Abordarea aplicaţiilor limitate de energie

18 SEPTEMBRIE 2009

Una dintre beneficiile inerente ale tehnologiei CMOS este faptul că aceasta consumă energie numai în stare de încărcare, care îi oferă propriul statut “low power” faţă de alte forme de tehnologii semiconductoare. Rezultă, prin urmare, că pe măsură ce frecvenţele de ceas cresc, creşte şi puterea activă a circuitelor digitale integrate, şi cu cât acestea rămân mai mult inactive, cu atât mai mic este consumul energetic.
Deşi acest lucru este adevărat în teorie, realitatea este că fiecare tranzistor dintr-un circuit digital integrat contribuie cu cantităţi mici de pierderi de curent: energia care se pierde când poarta nu este activă şi tranzistoarele ar trebui să fie ori complet pornite sau complet oprite. Cum fiecare poartă logică dintr-un circuit CMOS necesită cel puţin două tranzistoare, care operează complementar unul faţă de celălalt (de aici şi numele) şi numărul de porţi creşte exponenţial, este uşor să se observe cum consumul static de energie a devenit mai important cu fiecare generaţie.
Industria a întâlnit pierderi de curent încă de la începuturi, dar raportat la puterea activă acestea au rămas până acum mai mult un inconvenient decât o constrângere de proiectare. Astăzi, cu o presiune mai mare pe producători pentru a consuma mai puţină energie, dar şi o creştere a cererii consumatorilor pentru performanţe mai mari, industria nu mai poate să-şi permită să ignore pierderile de curent.
Pentru o anumită clasă de dispozitive problema puterii statice este şi mai crucială. Orientarea industriei către dispozitive portabile şi alimentate de baterii este în continuă creştere, iar consumul energetic este acum fundamental în multe aplicaţii, ceea ce impune restricţii serioase. Acest lucru este cel mai bine evidenţiat de dispozitivele cu consum energetic limitat; o nouă clasă de aplicaţii care este tipic alimentată de baterii şi deseori proiectată să dureze numai cât o singură încărcare.
Acest lucru poate include dispozitive sigilate cum sunt monitoarele pentru substanţe chimice periculoase sau gaze, incluziv alarme de fum sau detectoare de monoxid de carbon.
Acestea mai pot include echipamente de diagnosticare utilizate în casă de către pacienţi cu boli care necesită monitorizarea atentă, regulată şi precisă. Tot mai mult, acestea includ de asemenea dispozitive care sunt sigilate pentru motive de securitate – precum brelocuri pentru maşină sau chei de maşină pentru închidere centrală la distanţă, sisteme de deschidere a uşilor sau dispozitive de localizare a bunurilor de valoare. În aceste aplicaţii nu există un buton on/off şi alimentarea poate fi disponibilă numai în forma unei singure încărcări, totuşi dispozitivul trebuie să opereze pentru mii de ore – poate chiar zeci de ani – pentru a răspunde cerinţelor de proiectare.
În mod normal, pentru a realiza ani de serviciu pe o singură baterie, dispozitivele petrec marea majoritate a timpului lor în modul de aşteptare. Spre deosebire de aplicaţiile care sunt proiectate să fie oprite când nu sunt utilizate, aceste aplicaţii cer o pornire imediată, deseori de la un stimul extern sau activitate programată, fără a pierde date vitale.
Problema este semnificativă din punct de vedere al proiectării pentru orice inginer, devenind şi mai dificilă datorită constrângerilor energetice de consum în timpul modului de aşteptare. Orice circuit electronic se poate apropia de ani de utilizare de la o singură încărcare numai prin reducerea consumului energetic în modul de aşteptare.
Majoritatea microcontrolerelor (MCU) de uz general – deşi proiectate pentru consum redus când funcţionează – nu sunt capabile să atingă consumul de energie în modul de aşteptare extrem de scăzut dictat de aceste aplicaţii. Totuşi, prin dezvoltarea minuţioasă a unui tranzistor de putere scăzută, cuplat cu inovaţii de arhitectură pentru economisirea de energie, Microchip a dezvoltat cu succes MCU-ul cu cel mai scăzut curent de standby din lume, care consumă mai puţin de 20nA când este în mod de aşteptare. Capabil să opereze de la o tensiune de alimentare de minimum 1,8V, acest lucru se traduce la 20 de ani sau mai mult de utilizare la o singură încărcare a bateriei.
Inovaţia este denumită tehnologia nanoWatt XLP (Extreme Low Power) şi a fost introdusă în cele mai recente adiţii ale Microchip la familiile de MCU-uri PIC 8-bit şi 16-bit. Aceasta încorporează trei dezvoltări importante: o arhitectură de putere extrem de scăzută; pentru produse de complexitate mai ridicată, un mod de aşteptare Deep Sleep şi câteva periferice de putere extrem de scăzută pentru activări periodice – toate acestea funcţionând coroborate pentru a aduce o performanţă mai mare la aplicaţiile cu restricţii energetice.
Tehnologia nanoWatt XLP are implicaţii până la nivelul tranzistorului, combinând tehnici recunoscute de putere scăzută – cum sunt tensiunile de prag variabile – împreună cu metodologii de porţi energetice, care elimină fizic energia din mari părţi din circuitul integrat, când aceasta nu este necesară. Prin eliminarea fizică a energiei, mii de tranzistoare care ar contribui în mod normal la pierderile de curent sunt izolate electric, micşorând drastic curentul consumat în modul de aşteptare. Rezultatul este un MCU care consumă mai puţin de 20nA când este în modul Deep Sleep; semnificativ mai scăzut decât alte MCU-uri disponibile astăzi pe piaţă.
Pentru a valorifica puterea tehnologiei nanoWatt XLP, a fost adăugat un nou mod de aşteptare: modul Deep Sleep. Cercetările Microchip arată că aproximativ 90% din toate aplicaţiile care utilizează un MCU folosesc fie Watchdog Timer (WDT) sau Real Time Clock/Calendar (RTCC) pentru a programa evenimente şi pentru a activa un MCU din modul de hibernare. Prin implementarea acestor elemente cruciale de arhitectură utilizând metodologiile pentru putere extrem de scăzută descrise mai sus, inginerii de la Microchip au implementat eficient cele mai importante elemente ale structurii MCU în arhitectura cu consumul energetic cel mai scăzut din industrie. Atât WDT cât şi RTCC din microcontrolerele PIC nanoWatt XLP de la Microchip utilizează tehnicile avansate de consum energetic extrem de scăzut dezvoltate pentru aplicaţiile cu limitări de putere, permiţând acestor dispozitive să opereze pentru zeci de ani de la o singură încărcare a bateriei.
Când dispozitivul intră în modul Deep Sleep, alimentarea este înlăturată de la aproape toate perifericele MCU-ului, cât şi de la majoritatea registrelor, dar circuitele RTCC şi WDT rămân active. Acest lucru înseamnă că, deşi ieşirea din Deep Sleep este în mod eficient un reset power-on pentru o mare parte a dispozitivului, puterea statică este practic eradicată, în timp ce aceste circuite care rămân active sunt implementate utilizând cele mai importante tehnici de proiectare de putere scăzută din industrie. Ieşirea din Deep Sleep poate fi iniţializată fie prin WDT sau RTCC pentru întreruperi ale rutinelor de serviciu programate, sau Deep Sleep Brownout Reset sau INT0 în cazul unei activităţi neprogramate. Punctul critic pentru utilizarea eficientă a modului Deep Sleep – este trecerea de la pierderea energetică mică necesară pentru revenirea registrelor la ieşirea din modul Deep Sleep, versus energia economisită în acest mod – poate avea un nivel de câteva sute de microsecunde. Aplicaţiile ţintă vor petrece în mod normal mult mai mult de o secundă inactive în orice perioadă. Este probabil să existe câteva minute de activitate, deşi WDT este capabil să opereze până la 19 zile fără resetare şi RTCC poate fi configurat să funcţioneze un an întreg în mod Deep Sleep înaintea activării dispozitivului.
Pe lângă noul mod Deep Sleep există mai multe moduri de aşteptare convenţionale. În unele cazuri, ar putea fi avantajoasă utilizarea unuia dintre aceste moduri de hibernare, sacrificând economisirea a ceva energie în schimbul unei flexibilităţi mai mari în termeni de surse de activare. De exemplu, dacă activarea la primirea UART este necesară să joace rolul de sursă de activare, atunci un mod standard de hibernare este cel mai corespunzător. Dacă alte periferice sunt necesare, atunci poate fi utilizat oricare dintre modurile Idle sau Doze (vezi Tabelul 1). Toate modurile de hibernare prezente pe MCU-ul PIC de la Microchip oferă semnificative economii de energie, dar numai cele echipate cu tehnologia nanoWatt XLP prezintă la ora actuală modul Deep Sleep. Pe măsură ce din ce în ce mai multe aplicaţii devin limitate de bugetul lor energetic, utilizarea de tehnologii de putere extrem de scăzută va creşte, depăşind nevoia de performanţă la orice preţ. Cu tehnologia sa avansata şi inovativă nanoWatt XLP, Microchip se adresează cererii industriei pentru soluţii mai flexibile pentru aplicaţii limitate energetic. Pe măsură ce din ce în ce mai multe dispozitive cu tehnologia nanoWatt XLP devin disponibile, Microchip va continua să furnizeze soluţia potrivită pentru aplicaţii în dezvoltare.
www.microchip.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