دور مصدر التغذية في تصميم الانظمة المدمجة ال
دور مصدر التغذية في تصميم الانظمة المدمجة
The role of power supply within the Embedded Systems
يعتبر مصدر التغذية (power supply ( من الدوائر المهمة جدا في الأنظمة المدمجة حيث أنه المسئول عن إمداد دوائر النظام بالتغذية اللازمة ويطلق عليه كثير من المصممين أم النظام (the mother of the system ) وذلك لأنه بدون تصميم مصدر تغذية مناسب ومقاوم للظروف البيئية المحيطة بأي نظام مثل عدم التأثر بالتداخلات الكهرومغناطيسية (EMI ) أو تداخل الترددات الراديوية (RFI ) ومقاومته لإرتفاع درجات الحراة فلن يستطيع النظام تأدية المهام الرئيسية والتي صمم النظام من أجلها . كثير من المهندسين لا يهتم بتصميم مصدر التغذية power supply أثناء عمل التصميم الرئيسي لأي منتج وذلك لسببين
السبب الأول : يهتم معظم المهندسين أو المصممين بالدوائر الأكثر إثارة في النظام (مثل دوائر التحكم في الأحمال أو الدوائر المحيطة بالمايكروكنترولر ) ويتناسوا دائرة مصدر التغذية مع انها تعتبر من أهم دوائر النظام أو المنتج .
السبب الثاني : يعتمد كثير من المصممين على مصدر تغذية جاهز(test benches ) أثناء التصميم وذلك يجعلهلم يؤجلون تصميم مصدر التغذية وعند الانتهاء من تصميم جميع الدوائر الفرعية في النظام يكتشفون مشكلة تصميم دائرة التغذية .
لذلك قبل البدء في تصميم ال power supply هناك عدة أسئلة من وجهات نظر مختلفة يجب على المصمم تحديد إجابتها وذللك لضمان تصميم power supply مطابق للمواصفات
1- من وجهة نظر التسويق (market department )
ü ما هو نوع مصدر التغذية التى سيعتمد عليها النظام (هل سيعتمد على جهد متناوب AC أو سيعتمد على جهد مستمر DC ).
ü ما هي درجة الأمان المطلوب تحقيقها في مصدر التغذية لكي يقاوم تأثير الموجات الكهرومغناطيسية والموجات الراديوية لأن ذلك لن يؤثر فقط على التصميم الكهربي Electrical design لمصدر التغذية بل سيؤثر أيضا على التصميم المادي لمصدر التغذية من حيث التصميم أو ما يعرف ب physical design .
ü هل power supply قابل للصيانة وما هي فلسفة الصيانة لأن ذلك سيحدد التصميم المادي لمصدر التغذية the physical design for the power system .
ü تحديد نوع البيئة التي سيعمل بها النظام من حيث
· مدى درجات الحرارة المحيطة temperature range
· مستوى الموجات الراديوية المحيطة the ambient RF level
· مقاومة الصدمات والاهتزازات vibration and shocks
2- من وجهة نظر المصممين (designers department )
ü ما هي نوع التكنولوجيا المستخدمة في تصميم مصدر التغذية .
ü قبل تصميم مصدر التغذية يجب تحديد القيم التالية
· ما هي أقصى قيمة لتيار الحمل max. current of the load
· ما هي أقل قيمة لتيار الحمل min. Current of the load
· ما هي أقصي قيمة إنحراف في جهد التغذية والتى تسمح للدائرة أن تعمل عندها وتؤدي الوظائف المطلوبة منها بمعنى أخر ما هي قيمة voltage variation لأن ذلك سيحدد منهجية تصميم مصدر التغذية كما سيحدد أيضا نوع التغذية العكسية feedback المسئولة عن عملية التعويض في قيم الخرج لكي يتناسب مع ما يتطلبه الحمل .
· هل سيحتوي النظام على اي من الدوائر التي تتأثر بالضوضاء مثل التحويل من الإشارات التماثلية إلى إشارات رقمية أو العكس (analog to digital converter or digital to analog converter ) لأن ذلك سيتطلب إضافة عناصر تنقية للإشارة في الدائرة الكلية لمصدر التغذية
Need to add filtering circuits in case of noise sensitive circuits
· ما هي مساحة وشكل مصدر التغذية ضمن تصميم النظام كاملا لأن ذلك سيحدد الشكل النهائي للمنتج .
· هل يوجد متطلبات خاصة يجب على مصدر التغذية تحقيقها بمعنى أخر هل يحتوي النظام على بعض من الدوائر التي تحتاج إلى power down interrupts أو power down remote control .
الإجابة على كل الأسئلة السابقة تجعل المصصم يحدد الخصائص الفعلية المطلوبة لمصدر التغذية مما يؤدي إلى تصميم مصدر تغذية مطابق للمواصفات .
إختيار نوع التكنولوجيا الملائمة لتصميم مصدر لاتغذية the selected technology to design the power supply
قبل اختيار نوع التكنولوجيا التى ستستخدم في تصميم مصدر التغذية يجب الأخذ في الإعتبار العوامل التالية
ü تكلفة التصميم المتاحة (حيث أن المكونات المستخدمة في تصميم كل نوع ستؤثر على التكلفة الكلية للمنتج )
ü وزن مصدر التغذية والمسافة المتاحة بين مكوناته (لأن ذلك سيحدد الوزن الكلي للمنتج النهائي )
ü كمية الحرارة الناتجة عن عمل مصدر التغذية لأن بعض المكونات تتأثر بالحرارة الداخلية للمنتج أو ما يطلق عليه internal heating
ü نسبة تفاوت الضجيج الناتج عن الأحمال noise tolerance of the loads
ü نوع مصدر الدخل لدائرة التغذية the type of the input power source هل هو جهد متناوب أو جهد مستمر
ü عمر البطارية المطلوب إذا كان المنتج من المنتجات المتنقلة portable devices
ü عدد جهود الخرج المطلوبة (هل المطلوب من مصدر التغذية جهد خرج واحد أو أكتر )
ü الوقت المتاح للتصميم قبل طرح المنتج النهائي للسوق .
ور مصدر التغذية في تصميم الانظمة المدمجة - الجزء الثاني


يوجد ثلاث انواع رئيسية من التكنولوجيات المستخدمة في تصميم مصادر التغذية وهي كما يلي :

[I][B]
1- مصادر التغذية المبنية على مكثفات خفض الجهد capacitive power supply

في هذه التكنولوجيا يتم استخدم مكثف لتخفيض جهد الدخل ومن ثم تخفيض تيار المصدر معتمدا في ذلك على المفاعلة السعوية للمكثف أو ما يطلق عليه capacitor reactance (X) والتى تساوي مقلوب المقاومة السعوية capacitor impedance(Z) وبعد تخفيض جهد الدخل يتم تحويل الجهد من جهد متناوب إلى جهد مستمر عن طريق استخدام دائرة موحد الموجة diode rectification ومن ثم استخدام مكثف تنعيم smoothing capacitor وzener diode ذات جهد أكبر من جهد الخرج للحصول على جهد الخرج المطلوب.
مميزات هذا النوع
· يتم استخدام هذا النوع إذا كان تيار الخرج المطلوب لا يتعدى 150 مللي أمبير كما أن جهد الخرج يكون في حدود 24 فولت أو أقل .
· عملية التصميم سهلة وبسيطة وتستغرق وقت اقل .
· تكلفة التصميم قليلة .
من عيوب هذا النوع
· أنه لا يوجد عزل كهربي لمصدر الدخل للدائرة (mains AC )
· جهد الخرج وتيار الخرج يعتمدان بشكل أساسي على جهد الدخل وبالتالي في حالة انخفاض قيم الدخل ستنخفض قيم الخرج مما قد يؤدى إلى تلف كامل للنظام .
example for capacitive power supply
2- تكنولوجيا منظم الجهد الخطي liner regulator

· يعد من أكثر الأنواع استخداما في المعدات الأرضية أو ما يطلق عليها based ground equipment’s وخصوصا إذا كانت درجات الحرارة والكفائة القليلة ليست مثار قلق كبير كما أن تكلفته قليلة ويحتاج وقت قليل في عملية التصميم .
· عادة ما يتم استخدامه في حالات ما إذا كن جهد الخرج لا يتعدى 40 VDC .
· دائما جهد الخرج يكون أقل من جهد الدخل
· يمكن الحصول على جهد خرج واحد فقط لكل منظم جهد Only one output voltage for each linerregulator
· متوسط كفائة هذا النوع تتراوح ما بين 35 إلى 50 بالمائة .
· قيمة الفقد ناتجة على شكل درجة حرارة .
بالمقارنة بالنوع الأول تجد تشابه كبير جدا بالنوعين الإختلاف الوحيد تقريبا يكون في إستخدام دائرة متكاملة في هذا النوع والتي يطلق عليها voltage regulator integrated circuits ومن أشهر النواع المستخدمة عائلةLM78XX و LM79XX حيث أن الخانتين XX تحدد قيمة جهد الخرج والرقم 78 يرمز لجهد خرج موجب والرقم 79 يرمز لجهد خرج سالب .

example for liner power supply (ref.circuit diagram)
3- تكنولوجيا تصميم مصدر التغذية عن طريق تضمين عرض النبضة أو ما يطلق عليه pulse widthmodulation switching mode power supply

· يعتبر أكثر كفاءة ومرونة من النوعيين السابقين ويستخدم بكثرة في الاجهزة النقالة portable products وكثير من التطبيقات مثل automotive products , aircrafts ,small instrumentation .
· أحد أكبر مميزاته هي إمكانية الحصول على أكثر من جهد خرج بكفاءة عالية ولذلك يتم إستخدامه في التطبيقات التى تحتاج إلى كفائة عالية في مصدر التغذية .
· حجمه أصغر من liner regulator لأنه يحتاج إلى تبريد أقل less heat sink for the sameoutput rating
· لكنه تصميمه أكثر تعقيدا وأكثر كلفة ويحتاج إلى وقت أكبر .
12v 5 amp transformerless battery charger circuit
في الشكل التالي يبين مقارنة بين النوعين كل من liner regulator و PWM Switching power supply