Увод у уграђени дизајн са ниском снагом

HUMANITY vs INSANITY #103 - 5G _ A Threat to ALL L (Јун 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Увод у уграђени дизајн са ниском снагом


Мала потрошња енергије постала је важан дизајн циљ у многим електронским системима. Овај чланак уводи суштинске концепте и технике.

У овом чланку ћемо истражити неке темељне информације везане за минимизирање потрошње енергије у уграђеним системима заснованим на микроконтролеру. Затим, у будућем чланку ће се разговарати о специфичним карактеристикама микроконтролера и начину на који можете да их користите како бисте продужили трајање батерије.

Као што је речено у претходној реченици, неуморна потрага за смањеном потрошњом енергије је везана за неизбежна ограничења батерије. Сигурно ништа није у реду с повећањем енергетске ефикасности кола који се напаја из зидне утичнице, али је тешко добити мотивацију када знате да је снага која захтева мали електронски уређај толико мала у поређењу са оним у апаратима или у великој унутрашњости осветљење.

Када је производ дизајниран пре свега за напајање батерије, све се мења. Мале батерије чувају веома ограничене количине енергије, али потрошачи желе високе перформансе (читати "велике снаге") уређаје који су веома компактни (читајте "сувише мали за велику батерију") и да их не треба додатно напунити сваких двадесет минута. Шта дизајнер треба учинити "учинити више са мање", тј. Постићи жељену функционалност, смањивши број електрона који морају да путују са једне стране батерије на другу.

Идемо редом

Пре него што наставимо даље, морамо се уверити да су сви на истој страници у вези са терминологијом.

  • Струја: То је брзина којом електрични набој пролази кроз проводник (или полупроводник). Стандардна јединица је ампера, која се дефинише као коуломб (јединица пуњења) у секунди.
  • Енергија: Ова реч односи се на мистериозну "особину" која се преноси у процесу остваривања нечега (нпр. Повећање температуре, физичко кретање, генерисање светлости). Акумулатор чува хемијску енергију која се може претворити у електричну енергију за коришћење путем струјног кола. Стандардна јединица за енергију је џул.
  • Снага: у научном контексту, снага је брзина којом се енергија претвара из једног облика у други (на пример, од електричне енергије до топлоте или електричне енергије до електромагнетног зрачења). Јединица је вати, који се дефинише као џулови у секунди.

Пуњење, Енергија, Снага, Струја. . .

Ми обично разговарамо о колу у смислу струје и снаге, а ми дискутујемо о батеријама у смислу пуњења или енергије. На пример, можемо рећи да одређени оп-амп троши 1 мА струје снаге; Међутим, ово је непотпуна информација ако струја напајања зависи од напона напајања. Спецификација снаге укључује обе ове количине, јер се електрична енергија рачуна као струја напона струје.

Капацитет батерије за одржавање функционалности електронског кола се изражава у амперовим сатима (или обично миллиамп сати, скраћено мАх). Технички, ово је јединица наплаћивања:

$$ амперес \ цдот хоур = \ фрац {цоуломбс} {сецонд} \ цдот3600 \ сецондс = 3600 \ цоуломбс $$

Стога, ако круг захтева 1 мА (= 0.001 кулобрана у секунди) струје, батерија капацитета 1 мАх (= 3.6 цоуломб) може одржати то коло за 3600 (= 3.6 / 0.001) секунде, такође познате као један сат.

Добро је схватити да мАх није јединица енергије, мада мислимо да је то општи индикатор колико укупне електричне енергије коју батерија може да испоручи пре него што се мора одбацити или поново напунити.

Стварни енергетски капацитет батерије зависи од тога колико се снаге може снабдевати колико дуго, гдје се снага израчунава као струја коју напаја батерија помножена напоном преко терминала акумулатора. (Ово није једноставна обрада јер се напон смањује када се батерија испразни.) Иако је стандардна научна јединица за енергију (а тиме и за енергетски капацитет) јоулес, можемо да изразимо џулове у облицима који су погоднији и интуитивнији, као што су мВ · сати.

Дигитални, аналогни и пасивни

Ми можемо почети да анализирамо захтјеве снаге датог кола узимајући у обзир начине на које различите врсте компоненти доприносе укупној потрошњи струје.

Дигитално

Следећа позната једначина се користи за предвиђање дисипације енергије једног ЦМОС претварача:

$$ П = фЦВ_ {ДД} ^ 2 $$

Заправо, ово је само динамичка динамичка снага. Историјски ЦМОС технологија осигурава веома ниску статичку дисипацију снаге, али се то нешто мења, јер се ФЕТ скупља, статичка струја цурења постаје значајнија. Ипак, фокусираћемо се на динамичку дисипацију енергије, јер нема много тога што дизајнер плоче може учинити да смањи статичку дисипацију енергије.

Овде видимо да на струју снаге утичу и напон напајања и температура. (Кредит за Аналог Девицес за стављање најсложенијих потрошње на страни 1.)

Иако генерално можете очекивати да ће већи напон напајања и веће фреквенције довести до веће потрошње струје (као код дигиталних ИЦ), требали бисте провјерити табелу података да бисте добили детаље.

Пассивес

Нећу се бавити односима пасивних компоненти у тренутном напону, који нису баш езотерично знање. Такође, савремени уграђени системи често немају пуно пасива - овде се налази кондензатор за раздвајање, пар добија отпорнике тамо, можда феритни зглоб на далеководу.

Међутим, добро је развити свијест о ситуацијама у којима пасивна компонента може извлачити значајне количине струје. Ево два примера:

  • Отпорници за повлачење (или повлачење): Ако имате 1 кΩ пулл-уп у 3.3 В систему, тај отпорник црта 3.3 мА кад год се одговарајући сигнал усмјери на ниску логику и 3.3 мА за један отпорник је озбиљна струја у доби када софистицирани микроконтролери који раде са малом брзином повлаче мање од 1 мА.