Представьте себе вашу передовую встроенную систему с выдающимися возможностями обработки изображений, радиолокационной точностью и беспрецедентной вычислительной скоростью, выходящую из строя из-за, казалось бы, незначительной проблемы с питанием. Этот сценарий сродни строительству небоскреба, пренебрегая стабильностью фундамента. В мире высокопроизводительных встроенных систем целостность питания является решающим фактором между успехом и неудачей.
Разработка встроенных систем охватывает широкий спектр электронных приложений, от простого программирования Arduino до сложных пользовательских вычислительных систем. В передовых приложениях, таких как обработка изображений, радары, модульные вычисления и периферийные вычисления, проектирование модулей регуляторов питания становится критическим фактором, определяющим производительность системы, поскольку оно должно обеспечивать как целостность питания, так и целостность сигнала. Эти системы стимулируют инновации в различных отраслях, от крупных корпораций до стартапов, изучающих новые области применения.
Архитектура питания встроенных систем: построение стабильной подачи питания
Все встроенные системы полагаются на основной процессор для выполнения вычислительных операций и запуска встроенных приложений или операционных систем. В то время как простые системы, такие как Arduino или Raspberry Pi, могут требовать только одно или два основных напряжения для своих основных процессоров, передовые системы, такие как FPGA или GPU, требуют нескольких основных напряжений на различных стандартных уровнях (3,3 В, 2,5 В, 1,8 В, 1,2 В и т. д.). Следовательно, источник питания должен учитывать все эти требования по напряжению во всей системе.
Как правило, встроенные системы используют стандартное входное напряжение питания, а стратегии регулирования питания на основе печатных плат обеспечивают определенные основные напряжения. Архитектура распределения питания часто следует иерархической древовидной структуре:
- Основной вход обычно использует импульсный регулятор для питания всей системы
- Для систем, требующих значительной мощности, большие модули регуляторов обеспечивают стабильное питание на самом высоком уровне напряжения
- Модульные системы в периферийных вычислениях, автомобилестроении, аэрокосмической отрасли и телекоммуникациях часто реализуют эти независимые источники питания в стойках или корпусах
Точное управление основным напряжением: соответствие требованиям к питанию конкретных компонентов
Различные основные напряжения подаются выделенными регуляторами питания, каждый из которых требует специализированной конструкции для удовлетворения конкретных эксплуатационных требований:
-
Стабильный выход напряжения/тока:Выход должен минимизировать шум за счет подавления пульсаций, фильтрации шума переключения (в преобразовании DC-DC) и тщательного тестирования стабильности обратной связи регулятора во время работы
-
Максимальный выходной ток:По мере масштабирования встроенных систем требования к току увеличиваются, требуя от регуляторов подачи высокого тока при требуемых основных напряжениях
-
Соответствие EMI/EMC:Критично в суровых электрических условиях, особенно для промышленных, автомобильных и аэрокосмических приложений, уязвимых к переходным процессам входного питания (ESD) и скачкам напряжения
Основы компоновки питания: достижение малошумной и высокоэффективной подачи питания
Руководящие принципы компоновки встроенного питания сочетают в себе лучшие практики для систем питания и высокоскоростной разработки печатных плат. В следующей таблице обобщены основные соображения по компоновке при выборе компонентов и разработке структуры печатной платы для обеспечения целостности питания:
| Аспект проектирования |
Основные соображения |
| Размещение регулятора |
Располагайте близко к точкам нагрузки, чтобы минимизировать длину трассировки и импеданс |
| Стратегия заземления |
Реализуйте звездообразное заземление для аналоговых и цифровых секций, чтобы предотвратить образование контуров заземления |
| Развязывающие конденсаторы |
Используйте соответствующие значения и размещайте их как можно ближе к выводам питания |
| Управление тепловым режимом |
Обеспечьте достаточную площадь меди и тепловые переходы для отвода тепла |
| Многослойная структура |
Выделите смежные слои для плоскостей питания и заземления, чтобы минимизировать импеданс |
Современные встроенные системы требуют все более сложной архитектуры питания для поддержки своих передовых возможностей. Поскольку требования к обработке продолжают расти в различных отраслях, важность надежной конструкции питания будет только усиливаться. Инженеры должны учитывать соображения производительности, надежности и эффективности при разработке решений питания для встроенных приложений следующего поколения.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!
