PCB più freddi per un pianeta più freddo

I PCB non sono centrali elettriche a carbone, ma sono ovunque, quindi tenerli al fresco ci mantiene tutti un po' più freschi.

L’energia sprecata brucia come calore. Quell’energia proviene da una centrale elettrica o da una batteria. E peggio ancora, se l’energia brucia all’interno di un edificio, l’aria condizionata brucia ancora più energia per mantenere i lavoratori e le macchine al fresco. Meno calore disperso di solito significa anche prodotti migliori. Come sappiamo noi ingegneri – i migliori progetti sono anche i più efficienti.

Alimentatori su un circuito stampato

Un tempo, un’unica alimentazione logica, come ad esempio +5V, era spesso l’unica alimentazione del dispositivo su un PCB. Ora non più, perché:

  • FPGA, moduli IOT e molti altri dispositivi supportano più standard IO (spesso configurabili) e questi hanno bisogno di una varietà di tensioni di alimentazione
  • Molti dispositivi, tra cui la DDR 3/4/5 SDRAM, hanno tensioni di alimentazione del nucleo distinte dai loro alimentatori IO. Anche la DDR4 necessita di un’alimentazione Wordline Boost separata
  • Sempre più spesso, i circuiti analogici e RF condividono un PCB insieme al digitale. Queste alimentazioni necessitano di un’attenta distribuzione e di tensioni di alimentazione separate
  • La terminazione di fine bus, ad esempio, indirizzo/comando su DDR3, va ad una tensione di terminazione di medio livello (VTT). Non è sufficiente dividere la tensione di alimentazione con due resistenze. Questa tensione deve essere stabile – quindi un’altra tensione di alimentazione

In molte esecuzioni sono necessarie diverse tensioni di alimentazione in corrente continua. Di solito, le si crea utilizzando convertitori da CC a CC. I regolatori lineari vecchio stile non sono una buona idea se non dove l’alimentazione è minuscola. Un regolatore lineare spesso ha un grande corpo metallico. Questo perché “sprigionano” un sacco di energia di scarto. Un regolatore moderno “buck”, invece, è molto più efficiente – di solito almeno l’80%. Ma i convertitori buck hanno bisogno di un’attenta disposizione perché, DC o no, utilizzano le alte frequenze e sono critici per la disposizione. Più efficiente significa meno spreco di calore.

 Convertitori da CC a CC eCADSTAR
Figura 1: Alcuni convertitori da CC a CC sono più efficienti di altri
 eCADSTAR Library Editor lineare e buck
Figura 2: Regolatori lineari (sinistra) e buck (destra), visualizzati in eCADSTAR Library Editor

Una volta che si dispone di un collaudato layout del convertitore DC-to-DC è una buona idea tenerlo per il riutilizzo. Avete già fatto il lavoro per scegliere un design efficiente e sapete che il layout non introduce problemi di EMC. Ho incorniciato questo e ho creato un blocco in eCADSTAR PCB Editor. L’ho salvato come un mini PCB design che posso condividere con altri ingegneri, in modo che possano semplicemente sfogliarlo e inserirlo nel loro layout PCB.

 Layout del convertitore da CC a CC collaudato di eCADSTAR
Figura 3: Un collaudato layout del convertitore da CC a CC vale la pena di riutilizzareX

Segnali ad alta velocità in eCADSTAR

I segnali influenzano il consumo di energia in modo ovvio e meno ovvio. Scaviamo un paio di modi meno ovvi.

Avete una banca o due di SDRAM, ma non avete bisogno di DDR4 e avete una scorta di DDR3.

Qui è dove il POD (Pseudo Open Drain) fa la differenza. I segnali dati DDR4 (DQ) lo usano. La terminazione è ODT (On-Die Termination). Anche i segnali a 1,2 V – e una tensione più bassa significa meno potenza.

I segnali tradizionali a scarico aperto pilotano solo una via (di solito bassa) e lo stato alto viene creato da un terminatore a VCC quando i driver passano al circuito aperto. Questi, come i bus a collettore aperto, erano comuni prima che Tristate entrasse sul mercato. Quando un driver su un bus si abbassava, il bus si abbassava e la corrente veniva assorbita attraverso la resistenza, in una strana disposizione chiamata “wired-or”.

Allora perché è riapparsa sotto forma di pseudo-open-drain? A causa del consumo di energia. Ancora meglio, possiamo perdere la corrente di terminazione quando il driver si abbassa, perché la terminazione di bordo si attiva solo al volo, quando serve. È “pseudo” open-drain perché c’è un forte pulldown, ma un debole, piuttosto che assente, pullup al driver. È più complicato di quello che ho disegnato qui, ed è tutto fatto con i semiconduttori e i segnali DQ sono bidirezionali, ma spero che questo aiuti a dimostrare l’idea.

 eCADSTAR POD e ODT
Figura 4: POD e ODT aiutano a ridurre la potenza

Le coppie differenziali molto veloci seguono un protocollo a strati. Ad esempio, il PCI Express è composto da sette strati. Per il risparmio energetico, citerò solo quello in basso: Il livello 1, il livello fisico. Anche in questo caso, c’è un carico di cose estremamente complesse e intelligenti, come la diffusione automatica del contenuto RF, la codifica e lo striping dei dati. Ma parlerò solo del bit elettrico più elementare e di come si relaziona con il risparmio energetico: la scelta popolare del Segnale Differenziale a Bassa Tensione (LVDS). La potenza è davvero bassa – circa 1,2mW consegnati al ricevitore – perché utilizza driver in modalità corrente. Questo significa solo che invece di segnalare con una tensione minima garantita, i driver segnalano con una corrente minima garantita.

Genera anche un’EMI molto bassa per ragioni che potrei citare in un altro blog. eCADSTAR LVDS motto

eCADSTAR LVDS motto
Figura 5: Il motto di LVDS è “Gigahertz @ mW “

E la serializzazione significa che si possono inviare molte informazioni molto rapidamente su ogni coppia differenziale, quindi è molto più efficiente in termini di potenza rispetto alla segnalazione tradizionale.

 serializzazione dell'editor di PCB eCADSTAR
Figura 6: Serializzazione significa più dati per ogni mW (routing PCI Express visto in eCADSTAR PCB Editor)

Spesso è possibile configurare l’I/O per utilizzare sia i diversi tipi di driver che i diversi punti di forza dei driver. È chiaro che, diciamo, un driver da 8mA usa più potenza di un driver da 4mA e crea più rumore di diafonia e di alimentazione, quindi se il 4mA è sicuramente abbastanza forte, è meglio usarlo. Il comportamento dei transienti è fondamentale in questo caso perché corrente, tensione e potenza viaggiano come onde nei circuiti ad alta velocità. Questo crea rumore e sbalzi di potenza quando i driver (come le macchine per le onde della piscina per il tempo libero) trasmettono le onde al PCB.

Infine

Raffreddare il nostro pianeta solo un pochino riducendo il consumo di energia sui nostri PCB non è solo ecologico – è una buona ingegneria in tutti i sensi. Come dice la gente cool: “Cosa c’è di non gradito?