¿Cómo transmitir alta corriente (2.6A) con bajo voltaje (1.2V) a larga distancia?

Quiero suministrar un DSP con 1.2V. Este DSP necesita 2,6 amperios de corriente a plena carga. El suministro mínimo basado en las especificaciones eléctricas de este DSP es de 1,16 V, lo que significa que la caída de voltaje máxima provocada por los planos de potencia, las trazas y los conectores no debe exceder los 40 mV.

En mi caso me costó mucho conseguirlo ya que la distancia entre la fuente de alimentación y el DSP es de unos 8000 Mil (~20 cm) y esta alimentación pasa por dos conectores que suman 100 mOhms, por lo que la caída es de 260 mV (100m x 2.6A) sin contar en planos la impedancia. Dibujé un esquema simple para mi caso que se muestra en la siguiente imagen:

Esquema simple para mostrar el problema.

Mis preguntas son:

  • ¿La distancia total es solo 20 cm? o debo agregar el regreso para que la distancia real sea de 40 cm? ( Mucho peor :( )

  • ¿Cómo puedo solucionar este problema? sabiendo que la distancia entre la fuente y el DSP no puede ser inferior a 20 cm. ¿Debo agregar otro regulador además del DSP? ¿O es mejor generar un voltaje un poco mayor para compensar esta caída? (Hay otros componentes que necesitan suministro de 1,2 V y están a diferentes distancias del DSP).

  • ¿Cómo puedo calcular la impedancia del plano, que se muestra en la imagen de arriba como R (Plano)?

# Edición 1:

Con respecto al punto 1, ok, la distancia total ahora es lamentablemente de 40 cm.

Pensé en una solución para reducir la resistencia de los conectores, que son el principal factor de alta resistencia. De acuerdo con la hoja de datos de los conectores, la resistencia del pin es de 25 mOhms, tengo pines libres adicionales, así que usaré 8 pines para transmitir los 1.2V, de modo que ahora se divide por 8, pero la pregunta ahora es, no No sé si esta resistencia es solo para el pin o es el total después del acoplamiento. y después del acoplamiento, ¿deberían tratarse como resistencias en serie o en paralelo?

Para el número uno, el GND del DSP se verá afectado por el voltaje en la línea de retorno, por lo que será mucho más alto. Eso en la práctica significa que necesitará tener un voltaje más alto en la entrada. Toda la situación simplemente me grita "regulador junto a DSP", pero si espera problemas de ruido cerca de DSP, será difícil conseguir un diseño de conmutador y uno lineal será difícil de encontrar.
En cuanto a la impedancia del plano, puede probar algo como esto si tiene la placa: obtenga una fuente de corriente constante, configúrela para que diga 1 A, conéctela en lugar de la fuente de alimentación, cortocircuite los pads Vcc y GND del DSP y mida la caída de voltaje entre la fuente y el pin Vcc y luego entre el pin GND y el otro extremo de la fuente. A partir de esto, debería ser fácil calcular la resistencia y la mayoría de los multímetros deberían ser mejores para medir voltajes bajos que para medir resistencias bajas. Puede hacer una fuente de corriente constante simple usando, por ejemplo, LM317.
Si no puede medir la resistencia, puede intentar calcular la resistencia de los planos encontrando una de las tablas de resistencia de cobre en Internet y luego calcular el volumen del cobre (o el área de superficie, según el tipo de tabla que use). obtener) en el plano y luego multiplicarlo por la resistencia específica del cobre
Andrejako, me parece una buena respuesta.
Muchas gracias @AndrejaKo, con respecto al punto 1, ok, la distancia total ahora es lamentablemente de 40 cm. Todavía no tengo la placa, pero pensé en una solución para reducir la resistencia de los conectores, que son el factor principal de la alta resistencia. De acuerdo con la hoja de datos de los conectores, la resistencia del pin es de 25 mOhms, tengo pines libres adicionales, así que usaré 8 pines para transmitir los 1.2V para que la resistencia ahora se divida entre 8, pero la pregunta ahora es, yo no sé si esta resistencia es solo para el pin o es el total después del acoplamiento? y después del acoplamiento, ¿deberían tratarse como resistencias en serie o en paralelo?
La resistencia de conexión es para clavija y enchufe acoplados. Si usa N de ellos, la resistencia se reduce en un factor de ACERCA DE N.

Respuestas (2)

En general, tratar de impulsar la potencia final regulada a cualquier distancia no es una buena idea. En tu caso claramente no funcionará. Sí, la ruta de retorno se suma a la resistencia total ya que está en serie con la carga. Es raro que tengas conectores en el positivo de alimentación pero no en tierra. Si se trata de una instalación fija, ¿por qué no soldar los cables de un extremo al otro?

Una mejor manera de lidiar con la necesidad de energía regulada distribuida, especialmente a bajo voltaje y altas corrientes como las que tiene, es distribuir un voltaje más alto regulado aproximadamente y hacer que el voltaje final esté estrictamente regulado localmente. Esto hace dos cosas útiles:

  1. La caída en la distribución del voltaje más alto no importará ya que se regulará de todos modos al voltaje final. Debe asegurarse de que el voltaje en el otro sea al menos el mínimo requerido para que ese regulador funcione correctamente, pero ese margen suele ser fácil de construir.

  2. En el caso de que los reguladores locales sean conmutadores, el voltaje más alto tendrá menos corriente, lo que significa que también habrá menos caída de voltaje a lo largo de la distancia, con menos energía desperdiciada y menos calor que deba manejarse.

Entonces, ¿de dónde viene su suministro de 1.2V? Probablemente tenga un voltaje más alto con un convertidor reductor en alguna parte. Envíe ese voltaje más alto a la distancia y coloque un regulador reductor justo en el DSP. Tenga en cuenta que esto relaja los requisitos del suministro de 1,2 V en la placa principal. Dos reguladores de dólar más pequeños seguirán siendo más caros que uno más grande, pero permitir que ambos sean más pequeños ayudará un poco. También distribuye el calor de cualquier pérdida, lo que generalmente hace que sea más fácil de manejar.

Añadido en respuesta a tu comentario:

Si realmente no puede colocar un regulador local junto a la carga, entonces lo mejor que puede hacer es tener una línea de detección que regrese. Esta línea informa que el voltaje real en el otro extremo regresa al regulador en la placa principal. Este voltaje se usa como retroalimentación para que el voltaje en el otro extremo sea el que se regula. Entonces, el voltaje en el regulador será automáticamente más alto según sea necesario para superar la caída de voltaje en el camino hacia la carga. La línea de detección no experimenta estas caídas de voltaje ya que fluye muy poca corriente a través de ella. Es solo una señal de retroalimentación de voltaje.

Si la conexión a tierra también puede tener una caída de voltaje significativa, entonces se vuelve más complicado. A veces usa dos líneas de detección y las trata de manera diferente en la fuente de alimentación. A veces se supone que las caídas de voltaje hacia adelante y hacia atrás serán aproximadamente iguales y agregarán un poco de ganancia en el circuito de detección. A veces, simplemente configura la salida del suministro un poco más alto para compensar la caída de voltaje total nominal y no intenta regularlo activamente en absoluto.

¡Muchas gracias Olin, me mostraste un error que cometí al dibujar los esquemas y, en consecuencia, un error en los cálculos! Debería agregar las mismas resistencias en la línea de alimentación a la ruta de retorno y volver a calcular. Estoy de acuerdo con usted en que es mucho mejor que los suministros regulados finales estén cerca de la carga, especialmente en estos voltajes bajos, pero las limitaciones mecánicas me obligaron a dividir en dos tableros y no hay espacio suficiente para colocar reguladores de potencia cerca del cargas :/
¡Vaya, eso es todo! Mi regulador tiene esta línea sensora, la usaré. ¿Hay alguna forma óptima de conectar este pin al DSP? debido a que el DSP tiene varios pines de 1.2V, ¿debería conectarlo al pin más lejano? Revisé la hoja de datos del regulador pero no había notas sobre la conexión a circuitos integrados complejos. ¡Muchas gracias!
@Abdella Debe conectar todos los pines de 1.2V juntos. Luego conecta la alimentación y las líneas de detección a ellos.
@BradGilbert El regulador de conmutación que estoy usando tiene +Sense y -Sense y recomiendan que el +Sense se conecte cerca de la carga y el -Sense se conecte a GND cerca de la fuente. El problema es que también hay un FPGA que necesita 1.2V, por lo que tanto el DSP como el FPGA están conectados a un plano de 1.2V. Y cada uno de ellos tiene decenas de pines de 1,2 V. ¡¿Es por eso que no puedo determinar cuál es la mejor conexión de esta señal de sentido?!
@Abdella: si todos estos pines están conectados a un plano, habrá poca diferencia de voltaje entre ellos. El punto principal es compensar la caída de voltaje a través de los conectores. Conectar la línea de detección en cualquier lugar del plano en la placa final (después de todos los conectores) debería ser suficiente. Realice la conexión en algún lugar cerca del medio de todos los pines, pero no se preocupe si eso es demasiado inconveniente. Los últimos mV no deberían importar siempre que se haya ocupado de los cientos de mV debido a los conectores.

La resistencia de conexión es para clavija y enchufe acoplados. Si usa N de ellos, la resistencia se reduce en un factor de ACERCA DE N.

Realmente quieres que el regulador esté cerca del DSP. Si tiene dos conectores y son la resistencia principal (como dice que es el caso), variarán en resistencia según las circunstancias, la edad, la temperatura y más y darán un resultado incierto.

Claramente, si los conectores agregan 100 miliohmios y tiene 2.6A, entonces obtiene una caída de 260 milivoltios. SI 40 mV es el voltaje máximo tolerable, entonces puede agregar un backplane de retorno infinito y aún superará las especificaciones en 260/40 ~= 6.5:1. Necesitaría al menos 6.5 pares de pines paralelos para reducir el voltaje de ese conector a un nivel permitido y luego tener que lidiar con el resto del circuito y la ruta de retorno. SI el valor de 50 miliohmios es de hecho un valor promedio típico, entonces tiene una situación casi intratable. Si hay un número igual de conectores a 50 miliohmios en la ruta de retorno, el problema simplemente se vuelve imposible.

["¡Nada es imposible!" si haces ciertos zapatos deportivos, pero aquí es simplemente imposible. ]

Si no puede llevar el regulador al DSP, una solución factible es utilizar la detección remota o "Kelvin". es decir, ejecute una línea de detección de voltaje desde el regulador hasta la carga que no lleve corriente y ajuste el voltaje de alimentación para que se adapte. Si bien esto es simple de hacer, obviamente desea que el circuito de detección NUNCA se abra (ya que el voltaje aumentará para intentar compensar) y tiene que lidiar con el ruido, etc. en el circuito de detección. No es difícil, pero... .

Gracias Russell, ¿cómo puedo saber a partir de la hoja de datos que la resistencia del pasador mencionada es para piezas acopladas? No puedo encontrarlo indicado claramente, ¿o es una forma conocida de mencionarlo en las hojas de datos?
@Abdella: la resistencia de contacto del conector solo tiene sentido cuando se considera como un par de conectores. es decir, en el contacto, a través de la interfaz hasta el otro contacto, en la otra PCB. Es el punto de transición real de placa a placa cuya resistencia se especifica. La resistencia del cuerpo del conector será baja en comparación con la resistencia entre contactos.
Sí Russell, tenías razón, me puse en contacto con el fabricante y respondieron como dijiste. Gracias de nuevo.
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