پیشرفته خود نیاز دارند. با ادامه رشد الزامات پردازش در سراسر صنایع، اهمیت طراحی برق قوی تنها افزایش مییابد. مهندسان باید هنگام توسعه راهحلهای برق برای برنامههای تعبیهشده نسل بعدی، عملکرد، قابلیت اطمینان و ملاحظات راندمان را متعادل کنند.
تصور کنید سیستم تعبیهشده پیشرفته شما با قابلیتهای پردازش تصویر قابل توجه، دقت راداری و سرعت محاسباتی بیسابقه، به دلیل یک مشکل ظاهراً بیاهمیت در برق، از کار بیفتد. این سناریو شبیه به ساخت یک آسمانخراش در حالی است که ثبات فونداسیون نادیده گرفته میشود. در دنیای سیستمهای تعبیهشده با کارایی بالا، یکپارچگی برق عامل تعیینکننده بین موفقیت و شکست است.
طراحی سیستمهای تعبیهشده طیف وسیعی از کاربردهای الکترونیکی را در بر میگیرد، از برنامهنویسی ساده آردوینو تا سیستمهای محاسباتی سفارشی پیچیده. در کاربردهای پیشرفته مانند تصویربرداری، رادار، محاسبات ماژولار و محاسبات لبه، طراحی ماژولهای تنظیمکننده برق به یک عامل حیاتی در تعیین عملکرد سیستم تبدیل میشود، زیرا باید یکپارچگی برق و یکپارچگی سیگنال را تضمین کند. این سیستمها در حال پیشبرد نوآوری در سراسر صنایع، از شرکتهای بزرگ گرفته تا استارتآپهایی هستند که در حال بررسی حوزههای کاربردی جدید هستند.
همه سیستمهای تعبیهشده برای انجام عملیات محاسباتی و اجرای برنامهها یا سیستمعاملهای تعبیهشده به یک پردازنده اصلی متکی هستند. در حالی که سیستمهای سادهای مانند آردوینو یا رزبری پای ممکن است تنها به یک یا دو ولتاژ هسته برای پردازندههای اصلی خود نیاز داشته باشند، سیستمهای پیشرفتهای مانند FPGA یا GPU به چندین ولتاژ هسته در سطوح استاندارد مختلف (3.3 ولت، 2.5 ولت، 1.8 ولت، 1.2 ولت و غیره) نیاز دارند. در نتیجه، منبع تغذیه باید تمام این الزامات ولتاژ را در سراسر سیستم در خود جای دهد.
به طور معمول، سیستمهای تعبیهشده از برق ورودی ولتاژ استاندارد استفاده میکنند، که استراتژیهای تنظیم برق مبتنی بر PCB، ولتاژهای هسته خاصی را ارائه میدهند. معماری توزیع برق اغلب از یک ساختار درختی سلسله مراتبی پیروی میکند:
ولتاژهای هسته مختلف توسط تنظیمکنندههای برق اختصاصی تأمین میشوند که هر کدام برای برآورده کردن نیازهای عملیاتی خاص به طراحی تخصصی نیاز دارند:
اصول راهنما برای طرحبندی برق تعبیهشده، بهترین شیوهها را برای سیستمهای برق و طراحی PCB با سرعت بالا ترکیب میکند. جدول زیر ملاحظات کلیدی طرحبندی را برای انتخاب اجزا و طراحی stackup PCB برای اطمینان از یکپارچگی برق خلاصه میکند:
| جنبه طراحی | ملاحظات کلیدی |
|---|---|
| محل قرارگیری تنظیمکننده | نزدیک به نقاط بار قرار دهید تا طول و امپدانس مسیر را به حداقل برسانید |
| استراتژی اتصال به زمین | برای جلوگیری از حلقههای زمین، اتصال به زمین ستارهای را برای بخشهای آنالوگ و دیجیتال پیادهسازی کنید |
| خازنهای جداکننده | از مقادیر مناسب استفاده کنید و آنها را تا حد امکان نزدیک به پینهای برق قرار دهید |
| مدیریت حرارتی | اطمینان از ناحیه مسی کافی و vias حرارتی برای اتلاف گرما |
| Stackup لایه | لایههای مجاور را برای صفحات برق و زمین اختصاص دهید تا امپدانس به حداقل برسد |
سیستمهای تعبیهشده مدرن به معماریهای برق فزایندهای پیچیده برای پشتیبانی از قابلیتهای پیشرفته خود نیاز دارند. با ادامه رشد الزامات پردازش در سراسر صنایع، اهمیت طراحی برق قوی تنها افزایش مییابد. مهندسان باید هنگام توسعه راهحلهای برق برای برنامههای تعبیهشده نسل بعدی، عملکرد، قابلیت اطمینان و ملاحظات راندمان را متعادل کنند.