Introduksjon til lavmiks integrert design

Introduksjon til motiverende intervju (MI) for helsepersonell (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Introduksjon til lavmiks integrert design


Lavt strømforbruk har blitt et viktig designmål i mange elektroniske systemer. Denne artikkelen introduserer viktige konsepter og teknikker.

I denne artikkelen vil vi utforske noen grunnleggende informasjon relatert til minimering av strømforbruket i mikrokontrollerbaserte innebygde systemer. Da vil en fremtidig artikkel diskutere spesifikke mikrokontrollerfunksjoner og hvordan du kan bruke dem til å forlenge batterilevetiden.

Som antydet av foregående setning, er den ubarmhjertige jakten på redusert strømforbruk bundet til uunngåelige begrensninger på batteriet. Det er absolutt ingenting galt med å øke energieffektiviteten til en krets som drives av stikkontakt, men det er vanskelig å bli motivert når du vet at kraften som kreves av en liten elektronisk enhet, er så liten i forhold til apparater eller omfattende innendørs belysning.

Når et produkt er utviklet primært for batteristrøm, endres alt. Små batterier lagrer svært begrensede mengder energi, men likevel vil forbrukerne ha høy ytelse (les "høy effekt") enheter som er svært kompakte (les "for lite for et godt batteri") og det trenger ikke å lades opp hvert tjue minutter. Hva er en designer å gjøre? Gjør mer med mindre, det vil si at du oppnår ønsket funksjonalitet mens du minimerer antall elektroner som må reise fra den ene siden av batteriet til det andre.

Første ting først

Før vi går videre, må vi sørge for at alle er på samme side om terminologi.

  • Strøm: Dette er frekvensen der elektrisk ladning strømmer gjennom en leder (eller halvleder). Standardenheten er ampere, som er definert som coulombs (en ladingsenhet) per sekund.
  • Energi: Dette ordet refererer til den mystiske "eiendommen" som overføres i ferd med å oppnå noe (f.eks. En temperaturøkning, fysisk bevegelse, generering av lys). Et batteri lagrer kjemisk energi som kan konverteres til elektrisk energi for bruk av en krets. Standardenheten for energi er joules.
  • Kraft: I en vitenskapelig sammenheng er kraften den hastigheten der energi omdannes fra en form til en annen (som fra elektrisk energi til varme eller elektrisk energi til elektromagnetisk stråling). Enheten er watt, som er definert som joules per sekund.

Charge, Energy, Power, Current. . .

Vi diskuterer vanligvis kretser når det gjelder strøm og strøm, og vi diskuterer batterier når det gjelder ladning eller energi. For eksempel kan vi si at en bestemt op-amp bruker 1 mA strømforsyning; Dette er imidlertid ufullstendig informasjon hvis strømmen avhenger av forsyningsspenningen. En strømspesifikasjon inkorporerer begge disse mengdene, fordi elektrisk kraft beregnes som spenningstider nåværende.

Batteriets evne til å opprettholde funksjonaliteten til en elektronisk krets er uttrykt i amper-timer (eller vanligvis milliamp-timer, forkortet mAh). Teknisk er dette en ladingsenhet:

$$ amperes \ cdot time = \ frac {coulombs} {sekund} \ cdot3600 \ seconds = 3600 \ coulombs $$

Således, hvis en krets krever 1 mA (= 0, 001 coulombs per sekund) strøm, kan et 1 mAh (= 3, 6 coulomb) batteri opprettholde denne kretsen for 3600 (= 3, 6 / 0, 001) sekunder, også kjent som en time.

Det er godt å gjenkjenne at mAh ikke er en energienhet, selv om vi kanskje tenker på det som en generell indikator på hvor mye total elektrisk energi et gitt batteri kan levere før det må kasseres eller lades opp.

Den faktiske energikapasiteten til et batteri avhenger av hvor mye strøm som kan tilføres i hvor lenge, hvor strøm beregnes som strømmen som følger med batteriet multiplisert med spenningen over batteriterminaler. (Dette er ikke en enkel beregning fordi spenningen avtar når batteriet er utladet.) Selv om standard vitenskapelig enhet for energi (og dermed for energikapasitet) er joules, kan vi uttrykke joules i former som er mer praktiske og intuitive, for eksempel mW · timer.

Digital, analog og passiv

Vi kan begynne å analysere strømkravene til en gitt krets ved å vurdere hvordan forskjellige typer komponenter bidrar til totalt strømforbruk.

digitalt

Følgende kjente ligning brukes til å forutsi strømfordelingen av en enkelt CMOS-omformer:

$$ P = fCV_ {DD} ^ 2 $$

Egentlig er dette bare den dynamiske kraftutslipp. Historisk CMOS-teknologi sikrer meget lav statisk strømfordeling, men dette endrer seg noe fordi, fordi FET krymper, blir statisk lekkasjestrøm mer signifikant. Likevel vil vi fokusere på dynamisk kraftutslipp fordi det ikke er mye som borddesigneren kan gjøre for å redusere statisk strømfordeling.

Her ser vi at strømmen er påvirket av både forsyningsspenning og temperatur. (Kreditt til analoge enheter for å sette det værste forbruket på sertifikat på side 1.)

Selv om du generelt kan forvente at høyere forsyningsspenninger og høyere frekvenser vil føre til høyere strømforbruk (som med digitale ICer), bør du sjekke databladet for å få detaljer.

passives

Jeg kommer ikke til å dvele på spenningsforholdene mellom passive komponenter, som ikke akkurat er esoterisk kunnskap. Også, moderne innebygde systemer har ofte ikke mange passiver - en avkoblingskondensator her, et par får motstander der, kanskje en ferritkule på kraftledningen.

Det er imidlertid godt å utvikle en bevissthet om situasjoner hvor en passiv komponent kan tegne betydelige mengder strøm. Her er to eksempler:

  • Opptrekk (eller nedtrekk) motstander: Hvis du har en 1 kΩ opptrekk i et 3.3 V-system, tegner den motstanden 3, 3 mA når det tilsvarende signalet drives til logisk lav og 3, 3 mA for en enkelt motstand, er alvorlig strøm i en alder når sofistikerte mikrocontrollere kjører med lav hastighet drar mindre enn 1 mA.