الملك في تصميم الساعات الذكية: حماية سلامة الطاقة وأداء الإشارة

أ. خلفية المشروع: التحديات في أنظمة الطاقة في الساعات الذكية

الساعات الذكية، كأجهزة قابلة للارتداء عالية التكامل، يجب أن توفر وظائف معقدة - مثل اتصال البلوتوث، وشاشات اللمس، ومراقبة معدل ضربات القلب، وتتبع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) - ضمن حجم صغير للغاية. ومن بين التحديات الهندسية الأكثر إلحاحًا الحفاظ على استقرار الطاقة وسلامة إشارات التردد اللاسلكي عبر الأنظمة الفرعية.

ب. الدور متعدد الوظائف للمكثفات الخزنية متعددة الطبقات (MLCCs) في الساعات الذكية

تُعد المكثفات الخزنية متعددة الطبقات (MLCCs) مكونات متعددة الاستخدامات على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) الخاصة بالساعات الذكية:

• بصفتها مرشحات للخطوط الكهربائية، فإنها تُثبط الضوضاء وتقلبات الجهد المؤقتة؛
• ضمن وحدات الإشارات الراديوية (RF)، فإنها تضمن مطابقة الممانعة من أجل نقل إشارات نظيفة؛
• عند مراحل الخرج في وحدة إدارة الطاقة (PMIC)، فإنها توفر عزلًا كهربائيًا لتقليل التجاوزات والتشويش المتبادل.

بفضل تصميمها المدمج وموثوقيتها العالية، تعد المكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCCs) أكثر المكونات السلبية استخدامًا في الساعات الذكية. وقد تحتوي الساعة الذكية الواحدة على أكثر من 250 مكثفًا خزفيًا متعدد الطبقات، وغالبًا ما تكون بقياسات 0402، أو 0201، أو حتى قياسات أصغر مثل 01005.

III. تحليل حالة: استخدام المكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCCs) لبناء معمارية طاقة مستقرة

في مشروع تحسين معمارية الطاقة لعلامة شهيرة من الساعات الذكية في أوروبا، كان التصميم الأولي يعاني من ارتفاعات مفاجئة في الضوضاء عند خرج محول الطاقة (DC-DC)، مما تسبب في عدم استقرار متقطع في الاتصال عبر تقنية BLE. وقد اعتمد الفريق الهندسي الاستراتيجية التالية لتحسين المكثفات الخزعية متعددة الطبقات:

• تم إضافة شبكة تصفية مكونة من ثلاثة مكثفات (1μF، 100nF، 10nF) باستخدام مكثفات MLCCs من نوع X5R لتغطية نطاق ترددي واسع.
• تم إدخال مكثف خزفي متعدد الطبقات بسعة 1μF مع عازل من نوع C0G في مسار الطاقة الخاص بـ BLE لتحسين الاستجابة ذات التردد العالي.
• تم إعادة تصميم تخطيط الدائرة المطبوعة (PCB) لوضع المكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCCs) أقرب إلى دوائر إدارة الطاقة (PMIC) وأطراف تغذية BLE، مما قلل من الحث الزندي.

قللت هذه العملية من معدل الخطأ في الاتصال BLE من 8% إلى أقل من 0.5%، كما ساهمت في تثبيت استهلاك الطاقة أثناء وضع الاستعداد بشكل ملحوظ.

IV. تعزيز سلامة الإشارة: المكثفات الخزنية متعددة الطبقات (MLCCs) في وحدات الترددات الراديوية (RF Modules)

في مسارات RF بتردد 2.4GHz، يكون اختيار المكثفات الخزنية متعددة الطبقات (MLCCs) أمرًا بالغ الأهمية. يمكن أن تؤدي أنواع العوازل أو قيم السعة غير المناسبة إلى تشويه الإشارة، أو ارتفاع نسبة VSWR، أو عدم تطابق المعاوقة.

نجح الالتزام بهذه القواعد في التصميم:

• استخدام مكثفات MLCC من نوع C0G للترددات الأعلى من 1GHz لضمان الثبات الحراري;
• تطبيق محاكاة المعاملات-S (S-parameter simulation) لضبط قيم التطابق بدقة (مثلاً: 0.8pF، 1.2pF);
• اختيار حزم لا تزيد عن حجم 0402 لتقليل التأثيرات الشاذة;

V. الاتجاهات المستقبلية: المكثفات الخزنية متعددة الطبقات (MLCCs) ذات الحجم المصغّر للغاية والمضمنة

مع تقلص تصميمات الساعات الذكية لتكون أقل من 10 مم في السمك، فإن موردي المكثفات الخزنية متعددة الطبقات (MLCCs) يحققون تقدمًا في عدة اتجاهات:

• مكثفات MLCC عالية السعة في حزم 01005 وحتى 008004
• الملتقطات الكهربائية متعددة الطبقات المُرتبة لتقديم سعة كبيرة في المساحات الضيقة
• تقنية الملتقطات الكهربائية متعددة الطبقات المُدمجة، والرامية إلى إدماج المكثفات في وحدات أو حزم رقائق

ستُحسّن هذه الابتكارات بشكل كبير مرونة التصميم والتكامل النظامي في الأجهزة القابلة للارتداء من الجيل التالي.

MLCC | إدارة الطاقة في الأجهزة القابلة للارتداء | المكثفات الخزفية ذات التردد العالي