Wydajność projektów dla urządzeń IoT

Obecnie projektowane moduły do zastosowań IoT powinny charakteryzować się niskim poborem mocy i dużą niezawodnością działania. Jest to związane z warunkami w jakich najczęściej pracują oraz parametrami, które mierzą: temperatura, wilgotność, ciśnienie, wibracje, itp. Aby pomóc projektantom zaspokajać obecne potrzeby przemysłu, producenci tworzą coraz to nowe chipsety spełniające specyficzne wymagania elektryczne i mechaniczne. W projektowaniu chipsetów dla IoT, producenci skupiają głównie swoją uwagę na ilości źródeł energii i jej zużyciu. Poprawnie zaprojektowany moduł może pobierać w trybie pracy około 6mA a w trybie uśpienia około 1uA. Tak niskie zużycie energii umożliwia niektórym modułom IoT na nieskończenie długą pracę, bez konieczności zasilania z zewnętrznego źródła energii. Zdolność do osiągnięcia wydajnych projektów IoT zależy w dużym stopniu od wyboru komponentów, a konkretnie projektu bloku zasilania, elementów wejściowych, elementów dopasowania wyjścia, elementów bloku zegara i elementów łączących. Firma AVX wychodzi naprzeciw wysokim wymaganiom inżynierów gwarantując elementy najwyższej jakości do zastosowań w urządzeniach IoT. Elementy zasilania Zarówno kondensatory tantalowe, jak i ceramiczne są doskonałym wyborem dla systemów zasilania w modułach IoT. Kondensatory tantalowe, poprzez dużą pojemność zamkniętą w małych wymiarach, mogą stanowić doskonałe źródło gromadzenia energii dla modułów zasilanych energią odnawialną. De-rating czyli użycie części o wyższym napięciu znamionowym niż napięcie aplikacji odgrywa kluczową rolę w osiągnięciu optymalnej wydajności, zmniejszając prąd upływu kondensatorów tantalowych w aplikacji. Rysunek 1. Typowe prądy upływu dla różnego napięcia stosowanego w kondensatorach tantalowych. Rysunek 1 przedstawia redukcję prądu upływu w kondensatorach tantalowych jako stosunek napięcia zasilającego do zmniejszającego się napięcia znamionowego. Im większy poziom de-rating, tym niższy poziom prądu upływu w aplikacji. Na przykład, podzespół używany przy 50% znamionowego napięcia będzie miał prawie trzy krotnie niższą wartość prądu upływu, niż element używany przy 80%. Kondensatory ceramiczne, a zwłaszcza te o dielektryku X5R, mogą posiadać również duże wartości pojemności w małej obudowie, np. 0201 czy nawet 01005. W ten sposób możliwa jest oszczędność miejsca, niezbędna do uzyskania niewielkiego i przenośnego urządzenia IoT. Dodatkową zaletą kondensatorów ceramicznych są niskie szumy ESR, co może być szczególnie ważne przy tworzeniu filtrów w celu złagodzenia widma RF w aplikacji. Elementy wejściowe Urządzenia IoT są stosowane w szerokiej gamie środowisk aplikacyjnych, stąd tak ważne staje się ich zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) i zaburzeniami pola elektromagnetycznego (EMI). Wielowarstwowe warystory (MLV - Multi-Layer Varistor) są wielofunkcyjnymi elementami zapewniającymi projektantom możliwość ochrony zarówno przed zagrożeniami związanymi z przepięciami, jak i EMI. Dzięki pojedynczemu elementowi, możliwe jest zaoszczędzenie zarówno powierzchni płyty, jak i kosztów zakupu dodatkowych elementów w całym pliku BOM. Elementy MLV wytwarza się przy użyciu procesu spiekania ceramicznego, który daje strukturę przewodzących ziaren tlenku cynku (ZnO) w otoczeniu elektrycznie izolujących barier. W ten sposób powstaje element, który działa jak warystor. Wartość napięcia przebicia zależy od liczby warstw ceramicznych pomiędzy elektrodami. Zastosowania wysokonapięciowe, takie jak ochrona linii AC, wymagają wielu ziaren pomiędzy elektrodami, podczas gdy aplikacje niskonapięciowe, takie jak niskonapięciowe układy ASIC, wymagają tylko kilku ziaren, aby ustalić odpowiednie napięcie przebicia. Odpowiedni model MLV pokazano na rysunku 2. MLV działa jak filtr EMI w stanie wyłączenia. W tym stanie element pojemnościowy wykazuje cechy stabilności zbliżone do kondensatora X7R. Wartości pojemności wynoszą od << 1pF, co jest użyteczne w ochronie czujników bez obciążania pojemnościowego, do > 16nF, co jest przydatne w tłumieniu niskich częstotliwości. Rysunek 2: Model elementu MLV. Elementy dopasowania wyjściowego Wiele elementów indukcyjnych, w tym ceramiczne dławiki drutowe (Wire Wound Ceramic Inductors), ceramiczne dławiki wielowarstwowe (Multilayer Ceramic Inductors), ultra cienkie dławiki wielowarstwowe (Thin Film Inductors) oraz wielowarstwowe dławiki organiczne (MLO - Multilayer Organic Inductors), mogą być doskonałym elementem dla układu dopasowania wyjściowego w modułach IoT. Wyższe współczynniki dobroci (Q) w cewkach przekładają się na mniejszą stratę w obwodzie, co jest szczególnie ważne w urządzeniach o małej mocy, a ponieważ tolerancja może wpływać na czystość widma, to znacząco zmniejszona tolerancja dławików może dodatkowo przyczynić się do wyboru takich właśnie urządzeń IoT. Ceramiczne dławiki drutowe obejmują ultra kompaktowe cewki, które zapewniają wysokie współczynniki Q w zakresie wysokich prądów, wąską tolerancje (± 2%) i przeznaczone są do stosowania w temperaturach od -40°C do +125°C. Ceramiczne dławiki wielowarstwowe dzięki swojej budowie znajdują zastosowanie w aplikacjach, które wykorzystują częstotliwości do 10GHz. Elementy te oferują obecnie zakresy prądów do 1A i wartości indukcji od 0,3nH do 470μH. Ultra cienkie dławiki wielowarstwowe charakteryzują się niewielkimi wymiarami, wytrzymałą budową, co gwarantuje niezawodny montaż automatyczny oraz zapewniają wysoką wydajność w wysokich częstotliwościach, wyjątkową powtarzalność każdej partii i wąską tolerancję. Zastosowanie materiałów dielektrycznych posiadających bardzo niskie straty, takie jak dwutlenek krzemu (SiO2) i tlenek-azotku krzemu (SiON), w połączeniu z elektrodami o wysokiej przewodności zapewnia niskie ESR i wysokie Q. Opracowana przez AVX nowa technologia wytwarzania wielowarstwowych dławików, na bazie małostratnych polimerów i dielektryka organicznego o dużej stałej dielektrycznej, zapewnia dużą dobroć, bardzo dobre parametry elektryczne oraz dużą odporność na przepięcia bez wpływu na parametry pracy urządzenia. Elementy bloku zegara Ponieważ aplikacje IoT muszą synchronizować się z wieloma innymi systemami, dokładny czas ma kluczowe znaczenie i stanowi podstawę ważnych zastosowań, w tym dla: bezpieczeństwa, spójności danych, wykrywania ruchu, oszacowania prędkości i wielu innych. Większość układów MCU przeznaczonych dla IoT obecnie wykorzystuje niewielkie, precyzyjne elementy, takie jak kwarce, oscylatory i urządzenia TCXO w celu uzyskania precyzyjnego pomiaru czasu. Wybór odpowiednich elementów wymaga znalezienia właściwej równowagi pomiędzy dokładnością pomiaru czasu a wielkością, ciężarem i wytrzymałością urządzenia, tak, aby spełnić wymagania dotyczące kosztów i dokładności dla każdego pojedynczego systemu. Złącza Podłączenie przewodów do różnych modułów IoT może stanowić poważne wyzwanie. Rozwiązaniem są złącza IDC, które zapewniają wyjątkowo skuteczne mocowanie. Testowane w różnych warunkach, złącza IDC niezawodnie łączą poszczególne przewody od 12 do 28 AWG z płytkami drukowanymi, zapewniając jednocześnie dużą odporność na ekstremalne wstrząsy, wibracje i zmienne warunki temperaturowe wymagających aplikacji. Ten sprawdzony pod względem przemysłowym system połączeń pozwala również na prostotę użytkowania, umożliwiając użytkownikom mocowanie przewodów do styków SMT przy użyciu małego narzędzia lub opcjonalnie nasadki, co ułatwia podłączenie wielu urządzeń bez procesu lutowania. Złącza IDC zapewniają szczelne połączenia z drutem przewodu, a opcjonalna zaślepka zapewnia dodatkową redukcję naprężenia nawet w najtrudniejszych warunkach. W przypadku naprawy możliwe jest wymontowanie i wymiana przewodów do trzech razy. Pomimo, iż na rynku dostępna jest niezliczona ilość komponentów mogących znaleźć zastosowanie w urządzeniach IoT, to tylko niektóre z nich potrafią spełnić wysokie wymagania dotyczące efektywności działania, niezawodności, bezpieczeństwa i wygody stosowania w nowoczesnym i coraz dynamiczniej rozwijającym się krajobrazie elektronicznym IoT. Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © AVX