Considérations de puissance dans les systèmes embarqués avancés

Par Alix Paultre, GlobTek (www.globtek.com)

La migration des sous-systèmes intelligents dans les produits à tous les niveaux de fonctionnement représente une véritable fusion de l'électronique et de la mécanique, représentant la prochaine et peut-être le point culminant de la révolution industrielle. Cependant, l'intégration sensorielle, de mobilité et logique dans toutes les parties d'un système apporte aussi de nouveaux défis (ou anciens sous une nouvelle forme) dans la gestion de l'énergie. L'intégration sensorielle, logique, de mouvement et d'expression dans les objets qui nous entourent promet d'élever notre industrie vers le haut et de nous donner plus de possibilités d'ajouter de la valeur à nos produits. Bien que l'augmentation de la fonctionnalité de l'utilisateur aide tout le monde, du concepteur et du fabricant à l'utilisateur et à la société elle-même, elle incite également le concepteur à s'assurer que l'infrastructure d'alimentation des systèmes concernés fonctionne correctement.

Pressions internes

Dans le domaine de la gestion de l'énergie, ces contraintes créent souvent des exigences contradictoires, comme lorsque le désir de miniaturisation se heurte à des exigences d'intégration des appareils telles que de grandes batteries pour des durées de fonctionnement plus longues ou une technologie de diffusion de la chaleur/protection pour assurer une température confortable de manipulation. De telles pressions créent des problèmes de conformité pour l'ingénieur de conception. Cependant, dans la plupart des cas, les solutions élaborées pour résoudre ces problèmes font ressortir des produits plus récents et de meilleure qualité provenant de tous les secteurs du marché. De meilleures batteries, des logiciels et des dispositifs de gestion de l'alimentation et des topologies de conception améliorées permettent de résoudre de nombreux problèmes, mais il en reste encore beaucoup.

Problèmes liés au système Il existe de nombreux problèmes d'espace système et d'architecture dans chaque produit moderne. Les antennes, les connecteurs, les écrans et autres systèmes d'E/S et d'interface nécessitent non seulement de l'espace dans et sur l'appareil, mais ils ont également des besoins d'infrastructure système qui peuvent entrer en conflit avec les exigences principales de conception. La plupart de ces sous-systèmes entrainent également des problèmes d'alimentation : les écrans doivent être rétroéclairés, les connecteurs doivent être blindés et raccordés à la terre, et certaines antennes nécessitent une alimentation (et parfois de la logique) pour fonctionner correctement. D'autres considérations système incluent des périphériques potentiels. Dans le cas des appareils grand public, par exemple, on ne peut pas prédire ce que le client va brancher sur un port, ou même s'il utilisera correctement les ports donnés. Beaucoup d'entre vous ont probablement déjà expérimenté de brancher un produit USB qui dépasse la capacité de l'appareil auquel il est raccordé à l'alimenter. Pour ajouter l'insulte à la blessure, nous avons tous vu des « hacks » d'appareils grand public qui peuvent rendre l'appareil plus « cool » en termes de style ou de fonctionnalité (à ne pas confondre avec les « hacks ») mais rendre le produit dangereux. Dans les systèmes industriels, médicaux et militaires, des situations similaires peuvent potentiellement se produire (en particulier avec les systèmes militaires déployés sur le terrain, lorsque les soldats improvisent), mais ce problème peut être atténué par la conception de boîtiers et/ou de connecteurs. La nature inconnue des périphériques impose au concepteur d'être à la fois un clairvoyant et un ingénieur. Dans le domaine de l'énergie, ce problème est exacerbé par le fait que chaque interface courante mélange interface signal/alimentation était pilotée par les besoins du signal, avec un faible intérêt accordé aux besoins de puissance. Dans certains cas, comme Ethernet alimenté, la norme de connecteur n'a pas été conçue pour gérer l'alimentation, et dans d'autres, comme l'USB 3, les exigences d'alimentation mises à niveau ont créé des problèmes pour les connecteurs hérités et les normes construites autour d'eux. Les nombreuses puissances dans l'USB offrent un potentiel de confusion à l'utilisateur, car plusieurs niveaux de puissance sont autorisés dans les appareils compatibles USB. De plus, depuis la spécification de charge de la batterie USB de 2007, la catégorie de port « charge » a été créée, permettant des courants d'alimentation supérieurs à 0,5 A sans négociation numérique. Un produit peut identifier s'il accède à un port aval de chargement (CDP), qui prend également en charge les transferts, et un port de chargement dédié (DCP) sans données de la manière dont les broches D+ et D- sont connectées.

Aujourd'hui, beaucoup considèrent le port USB comme une norme de puissance de périphérique portable, au point qu'on peut acheter une prise d'alimentation USB multi-port aussi facilement qu'une prise secteur standard. Ce problème existe également avec d'autres systèmes orientés câble de signal. L'alimentation par câble Ethernet est une extension de la spécification de câble standard bien au-delà de la spécification qu'avaient à l'origine prévu les concepteurs, et même aujourd'hui pour utiliser l'alimentation dans les systèmes Ethernet, on doit généralement utiliser un dispositif d'injection de puissance quelconque. Une vraie solution consisterait à créer un standard de bus de données orienté alimentation, utilisant SMBus ou un autre standard inter-périphérique généralement reconnu pour la gestion du système mais avec la capacité d'alimentation pour alimenter les capteurs, actionneurs, transducteurs et sous-systèmes de chauffage ou d'éclairage sans submerger les câbles et les interconnexions.

Problèmes externes Tous les produits fabriqués ont été forcés à fonctionner dans des environnements pour lesquels ils n'étaient pas conçus, mais une conception appropriée peut garantir une tolérance environnementale aussi large que possible. Chaque produit de consommation devrait être tolérant aux conditions internes de température et d'humidité dans les véhicules, par exemple. La plupart des appareils créés pour un usage personnel ne sont pas seulement utilisés dans la voiture, ils finissent souvent par migrer dans la voiture en tant qu'électronique interne ou de rechange, ou en tant qu'appareils laissés dans la boîte à gants. Les problèmes thermiques influent négativement sur les performances du dispositif en déclassant le fonctionnement des systèmes d'alimentation impliqués et en augmentant la température des systèmes logiques. Dans le pire des cas, une sous-estimation de l'impact de l'environnement ambiant pourrait entraîner une défaillance catastrophique du système de batterie concerné. D'autres problèmes d'ambiance de véhicules comprennent le transport par mer ou par air. Les problèmes de la mer sont des défis bien connus, impliquant principalement la résistance à l'humidité et la protection galvanique. Les chocs et les vibrations sont souvent des problèmes négligés, qui ont un impact sur les systèmes d'alimentation dans le domaine de l'intégrité des connecteurs d'alimentation et des cartes. La chaleur est un autre problème négligé, car le micro-environnement d'un navire peut varier considérablement en fonction de l'emplacement et de la nature des charges thermiques (lumière du soleil, chaleur du moteur). Dans le transport aérien, il y a un autre problème peu connu (généralement, un peu oublié) dans la gestion thermique. Selon le type d'aéronef et l'emplacement de l'appareil, la pression d'air peut varier considérablement. Tout comme il y a une différence majeure dans le niveau d'oxygène de vos poumons, que vous soyez dans un avion pressurisé à 8 000 ou 12 000 pieds, il y a aussi une grande différence dans la quantité d'air soufflé sur votre radiateur. Un système basé sur la convection qui fonctionne dans des tolérances satisfaisantes au niveau de la mer peut ne pas refroidir suffisamment un appareil en altitude (surtout s'il est proche d'une charge thermique comme les moteurs, d'autres appareils électroniques ou la lumière du soleil). Les systèmes de refroidissement, en particulier dans les opérations critiques ou les produits d'enregistrement de données, doivent toujours tenir compte des environnements potentiels auxquels on pourrait raisonnablement s'attendre. Il y a beaucoup d'autres problèmes quand il s'agit d'alimenter des systèmes embarqués avancés, mais avec une bonne infrastructure de bus de puissance et une attention aux environnements d'exploitation ambiants, on peut mieux résoudre ces autres problèmes et créer un meilleur produit. Si vous avez besoin d'aide pour vos problèmes d'alimentation, n'hésitez pas à me contacter ici à GlobTek (paultrea@globtek.com) et je serai heureux de vous aider.

By Alix Paultre, GlobTek (www.globtek.com) The migration of smart subsystems into products at every level of operation represents a true fusion of the electronic and mechanical, representing the next, and possibly the culmination of, the industrial revolution. However, the integration of sense, motion, and logic into all portions of a system also brings with it new (or old in new clothing) challenges in power management. The integration of senses, logic, motion, and expression into the objects around us promises to leverage our industry upward and give us increased opportunity to add value to our products. Although the increase user functionality helps everyone from the designer and manufacturer to the user and society itself, it also challenges the designer to ensure the power infrastructure of the systems involved can perform as demanded.

Internal pressures

The forces driving technical development sometimes pull in the same direction (whether that direction is the right one is another discussion entirely). In the arena of embedded systems, the forces driving the market are multifold. The need for small size and light weight in personal devices may dovetail neatly with the advances in circuit complexity and integration, but they also challenge the designer to create an elegant system architecture that serves and supports the subsystems involved. Additional demands for materials savings and size and weight reductions from industry complete the picture, as electronic subsystems are smaller, more efficient, and integrate more functionality into a single package than ever before.

In the area of power management, these forces often create contradictory system demands, as when the desire for miniaturization runs up against device-embiggening demands such as for large batteries to enable longer operational times or heat-diffusing/shielding technology to ensure a comfortable product handling temperature. Such pressures create procrustean-fit issues for the design engineer. In most cases, however, the solutions generated to address these issues bring out newer and better products from every sector of the marketplace. Better batteries, power management software and devices, and improved design topologies address many of the issues, but still many remain.

System concerns

There are many system space and architecture issues in every modern product. Antennas, connectors, displays, and other I/O and interface systems not only require real estate in and on the device, they also have system infrastructure needs that may conflict with the primary design requirements. Most of these subsystems also bring power issues to the table - displays need backlights, connectors need shielding and grounding, and some antennas need power (and sometimes logic) to operate properly. Other system considerations include potential peripherals. In the case of consumer devices, for example, one cannot predict what the customer is going to plug into a port, or even if they will properly use the ports given. Many of you have probably personally experienced plugging in a USB product that overwhelms the parent device's ability to power it. To add insult to injury, we've all seen "hacks" of consumer devices that may make the device "cooler" in style or functionality (not to be confused with "cooling" hacks) but render the product unsafe. In industrial, medical, and mil/aero systems similar situations can potentially occur (especially with field-deployed military systems, as soldiers are wont to improvise) but that issue can be mitigated by case and/or connector design. The unknown nature of peripherals places a burden on the designer to be a clairvoyant as well as an engineer. In the area of power, this problem is exacerbated by the fact that every common mixed signal/power interface was driven by the signal needs, with a nod towards power needs. In some cases, like powered Ethernet, the connector standard wasn't designed to handle power in the first place, and in others, like USB 3, the upgraded power requirements have created headaches for legacy connectors and standards built around them. The many flavors of power in USB offer a potential for many degrees of confusion to the user, as there are multiple power levels allowed in USB-compatible devices. In addition, since the USB Battery Charging Specification of 2007 the category of "charging" port was created, allowing supply currents above 0.5 A without digital negotiation. A product can identify whether it is accessing a charging downstream ports (CDP), which also supports transfers, and a dedicated charging port (DCP) without data from the way the D+ and D- pins are connected.

Today many view the USB port as a portable device power standard, to the point one can buy a multi-port USB power jack as easily as a standard AC socket.

This problem also exists with other signal-cable-oriented systems. Powered Ethernet is an expansion of the standard cable specification far beyond what the designers originally intended for the spec, and even today to use power in Ethernet systems one must usually use a power injector device of some kind. A real solution would be to create a general power-oriented databus standard, one that uses SMBus or other generally-recognized inter-device standard for system management but with the power handing capability to power sensors, actuators, transducers, and heating or lighting subsystems without overwhelming the cables and interconnects.

External issues

Every product ever made was forced to operate in environments it was not designed for, but proper design can ensure as wide an environmental tolerance as possible. Every consumer product should be tolerant of internal temperature and moisture conditions within vehicles, for example. Most devices created for personal use not only get used in the car, they often wind up migrating into the car as internal or aftermarket electronics or as a left-behind device in the glove box. Thermal issues directly impact device performance negatively by derating the operation of the power systems involved and raising the temperature of the logic systems. In the worst cases, underestimating the impact of the ambient environment could result in catastrophic failure of the battery system involved. Other ambient vehicle issues include transport by sea or air. The issues of the sea are well-known challenges, mostly involving moisture resistance and galvanic protection. Shock and vibration are often overlooked issues, which impact power systems in the area of power connector and board-trace integrity. Heat is another overlooked issue, as the micro-environment on a ship can vary significantly depending on the location and nature of the heat loads (sunlight, engine heat) involved. In air travel there is another little-known (more likely, little-remembered) issue in thermal management. Depending on the type of aircraft and where the device is, the air pressure can vary significantly. Just as there is a major difference to the oxygen level in your lungs whether you are in an aircraft pressurized to 8,000 or 12,000 feet, there is also a major difference in the amount of physical air there is to blow across your heatsink. A convection-based system that works within satisfactory tolerances at sea level may not sufficiently cool a device at altitude (especially if it is near a heat load like engines, other electronics, or sunlight). Cooling systems, especially in critical operation or datalogging products, should always take into account potential environments that could be reasonably expected to encounter. There are many other issues when it comes to powering advanced embedded systems, but with a good power bus infrastructure and attention to ambient operating environments, one can better address those other problems and create a better product. If you need help with your power issues, feel free to contact me here at GlobTek (paultrea@globtek.com) and I will be happy to assist you.