A specializáció innovációösztönző tényező a kevert jelű tervezéseknél

A társadalom digitalizálódása elkerülhetetlennek tűnik, mivel a világ a környezeti intelligencia felé halad a robotika és a tárgyak internete (IoT) fokozott használatával. Az adatokat, amelyek a peremhálózati számítástechnika (edge computing) és a felhő között áramlanak, és azokat a jeleket, amelyek tájékoztatják a robotokat a mozgás irányáról, mind bináris formában kezeljük. A fizikai világ azonban továbbra is határozottan analóg marad, és a tervezésnek ez a szempontja vezérli gyakran a környezettel kölcsönhatásban lévő rendszerek teljesítményét.

Az analóg interfészekre minden eddiginél nagyobb szükség van a környezeti jelek rögzítésére és feldolgozására használt érzékelők, valamint a vezérléshez, módosításokhoz használt működtetők miatt. Az áramellátás például az elektromos és mágneses mezők változásának pontos előrejelzési és mérési képességére támaszkodik, kombinálva az elektronikával, amely nagy sebességgel kapcsolja a szükséges áramokat. Ennek eredményeként a digitális és az analóg tartomány közötti interfész kritikus fontosságú. Az interfész megfelelő működtetése gyakran azt jelenti, hogy az alkalmazást kell figyelembe venni annak biztosítása érdekében, hogy az analóg jelek finomságai ne vesszenek el.

Alkatrészek az analóg és digitális integráció támogatására

Mivel az analóg és a digitális világ közötti interfész olyan fontos és alkalmazásfüggő, a vegyes jelek (mixed signals) tervezése továbbra is az intenzív specializáció területe. Bár gyakran úgy tűnik, hogy elsöprő a választéka azoknak a termékeknek, amelyek felhasználhatók egy adott kialakításhoz, figyelembe kell venni azonban a végső alkalmazás pontos követelményeit. A feladatnak megfelelő összetevő megtalálása kihívást jelenthet, és a tervezőknek minden lehetőséget figyelembe kell venniük a legmegfelelőbb választáshoz.

Korábban gyakran volt értelme nagyszámú diszkrét eszközt választani és integrálni a nyomtatott áramköri lapra, azonban a mai piaci igények szerint a felhasználónak nagy integráltságú eszközökre van szüksége, amelyek a funkcionalitás, méret, energiafogyasztás és pontosság alapján megfelelnek a speciális igényeknek. Például az IoT-orientált tervekben az érzékelők elhelyezése ugyanolyan fontos a rendszer architektúrája szempontjából, mint a frontend jelkondicionáló és átalakító áramkör teljesítménye.
Általában szükség van arra, hogy a konvertereket a lehető legközelebb helyezzék el a bemenethez, hogy elkerüljék az analóg parazitajelek okozta jelromlást. Ez látható a környezeti monitoring alkalmazásokban, például a hideglánc-logisztikában és az adatközpont-monitorozásban, ahol több, egymástól viszonylag távol elhelyezkedő hőmérséklet-érzékelőre van szükség. Elengedhetetlen a kompakt átalakító és a front-end támogatása hub felé történő alacsony költségű digitális továbbításhoz. 

Ilyen például az egyvezetékes kommunikációs protokoll használata. A Maxim Integrated MAX31825 eszközében ez biztosítja a szükséges digitális átvitelt, minimális költség mellett, még a nagy rendszerek esetében is. Az interfészre akár 64 érzékelő csatlakoztatható és címezhető 64 bites soros kód segítségével. A hőmérsékletérzékelő lehetővé teszi a hőmérsékletek leolvasását 8–12 bites felbontásig –45 °C és +145 °C közötti tartományban.

Érzékelők és gépi tanulás engedélyezése

Egyes rendszereknek képesnek kell lenniük az érzékelők többféle bemenetének kezelésére – hogy megbízhatóan észleljék a környezeti feltételeket –, valamint az általuk szolgáltatott információk intelligens módon való feldolgozására. Ha egy érzékelő-csomópont képes értékelni az adatokat, és csak a jelentős változásokról számol be, az nagymértékben csökkenti az állapot jelentéséhez szükséges kommunikációs sávszélességet a körülötte lévő rendszerekben. Ez biztosíthatja, hogy az energiafogyasztás a lehető legkisebb legyen, mivel az IoT-csomópont energiafogyasztásának jelentős részét az RF-átvitel és vétel teszi ki. A csomóponton belüli hatékonyan végrehajtott adatfeldolgozás növeli az akkumulátor élettartamát. Most már a gépi tanulást is beépítik a kevert jelfeldogozású eszközökbe.
A szenzorfúzió és a gépi tanulás használata különösen fontos azokban a rendszerekben, amelyeknek pozíciót és a pálya irányát kell észlelniük. A kombináció segít a rezgés és más hibaforrások által okozott zajos jelek kezelésében. Bár lehetséges a csúcskategóriás mikrovezérlők és az adatátalakítók kombinálása a szükséges funkcionalitás elérése érdekében, azonban vannak olyan eszközök, amelyek mindkettőt támogatják, például az STMicroelectronics iNEMO típusú modulja. A SiP („rendszer a tokban”) termékek egyesítik a gyorsulásmérőket, a giroszkópokat és a magnetométereket egy gépi tanulási kóddal, hogy megbízhatóan meghatározzák az alkalmazás helyzetét, amely változatos lehet, például az
eszközkövetés és a robotika alkalmazási területein. Az integráció segít minimálisra csökkenteni az energiafogyasztást azáltal, hogy lehetővé teszi, hogy a fogadó mikrokontroller hosszú ideig alvó üzemmódban maradjon, a pontosság vagy a folyamatosan bekapcsolt működési képességének feláldozása nélkül. Az iNEMO funkcióinak kombinációja bemutatja, hogy az integráció és a szakemberek tapasztalatai hogyan javítják a funkcionalitást és a teljesítményt.

A hatékony áramellátás fontossága

Amellett, hogy intelligens kevert jelű tervezésre van szükség, az IoT-érzékelő csomópontjainak mérete és az alacsony energiaigényű működés szükségessége megmutatja a hatékony energiaellátás és integráció fontosságát. Az On Semiconductor cég hálózati eszközök tervezésében jártas szakemberei bebizonyították, hogy nagy mennyiségű funkcionalitást is meg lehet valósítani kis méretben. Például az FAN54120 a legkisebb akkumulátortöltő, amely jelenleg a piacon van. A 2,0 × 2,0 mm-es DFN6 vagy az 1,36 × 0,76 mm-es WLCSP6 tokozatú integrált áramkört a könnyű használat érdekében tervezték. Töltőként nincs szükség felhasználói interakcióra vagy a mikrovezérlő aktív felügyeletére. A töltő kezeli az egycellás lítium-ion vagy lítiumpolimer akkumulátorokat, valamint olyan körülményeket, mint a lemerült akkumulátor felélesztése. Ez kiegészíti azokat a feltöltési, gyors feltöltési és csepptöltési állapotokat, amelyek szükségesek ezekhez a vegyi anyagokhoz, és mindezt 120 nA-nél kisebb, akkumulátorkisütési áram mellett.
Azoknak a rendszereknek, amelyeknek két cellát kell egymás után kezelniük, és ki kell egyensúlyozniuk a feszültségüket, az MPS (Monolithic Power Systems, Inc.) megtervezte az MP2672-típusú, nagy integráltságú, rugalmas kapcsolóüzemű akkumulátortöltő IC-t. A rugalmasság érdekében az eszköz programozható kivezetések segítségével, vagy egy host MCU-n futó szoftverből, az I²C buszon keresztül küldött parancsok segítségével. A keskeny feszültségű közvetlen töltés (NVDC) lehetővé teszi a rendszer működésének folytatását gyenge akkumulátorral történő töltés közben. Ez a folyamat az előtelepítési küszöbfeszültségen szabályozza a rendszer kimenetét, miközben az akkumulátor töltődik.

Számos rendszernek, beleértve az érzékelő-csomópontokat is, különböző feszültségeken működő tápegységekre van szüksége a speciális áramköröknek a méret, a tömeg és az energiahatékonyság kompromisszumok nélküli táplálásához. A mindössze 2 mm magasságú MPS cég által gyártott MPM3695-10 ultravékony DC / DC átalakító 10 A áram leadására is képes, és könnyen felszerelhető a NYÁK hátoldalára. Működésének kezelése érdekében az eszköz teljes PMbus interfésszel rendelkezik, és kiváló vonalvezetési és terhelési szabályozást kínál széles bemeneti feszültségtartományban.
A jelenlegi intenzív integráció további példája a teljesítményelektronikai tervezésben a Microchip Technology MCP19123-típusú integrált áramköre, amely egyesíti a nagy hatékonyságú áramellátást egy chipen lévő, 8 bites PIC architektúrán alapuló mikrovezérlővel. Ez lehetővé teszi, hogy az eszköz a felügyeleti és irányítási funkciók széles skáláját legyen képes ellátni a rendszeren belül. Maga az analóg szakasz jól konfigurálható, programozható erősítőt használ a buck konverter visszacsatolási útvonalában mint állítható feszültségreferenciát. Az áramellátás mellett az eszköz időzítőket és hőmérséklet-érzékelőt is tartalmaz, amelyek segítenek nyomon követni a rendszer állapotát. Az eredmény egy intelligens, nagy hatékonyságú, a változó körülményekre visszajelzést adó PWM-alapú konverter.

Összegzés

Ahogy a méret, a költség és a nagyfokú integráltság iránti igény növekszik, úgy olvadnak össze az analóg áramkörök a digitális jelfeldolgozással, ami hatalmas mértékű innovációhoz vezet az ellátási láncban. Habár széles körű választékkal rendelkező beszállítók kínálnak megfelelő alkatrészeket, az alkalmazások és szállítók sokfélesége az ellátási láncban azt jelenti, hogy a megoldáshoz a legmegfelelőbb termék gyakran egy speciálisabb beszállítótól származik. A mérnököknek a legnagyobb, legismertebb analóg beszállítókon felül kell keresniük a megoldásokat a következő projektjükhöz. A design-in támogatással rendelkező tapasztalt forgalmazók, mint például a Farnell, elemezhetik az ügyfelek igényeit, és jó irányba terelhetik őket.

Szerző: Cliff Ortmeyer – a Farnell műszaki marketing globális vezetője

Farnell element14
Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413
Műszaki támogatás e-mailben: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hu.farnell.com
www.element14.com