De curând a fost realizat un studiu în industria semiconductoarelor privind produsele de consum mic de putere “low power consuming”. Aceste produse sunt utilie atât consumatorului individual cât şi întregii societăţi. Articolul de faţă se referă la acest aspect. Câteva exemple de produse care reclamă un consum redus de putere sunt prezentate în figura 1. În fiecare din aceste produse, un microcontroler este utilizat pentru a furniza “inteligenţa”. În produsele portabile, microcontrolerul este, tipic, componenta care consumă cea mai multă putere astfel că problema principală a studiului a fost reducerea consumului de putere al microcontrolerelor.

Consumul redus de energie este bun din două motive foarte importante. Pentru produsele portabile, “low power” este echivalent cu extinderea duratei de viaţă a bateriei. Acesta este cu adevărat un important atribut atât pentru consumatori cât şi pentru producătorii angrenaţi în fabricarea acestor tipuri de produse. Pentru produsele care nu sunt alimentate de la baterii, “low power” este de asemenea o componentă importantă deoarece rezultă o micşorare a consumului de putere în urma reducerii costurilor de operare şi a emisiilor perturbatoare în mediu.
Folosind ca exemplu Statele Unite ale Americii, cărbunele este cea mai mare sursă de energie folosită pentru generarea energiei electrice; 3.8 trilioane kilowaţi (52% din energia electrică produsă în USA) a fost produsă în anul 2000 de către centralele electrice alimentate cu cărbuni. Prin dezvoltarea produselor care consumă mai puţină putere, rezultă o primă concluzie importantă: reducerea poluării mediului generată de centralele electrice alimentate cu cărbuni. Alte surse importante de generare a energiei electrice sunt centralele nucleare (livrează 20% din totalul de energie) şi gazele naturale (16%). Aceste moduri de producere a energiei electrice - centralele electrice - nu sunt agreate de consumatori. Figura 2 ilustrează felul în care a fost consumată în anul 2000 energia electrică şi, de asemenea, preţurile medii ale acesteia pe tipuri de consumatori.
Din figura 2, ne putem da seama unde se consumă cea mai mare parte din energia electrică şi cât plăteşte consumatorul pentru ea. Fiecare categorie de consumator are un impuls de a folosi cât mai puţină energie electrică. Consumatorii casnici vor să reducă facturile de plată la energia electrică. Consumatorii comerciali (precum birourile societăţilor comerciale) de asemenea vor să-şi micşoreze costurile, dar în acelaşi timp sunt obligaţi să utilizeze sisteme de back-up pentru păstrarea în siguranţă a datelor. Nivelul bugetului consumului de putere pentru o instituţie poate fi redus prin folosirea unor mici generatoare pentru back-up sau folosirea unor alte surse primare de energie. Consumatorii industriali acordă şi ei o atenţie deosebită reducerii consumului de energie electrică. Categoria “other” - altele - include consumurile infrastructurii precum iluminarea străzilor, autostrăzilor, alimentarea cu energie electrică a căilor ferate etc.
Chiar şi industria automobilelor priveşte cu interes reducerea consumurilor de energie electrică. Automobilele moderne includ numeroase sisteme de control electronice ce sunt conectate la sistemele electrice ale vehiculelor (alimentate de la baterii de 12V). Un exemplu privind importanţa reducerii consumului de putere în automobile este sistemul airbag. În eventualitatea unei coliziuni, este posibil ca reţeaua electrică să se deconecteze de la baterie. Dacă se întâmplă acest lucru, sistemul de control airbag are la dispoziţie doar câteva milisecunde să determine dacă a avut loc un accident şi să pornească cel mai apropiat sistem airbag utilizând numai puterea reziduală. Din acest motiv, proiectanţii sistemelor electronice de control ale automobilelor trebuie să fie foarte atenţi în alegerea componentelor cu consum mic de putere.
Am stabilit astfel că oricine din societate are nevoie de produse care consumă foarte puţină energie electrică. Înseamnă economii de bani, este mai benefic pentru mediu şi este mult mai convenabil. Furnizorii de produse alimentate de la baterii au înţeles că este mult mai avantajos pentru consumatori dacă durata de viaţă bateriilor se măreşte. Produsele alimentate de la baterii sunt alcătuite dintr-o mulţime de componente electronice consumatoare de energie precum cele ilustrate în figura 3.
Produsele tipice alimentate de la baterii includ sistemele de comunicaţie precum circuitele de radio-frecvenţă, un microprocesor sau un microcontroler (un microcontroler este, pe scurt, un microprocesor cu câteva funcţii on-chip în plus), capabilităţi privind stocarea datelor precum chipurile de memorie şi o interfaţă cu utilizatorul. Utilizatorii de produse alimentate de la baterii urmăresc respectarea câtorva cerinţe precum performanţa, economia, portabilitatea, confortul şi disponibilitatea. De exemplu, cele mai populare telefoane celulare sunt ieftine, necesită reîncărcarea la intervale mari de timp, sunt mici şi ergonomice oferind în acelaşi timp excelente performanţe de operare dispunând de un semnal foarte bun.
Cerinţele consumatorilor impun fabricanţilor de componente semiconductoare să furnizeze produse capabile să ofere aceste funcţionalităţi. O componentă ideală “low power” trebuie să consume foarte puţină energie când se află în starea “standby”, dar trebuie să fie capabilă să comute rapid în starea de funcţionare şi să ajungă la vârful de performanţă aproape instantaneu. Un bun exemplu este noul microcontroler HCS08. Acest produs a fost proiectat special pentru a extinde durata de viaţă a bateriei şi să furnizeze în acelaşi timp foarte multă performanţă atunci când aplicaţia o cere.
Figura 4 prezintă un grafic ce conţine modurile de operare ale unui ipotetic produs alimentat de la baterii şi realizat cu microcontrolerul HCS08. Consumul de putere este reprezentat pe axa Y, iar timpul pe axa X. Produsul în cauză, oprit fiind, este în starea standby. Acest mod poate fi utilizat la telecomenzi. Pentru optimizarea duratei de viaţă a bateriei este preferabilă menţinerea în acest mod/stare Stop 1 cât mai mult timp posibil deoarece în acest mod se consumă cel mai puţin curent.
Diagrama prezintă apoi o tranziţie de la modul Stop 1 la modul Run. Această schimbare în modul de operare se întâmplă când microcontrolerului i se cere “să se trezească” pentru a controla mediul extern. De exemplu, când un mouse fără fir al unui PC este mutat într-o altă poziţie, mişcarea se recunoaşte imediat, apărând tranziţia de la modul Stop la modul Run, practic tranziţia apărând la generarea unor stimuli externi.
Următoarea tranziţie pe diagramă arată că microcontrolerul intră în modul Stop 2 cu timerul AWT (Auto Wake-up Timer) activat. Acesta este un mod de operare folosit astfel încât un produs se poate (auto)trezi fără cererea venită din partea unor stimuli externi. De exemplu, un detector de fum se auto-trezeşte pentru a citi condiţiile (starea) senzorilor. Dacă microcontrolerul “consideră” că nu este necesară vreo acţiune, “va adormi din nou” consumând astfel foarte puţină putere. Diagrama arată că microcontrolerul se va trezi din modul Stop în modul Run la intervale de timp regulate pentru a executa aceste tipuri de verificări.
Vârful care se vede în mijlocul graficului reprezintă o tranziţie de la modul “low power” Stop la modul Run cu maximum de performanţă. Deşi este bine în general să se consume cât mai puţină energie electrică, uneori este nevoie să se proceseze foarte rapid o mulţime de date pentru a determina ce se întâmplă şi să ia decizia potrivită. HCS08 poate trece foarte rapid de la modul Stop la procesarea datelor la o viteză de 20Mhz. Ideea este de a se permite procesarea datelor la un nivel de foarte mare performanţă - viteza de operare de 20Mhz este semnificativă pentru a ne asigura că orice dată poate fi procesată extrem de rapid, iar trecerea din nou la modul “low power” să se efectueze la fel de repede. Aceasta va optimiza consumurile generale de putere şi va conduce către creşterea duratei de viaţă a bateriei.


Fotografia matriţei microcontrolerului HCS08 este prezentată în figura 5. Pe lângă furnizarea unui număr de moduri de operare pentru realizarea unui consum mic de energie şi înaltă performanţă, acest microcontroler a fost proiectat să minimizeze componentele externe precum circuitele de ceas. Această reducere a numărului de componente asigură minimizarea consumurilor generale de putere.

În final, merită să amintim că cerinţele pentru produse de consum mic de putere vor creşte de-alungul timpului. Fabricanţii de produse alimentate de la baterii au observat cum consumatorii cer mai multe caracterisitici: ecrane mai mari şi culori mai bune, echipamente mai mici şi portabile, putere de procesare mărită şi mai multă interconectivitate fără fir. Aceste cerinţe înseamnă că pentru aceeaşi mărime a bateriei şi durate de exploatare, consumatorii doresc mai multe caracteristici care consumă putere. Asta înseamnă că în viitor, componentele electronice vor trebui să ofere mai multă performanţă, iar în acelaşi timp să consume cât mai puţină putere.

de Ross Bannatyne, Motorola S P S
rbannatyne@austin.rr.com