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Considerações sobre Potência em Sistemas Embarcados Avançados

Alix Paultre, GlobTek

A migração de subsistemas inteligentes para dentro de produtos em todos os niveis operacionais representa uma verdadeira fusão do eletrônico com o mecânico, representando o próximo, e talvez o cume, da Revolução Industrial. No entanto, a integração de sensores, mobilidade, e lógica em todas as partes do sistema também traz consigo novos desafios – ou antigos desafios de roupa nova – no gerenciamento de potência.

A integração de sentidos, lógica, movimento e expressão nos objetos a à nossa volta promete potencializar nossa indústria e nos dar maiores oportunidades de acrescentar valor aos nossos produtos. Embora o aumento na funcionalidade ajude a todos, do projetista ao fabricante, do usuário à sociedade, também desafia o projetista a garantir que a infra-estrutura de energia dos sistemas envolvidos exibam o desempenho deles exigido.

Pressões Internas

As forças movendo o desenvolvimento técnico às vezes se movem na mesma direção (É outra conversa discernir se essa direção é correta). Na área de sistemas embarcados, as forças movendo o mercado são várias. A demanda por pequenos volumes e pesos leves em dispositivos pessoais pode encaixar perfeitamente com os avanços na complexidade e integração de circuitos, mas também desafiam o projetista a criar uma arquitetura de sistema elegante que sirva e apóie os subsistemas envolvidos. Outras exigências da indústria por economia de materiais e redução de tamanho e peso completam o cenário, onde subsistemas eletrônicos são menores, mais eficientes, e integram mais funções do que antes em um único pacote.

Na área de gerenciamento de potência, essas forças frequentemente criam exigências contraditórias, como quando o desejo por miniaturização se depara com demandas “aumentadoras” do equipamento como a necessidade de baterias grandes para permitir tempos de operação mais longos, ou tecnologia de dissipação / proteção contra calor para assegurar uma temperatura de manuseio confortável do produto. Essas pressões criam problemas de difícil compromisso para o engenheiro de projeto. Na maioria dos casos, porém, as soluções criadas para resolver esses problemas fazem uso de novos e melhores produtos de cada setor do mercado. Melhores baterias, software e dispositivos de gerenciamento de energia, e topologias de projeto melhoradas atendem muitos dos problemas, mas ainda outros permanecem.

Considerações Sistêmicas

Existem muitas questões de espaço do sistema e arquitetura em todo produto moderno. Antenas, conectores, displays, e outros sistemas de I/O e interface não somente precisam de espaço dentro e sobre o dispositivo; eles também tem necessidades de infraestrutura que podem entrar em conflito com os requisitos primários do projeto. Muitos destes subsistemas também trazem questões de alimentação à tona – displays precisam de backlights, conectores precisam de blindagem e aterramento, e algumas antenas precisam de energia (E às vezes lógica) para operar corretamente.

Outras considerações sobre o sistema incluem periféricos potenciais. No caso de dispositivos para o mercado consumidor, por exemplo, não é possível prever o que o consumidor vai ligar em um conector, ou mesmo se eles vão usar as portas disponíveis corretamente. Muitos de vocês já tiveram a experiência de ligar um produto USB que sobrecarrega a capacidade do dispositivo para alimentá-lo. Ainda por cima, nós todos já vimos “gambiarras” de dispositivos de usuário final que tornam o dispositivo mais “legais” em estilo ou funcionalidade mas comprometem sua segurança. Em sistemas industriais, médicos, ou militares / aeroespaciais, situações parecidas podem potencialmente ocorrer (Especialmente com sistemas militares implementados no campo, já que soldados tendem ao improviso), mas esse problema pode ser minimizado com o projeto adequado do gabinete e/ou conectores.

A natureza desconhecida dos periféricos coloca uma exigência sobre o projetista de ser um oráculo além de um engenheiro. Na área de potência, esse problema é exacerbado pelo fato de que toda interface mista de sinais / potência foi guiada pelas necessidades do sinal, com uma preocupação quase simbólica com as necessidades de potência. Em alguns casos, como alimentação por Ethernet, o padrão de conector não foi projetado para alimentação no primeiro lugar, e em outros, como USB3, as exigências atualizadas de potência criaram problemas para os conectores antigos e os padrões que os usam.

As muitas versões de alimentação por USB oferecem o potencial para muitos graus de confusão do usuário, já que existem múltiplos níveis de potência permitidos em dispositivos compatíveis com USB. Além disso, desde a Especificação de Carga de Bateria por USB de 2007, a categoria de porta “de carga” foi criada, permitindo correntes de saída acima de 0.5 A sem negociação digital. Um produto pode identificar se está acessando uma porta de carga downstream (CDP), que também suporta transferências, ou uma porta de carga dedicada (DCP), sem dados do modo como os pinos D+ e D- estão conectados.

Legenda: Hoje muitos vêem a porta USB como um padrão de potência para dispositivos móveis, ao ponto de poderem comprar tomadas de alimentação USB multiportas tão facilmente como uma tomada AC padrão.

Esse problema também existe em outros sistemas orientados para cabo de sinais. Alimentação por Ethernet é uma expansão da especificação de cabo padrão, muito além do que os projetistas originalmente pensaram com a especificação, e mesmo hoje para usar alimentação por sistemas USB, deve-se normalmente usar um dispositivo de injeção de potência de algum tipo. Uma solução real seria criar um padrão geral de data bus orientado para potência, um que usa SMBus ou outro padrão geralmente reconhecido de gerenciamento de sistema inter-dispositivos, mas com as capacidades de manipulação de potência para alimentar sensores, atuadores, transdutores, e subsistemas de aquecimento ou iluminação sem sobrecarregar os cabos e conexões.

Questões Externas

Todo produto já criado foi forçado a operar em um ambiente para o qual não foi projetado, mas um projeto adequado pode assegurar a mais ampla gama de tolerâncias ambientais possíveis. Todo dispositivo para o consumidor deve tolerar as condições de temperatura e humidade dentro de veículos, por exemplo. A maioria dos dispositivos criados para uso pessoal não somente são usados dentro do carro como frequentemente acabam migrando para dentro do carro como uma eletrônica interna ou aftermarket, ou ainda como um dispositivo deixado para trás no porta-luvas. Questões térmicas afetam diretamente o desempenho do aparelho negativamente, reduzindo a capacidade operacional dos sistemas de potência envolvidos e aumentando a temperatura dos sistemas lógicos. Nos piores casos, subestimar o impacto do ambiente pode ocasionar uma falha catastrófica do sistema de baterias.

Outros problemas ambientais com veículos envolvem o transporte por mar ou ar. Os problemas do mar são desafios já conhecidos, a maioria sobre resistência a humidade e proteção galvânica. Vibrações e choques são problemas frequentemente ignorados, que afetam sistemas de alimentação na área de conectores de potência e integridade das trilhas da placa. O calor é outro problema ignorado, já que o microambiente em um navio pode variar bastante dependendo do lugar e a natureza das cargas de calor (Luz do sol, calor dos motores) envolvidas.

Em viagens aéreas existe outro problema pouco conhecido (Ou mais provavelmente, pouco lembrado) com gerenciamento térmico. Dependendo do tipo de aeronave e de onde o dispositivo está, a pressão atmosférica pode variar bastante. Assim como existe uma grande diferença no teor de oxigênio nos pulmões quando você está num avião pressurizado para 2.500 ou 3.600 metro, existe também uma grande diferença na quantidade física de ar que existe para soprar pelo seu dissipador. Um sistema baseado em convecção que funciona razoavelmente no nível do mar pode não resfriar o aparelho suficientemente em altitude – especialmente se estiver próximo a uma carga térmica como motores, outros eletrônicos, ou luz solar. Sistemas de resfriamento, especialmente em operações críticas ou produtos de registro de dados, devem sempre levar em conta os possíveis ambientes que se espera encontrar.

Existem muitas outras questões na alimentação de sistemas embarcados avançados, mas com uma boa infraestrutura de barramento de alimentação, e atenção ao ambiente de operação, pode-se endereçar esses outros problemas e criar um produto melhor. Se você precisa de ajuda com questões de alimentação, fique à vontade de para me contatar aqui na GlobTek (paultrea@globtek.com) e ficarei feliz em assisti-lo.


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