Minimizarea energiei utilizate în sistemele cu microcontroler alimentate la baterii

17 APRILIE 2008

Proiectanţii de produse portabile de astăzi impun cerinţe contradictorii bateriilor de alimentare. Conţinutul tot mai mare de caracteristici creşte cerinţele energetice, în timp ce utilizatorii finali solicită o durată de viaţă mai mare a bateriilor. Dar factorii de formă din ce în ce mai mici ai produselor şi constrângerile legate de preţ împiedică orice creştere a capacităţii bateriilor, astfel încât eficienţa este de importanţă capitală. Abordarea tradiţională de minimizare a consumului energetic era de a minimiza curentul; însă capacitatea energetică a unei baterii este produsul dintre tensiune, curent şi timp, şi toate cele 3 variabile trebuie abordate pentru obţinerea unei îmbunătăţiri semnificative a eficienţei energetice generale. Sistemele cu microcontroler alimentate la baterii pot beneficia de avantajele unui MCU proiectat să se adreseze fiecărei variabile utilizând caracteristici precum conversie de tensiune pe cip, dar suportând moduri de operare de joasă putere, tradiţionale.
Caracteristici ale bateriilor
Majoritatea produselor portabile de clasă medie şi joasă sunt alimentate de la baterii sau de la baterii reîncărcabile. După cum este arătat în figura 1, majoritatea acestor baterii au tensiuni individuale pe celulă între 1,2V şi 1,6V când sunt noi şi între 0,9V şi 1V la sfârşitul perioadei lor utile. Două astfel de celule în serie vor furniza o tensiune de alimentare între 3,2V şi 1,8V.
Caracteristicile de putere ale MCU în timpul operării active
MCU uzuale de joasă putere sunt proiectate să lucreze în domeniul de tensiune al pachetelor de baterii cu două celule. Tehnologia CMOS pe 0,35mm utilizată de majoritatea MCU pe 8- şi 16-biţi permite alimentarea directă până la 3,6V, dar performanţele scad la 1,8V. Logica digitală este mai înceată la tensiune mai joasă, şi switch-urile analogice au rezistenţe de stare “on” mai mari. Nivelele de performanţă vor urmări tensiunea bateriei, care este rareori corelată cu cerinţele aplicaţiei. De asemenea, logica digitală proiectată să opereze la tensiunea de baterie minimă va consuma mai mult curent la tensiuni mai mari.
Pentru o poartă logică CMOS, consumul energetic dinamic este dat de binecunoscuta relaţie P = C * V2 * f, unde C este condensatorul de sarcină, V este tensiunea de alimentare, iar f este frecvenţa de comutaţie. Termenul capacitate este în funcţie de proiect şi tehnologia de procesare, iar termenul de frecvenţă este o funcţie de cerinţele de procesare ale aplicaţiei. “Marea pârghie” pentru controlul consumului de putere este tensiunea de alimentare. Adăugarea unei conversii de tensiune pe cip, precum un stabilizator de tensiune LDO (low drop-out) integrat pe C8051F9xx, poate oferi economii energetice dinamice semnificative, furnizând o tensiune de alimentare stabilă de 1,8V pentru miezul digital al MCU (vezi figura 2).
Avantajele conversiei de tensiune
Pentru a ilustra avantajele utilizării unui stabilizator LDO, este de ajutor rescrierea relaţiei energetice dinamice a CMOS:

P = C * V2 * f = V * (C * V * f) = V * I, unde curentul dinamic I = C * V * f

Este obişnuită normalizarea curentului dinamic la o frecvenţă de 1MHz şi o tensiune de alimentare particulară; de exemplu, un MCU uzual de joasă putere are un consum de curent dinamic de 220mA pe MHz la 1,8V. Fără stabilizarea sursei, acest consum va creşte la (220) * (3,2/1,8) = 391mA pe MHz când tensiunea de alimentare este 3,2V. Cu un LDO, curentul bateriei va rămâne fixat la 220mA pe MHz pe întreaga gamă a tensiunii de alimentare. Prin migrarea la o tehnologie mai avansată CMOS pe 0,18mm, logica digitală ar trebui să fie mult mai rapidă şi ar trebui să consume cu 20 până la 30% mai puţin curent. El poate opera cu uşurinţă la tensiuni mai mici de 1,8V, dar tehnologiile cu memorie flash disponibile necesită cel puţin 1,8V, ca şi multe periferice analogice ce solicită tensiuni de 1,8V sau mai mari.
Figura 1 arată că nici una dintre configuraţiile cu una sau două celule nu generează tensiuni între 1,6V şi 1,8V. Prin alegerea unei tensiuni de alimentare pentru miezul MCU în această fereastră, tensiunea poate fi furnizată de un LDO în modul cu două celule şi cu ajutorul unui convertor ridicător de tensiune dc-dc bazat pe inductor în modul cu o celulă. Pentru o configuraţie dată, cu baterie, conversia de tensiune va fi întotdeauna fie mai sus, fie mai jos pe întreaga durată de viaţă a bateriei, evitând tranziţiile dinamice de la un mod la altul. Un convertor integrat dc-dc ridicător de tensiune, precum cel integrat pe C8051F9xx, măreşte complexitatea, dar oferă avantaje considerabile din punct de vedere al costului şi dimensiunilor sistemului permiţând operare cu o singură celulă.
În timp ce s-a arătat că LDO oferă economii energetice semnificative în operarea cu două celule, un convertor dc-dc ridicător de tensiune asigură o eficienţă energetică chiar mai ridicată decât LDO. Chiar fiind egale, un design cu 1,8mm şi o celulă, utilizând un convertor dc-dc ridicător de tensiune cu randament de 80% va consuma aproape jumătate din energia unui design obişnuit de 0,35mm, cu două celule, fără un LDO.

Cerinţele modului “Sleep”
O eficienţă energetică maximă (şi durată de viaţă a bateriei) poate fi obţinută prin asigurarea că funcţionarea MCU este optimizată în modurile de activare şi active astfel încât dispozitivele să petreacă majoritatea timpului în modul de adormire (“sleep”) de foarte joasă putere. În unele aplicaţii, curentul modului “sleep”este parametrul cel mai important în ceea ce priveşte consumul general energetic.
Minimizarea curentului modului “sleep” necesită ca LDO şi convertorul dc-dc să fie închise, tăind alimentarea miezului digital. Ele trebuie să pornească foarte rapid pentru activarea MCU. Modulele care rămân funcţionale în modul “sleep” (precum circuitele de management energetic şi RTC) trebuie să opereze de la o sursă de tensiune nestabilizată în gama 0,9 – 3,2V. Tăierea tensiunii miezului digital previne de asemenea pierderile de curent în stare de oprire, contribuind astfel la reducerea curentului în modul “sleep”. MCU trebuie să păstreze pe durata acestui mod conţinutul RAM şi starea tuturor registrelor, astfel încât reluarea programelor să se poată face exact de unde rămăseseră. Sunt de asemenea necesare şi câteva forme de monitorizare ale tensiunii de alimentare (sau “detectarea căderii tensiunii”) pentru a asigura că starea nu este deteriorată dacă tensiunea de alimentare scade sub o tensiune minimă de conservare.
În fine, MCU trebuie să fie capabil să iasă din modul “sleep” fie în urma unui eveniment declanşator extern, fie datorită unui temporizator intern, preferabil unul care oferă ambele opţiuni: cristal de cuarţ şi oscilator RC. Pentru asigurarea celei mai mari durate de viaţă pentru baterii, curentul tipic la nivel de cip în modul “sleep” (inclusiv detectorul de cădere de tensiune şi oscilatorul cu cristal de cuarţ de 32,768 KHz) trebuie să fie mai mic de 1mA. De exemplu, C8051F9xx are un curent ultra-mic de mod “sleep” tipic 50nA, inclusiv detectorul de cădere de tensiune, şi o activare rapidă de la acest mod (tipic 2ms în modul cu două celule, tipic <10ms în modul cu o celulă). Minimizarea timpului petrecut în modul activ
În timpul tranziţiei între modurile “sleep” şi activ, MCU se află într-o stare de curent mai mare, dar care nu aduce nici o acţiune utilă. Un timp de activare mai scurt economiseşte energie şi furnizează un răspuns rapid la evenimentele de declanşare sensibile la durata de timp, precum activarea prin activitatea portului serial. Trebuie evitată utilizarea unui oscilator cu cuarţ cu pornire lentă pentru ceasul sistemelor de mare viteză; o alternativă mai bună este un oscilator precis, cu pornire rapidă integrat pe cip. Comportamentul de pornire al modulelor analogice poate avea de asemenea un impact major asupra duratei de timp petrecute în modul activ – stabilizatoarele de tensiune sau referinţele ce utilizează declanşatoare externe pot necesita milisecunde pentru activare. Când este activ, miezul digital trebuie să opereze la frecvenţa maximă de ceas, în acest fel se amortizează efectiv orice consum de curent static pe mai multe cicluri de ceas oferind un consum mai mic “mA pe MHz”. Acesta este mai util dacă el include toate sursele de curent static, precum sistemele de monitorizare a tensiunii de alimentare şi a ceasului, circuite de referinţă, LDO, şi oscilatorul sistemului.

Avantajele soluţiei integrate
Utilizând un MCU uzual cu stabilizator LDO extern sau convertor dc-dc ridicător de tensiune nu se pot atinge performanţele unei soluţii complet integrate. Dispozitivul integrat va fi semnificativ mai mic şi mai ieftin. Convertoarele de tensiune integrate vor avea tipic o eficienţă mai ridicată, deoarece ele pot fi potrivite cerinţelor miezului MCU.
În final, un convertor extern de tensiune nu poate fi închis în modul “sleep”, deoarece MCU şi-ar pierde atunci tensiunea de alimentare. Unele convertoare externe dc-dc ridicătoare de tensiune au moduri de aşteptare (“standby”) care pot alimenta un MCU dezactivat, dar curentul necesar modului de aşteptare este tipic de zeci de microamperi, măsuraţi la baterie.
www.silabs.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre