Meygul analizi, karmaşık devreleri çözmek için elektrik mühendisliğinde temel bir yöntemdir ve bunları doğrusal denklemlere göre azaltır. mühendisler için her miliwatt ve her mikrovolt önemlidir. Doğrudan güç verimliliği, sinyal bütünlüğü ve genel güvenilirlik ile doğru devre analizi.

Bu makale, IoT ve gömülü sistemler gelişimi için geçerli olduğu gibi kapsamlı bir ağ analizi sunar. Teorik alt temelleri, pratik uygulama adımlarını, gerçek dünya tasarım örneklerini ve modern, kompakt devreleri ele alacağız.

Me Analizinin Temel İlkeleri

Anahtar analizi, ayrıca döngü analizi olarak da bilinir, Kirchhoff & #8217;s gerilim Yasası (KVL) Bu temel fikir, her bağımsız kapalı döngüye (mesh) bir planlı devrede mevcut değişken atamaktır.Her döngünün etrafındaki gerilimler ve toplam sıfıra kadar ayarlandığında, bilinmeyen akımlar için çözülebilen bir denklem sistemi elde edersiniz.

Anahtar Tanımları

  • [FONT:0)Mesh:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir döngü içinde başka bir döngü içermiyor.
  • [FONT:0]Planar Devre:[Dönetici:[Dönder: 1 ) Telleri geçmeden düz bir uçakta çizilebilecek bir devre.
  • [FONT:0)Supermesh:[Dönetici:[Dönetici:0) Mevcut bir kaynak iki ağ arasında mevcut olduğunda, bunları sınır etrafında KVL'yi uygulamak için bir süpermesh'a birleştirirsiniz.

Step-by-Step Process

  1. Planlı devredeki tüm örgüleri tanımlayın ve her birine bir saat ağ geçidi atamak (yönmesel ama tutarlı yardımcı olur).
  2. KVL'yi her bir ağa uygulayın, dirençleri azaltmak için direnicilere karşı düşüş gösterir:0) R × I) (Mevcut yönlere dayanan uygun işaret kongreleri ile).
  3. Mevcut bir kaynak mevcutsa, süpermesh tekniğini kullanarak ele alın: Mevcut kaynağı daha büyük bir döngünün parçası olarak içeren ağları tedavi edin ve iki ağ akımının farkının kaynağının mevcut olduğuna dair kısıtlamalar denklemlerini yazın.
  4. Anahtarlı lineer denklemleri (tipik olarak matrix yöntemlerini veya hesaplayıcıları kullanarak) ağ akımları için çözün.
  5. İstenen herhangi bir şube mevcutlarını veya düğüm gerilimlerini bulmak için ağ akımlarını kullanın.

Basit bir örnek: İki ağla bir direnç paylaşıyor bir devre düşünün. denklemler şöyle görünebilir:


).

Bu verimleri çözmek:0)I1[Dönetici:2) ve [[Dönetici:2)[Döneticileri herhangi bir düğümde devre dışı bırakmak, bu işlem ölçekleri lineer olarak, otomatik devre simülatörü ve el hesaplamaları için ideal hale getirmek.

IoT'de uygulama ve gömülü sistemler Devreleri

IoT ve gömülü sistemler devreleri nadiren basit seri parallel ağlardır. Genellikle mevcut kaynaklar olarak hareket eden sensörler, mevcut yükler akımları ile mikro kontroller ve pulsları çizen transceivers ile iletişim kurmak için yapılandırılmış bir yol sunar.

Sensör Devreleri

Birçok IoT sensörü (sıcak, nem, baskı, hareket) ya ölçülen miktar veya mevcut olan bir mikro kontrol parametresi ile değişir. Örneğin, bir gerilim bölmesi işlemi, sensörün çıkışı ile ilgili değişiklikleri en üstlenen değerlerden biri olarak modellenebilir.

Mikrokontroller Güç Dağıtımı

Mikrokontrolörler genellikle birden fazla güç domaini vardır: temel gerilim, I/O gerilim ve analog gerilim.Her alan ayrı bir LDO (düşük düzenleyici) veya DC-DC dönüştürücüyü seçebilir.Görüntü analizi modelleri, özellikle de MCU'nun uykudan uyandığı ve mikrokontrolleyicilere ani sağlar.Bu gerilim, direnç izlerinin altındaki bir düşüşe neden olur ve doğru genişlikleri ve kapasitör değerleri uygun bir şekilde sabit bir işlem için yardımcı olur.

Kablosuz İletişim Modülleri

Kablosuz modüller (Mavitooth Low Energy, Wi-Fi, LoRa, NB-IoT) patlamalarda iletilebilir.Transport sırasında, on yüzlerce miliampsiyonel değerleri ve regülatörün çalışma aralığındaki gerilimi tutmalarına neden olabilir. Güç dağıtım ağının analizi - çöp kutusu ile eşleme ağı üzerinde analiz, (muhtemelen maksimum yükleyici ve kontenjanlar için) en az şarj edici ve regülatörün kapatılması için.

Battery Yönetimi ve Şarj Devreleri

IoT cihazları genellikle bataryaya güçlendirici devreler ( lineer şarj cihazı veya anahtar şarj şarj cihazı) ve batarya koruma ICs form döngüsü, şarj yolu için analiz edilmesi gereken anlık yolu analiz eder - USB girişinden şarj cihazına kadar - şarj cihazının yüksek verimlilik üzerinden çalışır - geçiş hızlayıcıları ve anlamlı direnç, ısıtıcıları önlemek için kılavuz seçimine yardımcı olur.For taburcu için, yükleme yolu analiz etmek için sistem yükünü artırmak için sistem yüküne kadar yükleme işlemini analiz edin.

Design Optimizasyon Through Me Analizi

Temel devre işlevlerinde optimizasyon başlar. Mekz analizi, güç tüketimi, performans ve maliyet arasındaki ticaret-offları keşfetmek için güçlü bir araçtır.

Signal Integrity ve Crosstalk

Karma-signal gömülü sistemler (analog ve dijital aynı PCB üzerinde), izlerin arasındaki istenmeyen darbeler, hassas analog döngülerden okumalar veya iletişim hatalarına neden olabilir. Meşru analiz, model parasitik karşılıklı giriş ve hızlamaların ve kapasitelerin geri dönüş yollarını belirleyerek, aynı alanda analog bir sensör denkleminin zeminini en aza indirir. Örneğin, paylaşılan bir zemin düzleminin bir araya getirilmesi veya yeniden yüklenmesi ile ilgili bir zemin analizi ortaya çıkabilir.

Anlam ve Hoşgörü Analizi

Ağ analizi kullanarak, mühendisler hassas çalışmalar gerçekleştirebilir: 5 tane direnç toleransı, bir transistör yükselticinin veya RC filtrenin kesme frekansının ne kadarını etkiler?Geçmiş denklemlerde değişken olarak dirençli değerleri tedavi ederek, en kötü durum analizi, Monte Carlo simülasyonları olmadan özellikle değerli.

Layout-Driven Parasitic Ekstraksiyon

Devre yönetimleri küçüldüğü gibi, parasitik direnç ve izlerin indükleri önemli olabilir.Geçmiş izlerini içeren bir analiz (kullanıcı bakır ağırlığı ve izi uzunluğu) daha doğru bir gerilim düşüşü sağlar. Örneğin, LED'e kadar tedarik eden 100 mA'nın ihracatını sağlamak için, doğrudan ağ analizlerini içeren 50 mV'ye neden olabilir.

Meş Analiz ile Güç Verimliliğinin İncelenmesi

Power verimliliği belki de IoT cihazları için en kritik ölçümdür, birçoğu yıllardır bir para hücresi bataryasında çalışmalıdır. Meksin analizi doğrudan enerjinin boşandığı ortaya çıkan düşük güç tasarımını destekler.

Unnecessary Current Paths

Tipik bir IoT node, mikrokontroller, sensörler ve kablosuz modül genellikle ayrı lineer düzenleyiciler aracılığıyla güçlendirilir.Her bir düzenleyici cihazı derin uykuda olduğunda önemli olabilir. Güç ağacı analizi, hangi düzenleyicileri yalnızca aktif dönemlerde analiz edebilir.Mevcut döngüler ile kontrol edilebilir, mühendisler mevcut alt yapıları ultra sağdan uzak bir şekilde seçebilirler.

DC-DC Converter Verimliliği

Anahtarlama düzenleyicileri (buck, güçlendirme, buck-boost) lineer düzenleyicilerden daha verimlidir, ancak verimlilik mevcut dalgalanmalara bağlıdır, frekans geçişine ve mevcut yüklere sahip olan yükleme analizi (örneğin, MOSFETs, çıktı kapasitör) aynı zamanda mevcut olan emisyon azaltıcılarını hesaplamaya yardımcı olur.

Battery Life Estimation

Tam sistem mevcut tüketiminin zaman üzerindeki analizi doğru batarya yaşam tahminlerine yol açıyor. Mühendis, cihazın faaliyetinden alınan bir parça lineer bir model oluşturuyor: uyku akımı (her zaman döngülerden dolayı), sensör uyanma-up mevcut, işleme akımı ve iletim.Her mevcut, bu akımları şarj cihazından toplam şarj miktarı ile bütünleştirmek.Bu yöntem, özellikle de cihaz uyku modunda zaman% 99'dan fazla zaman harcıyor.

Meydanlar ve Pratik Bakışlar

Onun gücüne rağmen, ağ analizi karmaşık IoT devrelerine uygulanan kısıtlamalara sahiptir.

Non-Linear Bileşenleri

Diodes, transistörler ve dijital mantık kapıları doğrusal olmayan yöntemlerdir: SPICE gibi mevcut gerilim ilişkisi basit bir direnç değildir. Temel formda, lineer olmayan modeller (örneğin, ters yöndeki) bir gerilim kaynağı olarak temsil edilen bir diyotsal modeller (örneğin, Newton-Raphson).

Radyo Frekansı (RF) ve Yüksek Hızlı İşaretler

Kablosuz IoT devreleri 433 MHz'den 2.45 GHz'ye frekanslarda çalışır. Bu frekanslarda PCB izleri, anahtarlama ve düşük frekanslı kontrol döngüleri ile sabitlenir. Temel ağ analizi (kullanıcı varsayım) başarısız olur çünkü devrenin fiziksel boyutları dağıtılmıştır.

Karma-Signal Domains

Gömülü sistemler genellikle analog, dijital ve aynı zamanda güç bölümleri içerir. Dijital geçiş akımları çiftlerin analog döngülere dönüştüğü gürültüyü modelleyebilir. Anahtar analizi, mevcut kaynak (örneğin, IC pins'ta bulunan) analogları tahmin etmek için ağ analizi ile kullanılabilir.

Parasitic Ekstraksiyon

Parasitik direnişler, girişler ve ağ analizinde karşılıklı girişler dahil olmak için, bu değerler PCB düzeninden çıkarılmalıdır. Approximate formülleri iz direniş ve basit indüktörler için mevcuttur, ancak tam değerler alan çözücüleri gerektirir.In practice, tasarımcılar muhafazakar tahminleri kullanırlar veya net bir listeyi topak parasitik elementlerle ihraç edebilir.

Modern IoT Designs için Gelişmiş Düşünmeler

Meşru ve Nodal Analiz

Tek analiz yöntemi tüm devreler için en uygun değildir. Meşru analiz, birkaç düğüm ile mevcut-kaynak-rich devreler için en iyi çalışır; Nodal analizi, gerilim kaynakları için daha iyi değildir (örneğin, mühendisler, nodal analizleri (MNA), her iki ağ analizi de MNA için temel sağlar, ki bu da çoğu zaman SPICE simülatöründe kullanılan yöntem.

Multi-Layer PCB'lerde Metrik Analiz

Dört katmanlı veya altı katmanlı tahtalarda, sinyallerin geri dönüşü yalnızca zemin düzlemde değil, aynı zamanda bitişik uçaklarda (güç veya zemin) her katman, bir sinyal izi ile birlikte geçişli bir döngü oluşturur ve geri dönüş yolu ile anlık analizler ve kapasitans analizi, bu geri dönüş yolları doğrudan doğruya doğru doğru hızla çok fazla sayıda döngüyü kolayca kullanabilir. Gelişmiş sinyal bütünlüğü mühendisleri kısmi element eşdeğer devreleri kullanır.

Zaman-Domain ve Transient Analiz

DC veya AC sabit durumdaki bellek analizi, kapasitörler ve indüktörler için bir anlık sağlar, ilk sipariş ODE'lerin bir sistemine yol açan anlık analizler şunlardır: e.g., inrush current when a sensör modülü döndüğünde, aynı ağ denklemleri anlamalı ve alttaki formülasyonları anlamalı, doğrusal olmayan bir simülasyon sonuçları için - Doğruyu kullanarak, olası denklemleri çözmede yardımcı olur (bitki olarak, SPICE)

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Meşru analiz, çok-radio ağlarında sinyal bütünlüğünü sağlamak için yeniden kullanım değildir; döngü denklemlerini formüle etmek ve devre davranışını tahmin etmek için bir yaşam aracıdır. Simülasyon araçları otomatik olarak ağır kaldırmaya sahip olsa da, manuel ağ analizinden elde edilen bilgi birikimine sahip olur - özellikle de erken tasarım aşamalarında -özellikle de tesadüfsiz sistemlerde sinyal bütünlüğü sağlamak için.

Daha fazla okuma için, bu kaynakları ele alalım:

  • [FONT:0)Electronics mphs: Meşru Şimdiki Analiz).
  • [FONT:0)Mouser Electronics: Gömülü Sistemler Kılavuzu (vendor kaynağı, ancak pratik devre tasarım örnekleri içerir)
  • [FONT=0)IEEE: IoT Uygulamaları için Düşük Güç Devre Tasarımı[[Dönemli: 1)