Des PCB Plus Frais Pour Une Planète Plus Froide

L’énergie gaspillée brûle sous forme de chaleur. Cette énergie provient d’une centrale électrique ou d’une batterie. Et pire encore, si l’énergie brûle à l’intérieur d’un bâtiment, la climatisation brûle encore plus d’énergie pour refroidir les travailleurs et les machines. Moins de perte de chaleur signifie de meilleurs produits aussi. Comme nous, les ingénieurs, nous le savons, les meilleures conceptions sont également les plus efficaces.

L’alimentation d’un circuit imprimé

Il était une fois, une seule alimentation logique, telle que + 5V, était souvent la seule alimentation de périphérique sur un PCB. Plus maintenant, car:

• Les FPGA, les modules IOT et de nombreux autres appareils prennent en charge plusieurs normes IO (souvent configurables) et celles-ci nécessitent une variété de tensions d’alimentation
• De nombreux appareils, y compris la DDR 3/4/5 SDRAM, ont des tensions d’alimentation de base distinctes de leurs alimentations d’E/S. La DDR4 a également besoin d’une alimentation Wordline Boost distincte
• De plus en plus, les circuits analogiques et RF partagent un PCB aux côtés du numérique. Ces alimentations nécessitent une distribution soignée ainsi que des tensions d’alimentation séparées
• La terminaison de fin de bus, par exemple, Adresse/Commande sur DDR3, passe à une tension de terminaison de niveau intermédiaire (VTT). Il n’est pas suffisant de diviser la tension d’alimentation avec deux résistances. Cette tension doit être stable – donc encore une autre tension d’alimentation

Dans de nombreux modèles, vous avez besoin d’une gamme de tensions d’alimentation DC. Habituellement, vous les créez à l’aide de convertisseurs DC-DC. Les régulateurs linéaires à l’ancienne ne sont pas vraiment une bonne idée, sauf lorsque la puissance qu’ils fournissent est minuscule. Un régulateur linéaire a souvent un gros corps métallique. C’est parce qu’ils « brûlent» beaucoup d’énergie perdue. Un régulateur « Buck» moderne, en revanche, est beaucoup plus efficace – généralement au moins 80%. Mais les convertisseurs Buck ont besoin d’une mise en page soignée car, DC ou non, ils utilisent des fréquences élevées et sont essentiels à la mise en page. Plus efficace signifie moins de chaleur perdue.

Une fois que vous avez une disposition de convertisseur DC-DC éprouvée, il est judicieux de la conserver pour une réutilisation. Vous avez déjà fait le travail pour choisir une conception efficace et vous savez que la mise en page n’introduit pas de problèmes CEM. J’ai encadré celui-ci et créé un bloc dans eCADSTAR PCB Editor. J’ai enregistré cela en tant que mini-conception de PCB que je peux partager avec d’autres ingénieurs, afin qu’ils puissent simplement y accéder et le déposer dans leur disposition de PCB.

Signaux à grande vitesse dans eCADSTAR

Les signaux affectent la consommation d’énergie de manière évidente et moins évidente. Cherchons quelques façons moins évidentes.

Vous avez une ou deux rangées de SDRAM, mais vous n’avez pas vraiment besoin de DDR4 et vous avez un stock de DDR3.

C’est là que le POD (Pseudo Open Drain) fait la différence. Les signaux de données (DQ) du DDR4 l’utilisent. La résiliation est ODT (On-Die Termination) et les signaux de 1,2V également – et une alimentation inférieure signifie moins de puissance.

Les signaux traditionnels à drain ouvert ne fonctionnent que dans un sens (généralement bas) et l’état haut est créé par une terminaison vers VCC lorsque les pilotes passent en circuit ouvert. Ceux-ci, comme les bus à collecteur ouvert, qui étaient courants avant l’arrivée de Tristate sur le marché. Lorsqu’un pilote d’un bus devient bas, le bus devient bas et du courant passe à travers la résistance, dans un agencement appelé « câblage ou».

Alors pourquoi a-t-il réapparu sous forme de pseudo drain ouvert ? En raison de la consommation d’énergie. Encore mieux, nous pouvons perdre le courant de terminaison lorsque le pilote devient bas, car la terminaison en cours de connexion ne se connecte qu’à la volée, lorsque cela est nécessaire. C’est un «pseudo» drain ouvert car il y a un fort tirage vers le bas, et un faible (pas absent) tirage vers le haut sur le conducteur. C’est plus compliqué que ce que j’ai dessiné ici, et tout est fait avec des semi-conducteurs et les signaux DQ sont bidirectionnels, mais j’espère que cela aidera à montrer l’idée.

Les paires différentielles très rapides suivent un protocole en couches. Par exemple, PCI Express comprend sept couches. Pour économiser l’énergie, je mentionnerai juste celui en bas : la couche 1, la couche physique. Même alors, il y a une charge de choses extrêmement complexes et intelligentes, comme la propagation automatique du contenu RF, l’encodage et la répartition des données. Mais je ne parlerai que du bit électrique le plus élémentaire et de sa relation avec l’économie d’énergie : le choix populaire de la signalisation différentielle à basse tension (LVDS). La puissance est vraiment faible – environ 1,2 mW délivrée au récepteur – car elle utilise des pilotes en mode courant. Cela signifie simplement qu’au lieu de signaler avec une tension minimale garantie, les pilotes signalent avec un courant minimum garanti.

Il génère également une EMI (Interférence électromagnétique) très faible pour des raisons que je pourrais mentionner dans un autre blog.

Et la sérialisation signifie que vous pouvez envoyer beaucoup d’informations très rapidement sur chaque paire différentielle, donc c’est beaucoup plus économe en énergie que la signalisation traditionnelle.

Vous pouvez souvent configurer les E/S pour utiliser à la fois différents types de pilotes et différentes forces de pilotes. Il est clair que, disons, un pilote 8mA utilise plus d’énergie qu’un pilote 4mA et crée plus de la diaphonie et de bruit d’alimentation, donc si 4mA est définitivement assez fort, il est préférable de l’utiliser. Le comportement transitoire est essentiel ici car le courant, la tension et la puissance voyagent sous forme d’ondes dans les circuits à grande vitesse. Cela crée du bruit et des coupures de courant lorsque les conducteurs (comme les machines à vagues pour piscines de loisirs) fournissent des ondes au PCB.

Finalement

Refroidir notre planète un tout petit peu en réduisant la consommation d’énergie de nos PCB n’est pas seulement écologique – c’est une bonne ingénierie à bien des égards. Comme disent les gens sympas, « Qu’est-ce qui ne plaît pas ? »