De curand a fost realizat un studiu in industria semiconductoarelor privind produsele de consum mic de putere "low power consuming". Aceste produse sunt utilie atat consumatorului individual cat si intregii societati. Articolul de fata se refera la acest aspect. Cateva exemple de produse care reclama un consum redus de putere sunt prezentate in figura 1. In fiecare din aceste produse, un microcontroler este utilizat pentru a furniza "inteligenta". In produsele portabile, microcontrolerul este, tipic, componenta care consuma cea mai multa putere astfel ca problema principala a studiului a fost reducerea consumului de putere al microcontrolerelor.
Consumul redus de energie este bun din doua motive foarte importante. Pentru produsele portabile, "low power" este echivalent cu extinderea duratei de viata a bateriei. Acesta este cu adevarat un important atribut atat pentru consumatori cat si pentru producatorii angrenati in fabricarea acestor tipuri de produse. Pentru produsele care nu sunt alimentate de la baterii, "low power" este de asemenea o componenta importanta deoarece rezulta o micsorare a consumului de putere in urma reducerii costurilor de operare si a emisiilor perturbatoare in mediu.
Folosind ca exemplu Statele Unite ale Americii, carbunele este cea mai mare sursa de energie folosita pentru generarea energiei electrice; 3.8 trilioane kilowati (52% din energia electrica produsa in USA) a fost produsa in anul 2000 de catre centralele electrice alimentate cu carbuni. Prin dezvoltarea produselor care consuma mai putina putere, rezulta o prima concluzie importanta: reducerea poluarii mediului generata de centralele electrice alimentate cu carbuni. Alte surse importante de generare a energiei electrice sunt centralele nucleare (livreaza 20% din totalul de energie) si gazele naturale (16%). Aceste moduri de producere a energiei electrice - centralele electrice - nu sunt agreate de consumatori. Figura 2 ilustreaza felul in care a fost consumata in anul 2000 energia electrica si, de asemenea, preturile medii ale acesteia pe tipuri de consumatori.
Din figura 2, ne putem da seama unde se consuma cea mai mare parte din energia electrica si cat plateste consumatorul pentru ea. Fiecare categorie de consumator are un impuls de a folosi cat mai putina energie electrica. Consumatorii casnici vor sa reduca facturile de plata la energia electrica. Consumatorii comerciali (precum birourile societatilor comerciale) de asemenea vor sa-si micsoreze costurile, dar in acelasi timp sunt obligati sa utilizeze sisteme de back-up pentru pastrarea in siguranta a datelor. Nivelul bugetului consumului de putere pentru o institutie poate fi redus prin folosirea unor mici generatoare pentru back-up sau folosirea unor alte surse primare de energie. Consumatorii industriali acorda si ei o atentie deosebita reducerii consumului de energie electrica. Categoria "other" - altele - include consumurile infrastructurii precum iluminarea strazilor, autostrazilor, alimentarea cu energie electrica a cailor ferate etc.
Chiar si industria automobilelor priveste cu interes reducerea consumurilor de energie electrica. 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 importanta reducerii consumului de putere in automobile este sistemul airbag. In eventualitatea unei coliziuni, este posibil ca reteaua electrica sa se deconecteze de la baterie. Daca se intampla acest lucru, sistemul de control airbag are la dispozitie doar cateva milisecunde sa determine daca a avut loc un accident si sa porneasca cel mai apropiat sistem airbag utilizand numai puterea reziduala. Din acest motiv, proiectantii sistemelor electronice de control ale automobilelor trebuie sa fie foarte atenti in alegerea componentelor cu consum mic de putere.
Am stabilit astfel ca oricine din societate are nevoie de produse care consuma foarte putina energie electrica. Inseamna economii de bani, este mai benefic pentru mediu si este mult mai convenabil. Furnizorii de produse alimentate de la baterii au inteles ca este mult mai avantajos pentru consumatori daca durata de viata bateriilor se mareste. Produsele alimentate de la baterii sunt alcatuite dintr-o multime de componente electronice consumatoare de energie precum cele ilustrate in figura 3.
Produsele tipice alimentate de la baterii includ sistemele de comunicatie precum circuitele de radio-frecventa, un microprocesor sau un microcontroler (un microcontroler este, pe scurt, un microprocesor cu cateva functii on-chip in plus), capabilitati privind stocarea datelor precum chipurile de memorie si o interfata cu utilizatorul. Utilizatorii de produse alimentate de la baterii urmaresc respectarea catorva cerinte precum performanta, economia, portabilitatea, confortul si disponibilitatea. De exemplu, cele mai populare telefoane celulare sunt ieftine, necesita reincarcarea la intervale mari de timp, sunt mici si ergonomice oferind in acelasi timp excelente performante de operare dispunand de un semnal foarte bun.
Cerintele consumatorilor impun fabricantilor de componente semiconductoare sa furnizeze produse capabile sa ofere aceste functionalitati. O componenta ideala "low power" trebuie sa consume foarte putina energie cand se afla in starea "standby", dar trebuie sa fie capabila sa comute rapid in starea de functionare si sa ajunga la varful de performanta aproape instantaneu. Un bun exemplu este noul microcontroler HCS08. Acest produs a fost proiectat special pentru a extinde durata de viata a bateriei si sa furnizeze in acelasi timp foarte multa performanta atunci cand aplicatia o cere.
Figura 4 prezinta un grafic ce contine modurile de operare ale unui ipotetic produs alimentat de la baterii si realizat cu microcontrolerul HCS08. Consumul de putere este reprezentat pe axa Y, iar timpul pe axa X. Produsul in cauza, oprit fiind, este in starea standby. Acest mod poate fi utilizat la telecomenzi. Pentru optimizarea duratei de viata a bateriei este preferabila mentinerea in acest mod/stare Stop 1 cat mai mult timp posibil deoarece in acest mod se consuma cel mai putin curent.
Diagrama prezinta apoi o tranzitie de la modul Stop 1 la modul Run. Aceasta schimbare in modul de operare se intampla cand microcontrolerului i se cere "sa se trezeasca" pentru a controla mediul extern. De exemplu, cand un mouse fara fir al unui PC este mutat intr-o alta pozitie, miscarea se recunoaste imediat, aparand tranzitia de la modul Stop la modul Run, practic tranzitia aparand la generarea unor stimuli externi.
Urmatoarea tranzitie pe diagrama arata ca microcontrolerul intra in modul Stop 2 cu timerul AWT (Auto Wake-up Timer) activat. Acesta este un mod de operare folosit astfel incat un produs se poate (auto)trezi fara cererea venita din partea unor stimuli externi. De exemplu, un detector de fum se auto-trezeste pentru a citi conditiile (starea) senzorilor. Daca microcontrolerul "considera" ca nu este necesara vreo actiune, "va adormi din nou" consumand astfel foarte putina putere. Diagrama arata ca microcontrolerul se va trezi din modul Stop in modul Run la intervale de timp regulate pentru a executa aceste tipuri de verificari.
Varful care se vede in mijlocul graficului reprezinta o tranzitie de la modul "low power" Stop la modul Run cu maximum de performanta. Desi este bine in general sa se consume cat mai putina energie electrica, uneori este nevoie sa se proceseze foarte rapid o multime de date pentru a determina ce se intampla si sa ia decizia potrivita. HCS08 poate trece foarte rapid de la modul Stop la procesarea datelor la o viteza de 20Mhz. Ideea este de a se permite procesarea datelor la un nivel de foarte mare performanta - viteza de operare de 20Mhz este semnificativa pentru a ne asigura ca orice data poate fi procesata extrem de rapid, iar trecerea din nou la modul "low power" sa se efectueze la fel de repede. Aceasta va optimiza consumurile generale de putere si va conduce catre cresterea duratei de viata a bateriei.
Fotografia matritei microcontrolerului HCS08 este prezentata in figura 5. Pe langa furnizarea unui numar de moduri de operare pentru realizarea unui consum mic de energie si inalta performanta, acest microcontroler a fost proiectat sa minimizeze componentele externe precum circuitele de ceas. Aceasta reducere a numarului de componente asigura minimizarea consumurilor generale de putere.
In final, merita sa amintim ca cerintele pentru produse de consum mic de putere vor creste de-alungul timpului. Fabricantii de produse alimentate de la baterii au observat cum consumatorii cer mai multe caracterisitici: ecrane mai mari si culori mai bune, echipamente mai mici si portabile, putere de procesare marita si mai multa interconectivitate fara fir. Aceste cerinte inseamna ca pentru aceeasi marime a bateriei si durate de exploatare, consumatorii doresc mai multe caracteristici care consuma putere. Asta inseamna ca in viitor, componentele electronice vor trebui sa ofere mai multa performanta, iar in acelasi timp sa consume cat mai putina putere.
rbannatyne@austin.rr.com