Joasa putere este adesea considerată o regulă centrală a unui produs verde, dar natura joasei puteri este rareori clarificată sau cuantificată.
de Donald Schneider, Product Marketing Manager Advanced Microcontroller Architecture Division, Microchip Technology Inc.
În funcţie de aplicaţie şi de modul în care MCU va fi utilizat în aplicaţie, cerinţele pentru un microcontroler cu consum energetic redus vor varia. Utilizarea poate fi clasificată în trei mari zone:
• Mod de putere minimă – acesta va fi utilizat în aplicații precum un termostat cu baterii. Modul de putere minimă defineşte cel mai redus nivel de putere disponibilă pentru a comanda ecranul LCD. Această reducere a puterii conduce la o durată mai mare de viaţă a bateriilor.
• Curent activ consumat – pentru aplicaţii precum aparate de măsurare electrică, nivelul şi natura consumului energetic redus se referă la curentul activ consumat în perioada operării.
• Aplicaţii ce depind de timp – acestea sunt sisteme ce necesită menţinerea datei şi timpului, indiferent de prezența alimentării de bază a sistemului, cum ar fi un contor de energie electrică în timpul unei pene de curent.
După cum cerinţele aplicaţiilor sunt diverse, proiectanţii caută MCU-uri cu moduri energetice cât mai flexibile, pentru a putea croi modul de operare al sistemului.
În trecut, microcontrolerele aveau un mod activ pentru a permite operarea dispozitivului; modurile Idle şi Doze (inactiv şi moţăială) pentru a reduce sau elimina comutaţia alimentării CPU, permiţând perifericelor să opereze; şi modul Sleep (adormire) ce permitea o operare limitată a perifericelor cu un consum energetic minim. Un număr de noi moduri de joasă putere sunt adăugate pentru a creşte flexibilitatea microcontrolerelor avansate pentru procese pe siliciu mai complexe ce minimizează costurile şi reduc curentul activ. Pentru a face o demonstraţie a modurilor de operare disponibile pe microcontrolerele de astăzi, acest articol va examina modul de utilizare în diverse aplicaţii a acestor noi moduri de operare cu consum energetic redus.
Fiecare exemplu va fi creat utilizând o unealtă software de estimare a duratei de viaţă a bateriilor BLE (Battery Life Estimator) şi un MCU pe 16 biţi pentru a face o comparaţie a diferitelor moduri la implementarea în diferite aplicaţii. BLE de la Microchip este un software gratuit ce permite unui proiectant să estimeze durata de viaţă a bateriilor în sistemul proiectat şi să determine care dintre modurile de operare de joasă putere disponibile este cel mai potrivit pentru aplicaţia dată. Funcţionalitatea familiei de MCU PIC24FJ128GA310 include un număr de noi moduri de joasă putere şi un driver de display LCD, după cum se arată în următoarele exemple.
Termostatele au devenit mai complexe, necesitând afişarea mai multor informaţii şi acoperind mai multe regiuni. Ca rezultat, este necesară adesea o cantitate semnificativă de memorie program flash pe cip pentru a stoca meniuri complexe în multiple limbi.
În general, sunt necesare procese avansate pentru a produce MCU-uri cu memorii mari la preţuri competitive. Ca avans al proceselor cu semiconductoare, tendinţa este de a scădea curentul de operare (activ) şi de a creşte pierderea de curent în tranzistor. Creşterea pierderilor de curent este cea mai vizibilă în specificaţiile de curent pentru modurile de joasă putere, precum modul Sleep. Curenţii de mod Sleep ai MCU avansate sunt tipic în gama 3 până la 5µA, în vreme ce aplicaţia de termostat tipică face un pic mai mult decât să comande un ecran LCD cu segmente pentru majoritatea timpului. Ecranul LCD este tipic comandat în modul Sleep, ce permite perifericelor – în acest caz driverului LCD – să opereze în vreme ce CPU-ul şi majoritatea perifericelor sunt oprite. Termostatul se va activa periodic şi va intra în modul activ – citeşte temperatura, actualizează ecranul, şi poate semnalizează sursei de căldură, ventilatorului sau unităţii AC să pornească. Deoarece 99% din timp este necesar numai pentru modul Sleep, curentul în acest mod este zona în care îmbunătăţirile pot conduce la beneficii pentru durata de viaţă a sistemului.
Pentru a oferi MCU cu mod de putere sub µA, mulţi furnizori au introdus noul mod de joasă putere Deep Sleep (somn adânc).
Tipic, curenţii de mod Deep Sleep sunt în gama de la 10 la 50nA, iar aceste dispozitive pot rula un calendar cu ceas de timp real (RTCC) cu un supliment de 400nA. Pentru a atinge curenţi extrem de reduşi, o opţiune este de a închide întregul dispozitiv cu excepţia unei mici cantităţi de memorie, un ceas de timp real şi poate şi un temporizator de siguranţă (Watch Dog Timer). Totuşi, aceste moduri Deep Sleep nu permit operarea perifericelor sau menţinerea datelor pe RAM pe dispozitiv. Pierderea conţinutului RAM necesită ca dispozitivul să execute o rutină de restart înainte de reluarea executării programului, la revenirea din modul Deep Sleep.
O alternativă poate fi găsită cu noile moduri de joasă putere, precum modul Sleep de joasă tensiune, ce menţine datele RAM cu un curent tipic de 330nA şi permite operarea unor periferice suplimentare de joasă putere. Acest mod Sleep de joasă tensiune menţine RAM-ul dispozitivului şi reduce curenţii de mod Sleep prin reducerea ieşirii stabilizatorului pe cip al dispozitivului. Prin reducerea tensiunii de alimentare a logicii dispozitivului şi limitând perifericele active, curenţii de mod Sleep ai MCU pot fi reduşi de la 3,7µA la 330nA. Ca efect, periferice precum drivere LCD, temporizatoare şi RTCC pot opera cu un minim curent adiţional. Modul Sleep de joasă tensiune permite dispozitivului să revină în stare activă în mai puţin de jumătate din timpul de activare din modul Deep Sleep. Dispozitivul începe execuţia cu următoarea instrucţiune, nu de la început cu secvenţă de restart, cum este nevoie la revenirea din modul Deep Sleep.
După cum se poate observa în figura 1, ecranul principal al uneltei de estimare a duratei de viaţă a bateriei prezintă MCU-ul şi tensiunea sa de operare, bateria şi modul de operare. Rezultatul pentru modelul de termostat este de 11 ani şi 88 de zile – durată de viaţă pentru baterii.
Unealta BLE modelează timpul pe care microcontrolerul îl va petrece în fiecare mod de operare şi câtă energie va consuma dispozitivul în fiecare mod. Figura 1 prezintă fereastra BLE, ce poate fi utilizată pentru a stabili câţiva parametri cheie ai sistemului şi pentru a afişa rezultatele cu privire la durata de viaţă estimată şi curentul mediu al sistemului. Pentru început trebuie selectate MCU şi tensiunea de operare a sistemului. Se selectează apoi bateria sau grupul de baterii necesare, în acest caz 2 baterii alcaline AAA. Tensiunea de operare aşteptată şi temperatura de operare pot fi de asemenea selectate, pentru ca modelul să conţină informaţii cât mai complete. În final sunt definite modurile de operare ce vor fi utilizate în sistem. În cazul termostatului vor fi utilizate două moduri.
Pentru modelarea timpului în care termostatul doar afişează pe ecranul LCD, este creat un mod operaţional numit “Display LCD”. Acest mod utilizează modul Sleep de joasă tensiune pentru a furniza consumul energetic cel mai redus pentru care LCD-ul poate fi comandat. Unealta de estimare a duratei de viaţă a bateriei este reglată pentru modul Sleep de joasă tensiune pentru 29,5 secunde din 30 de secunde, timp utilizat pentru modelarea duratei de viaţă operaţionale a dispozitivului. Modul operaţional implică pe lângă LCD, monitorizarea temperaturii, actualizarea ecranului LCD şi comunicarea cu unităţile HVAC.
Noul mod Sleep de joasă tensiune şi implementarea unui mod operaţional în BLE sunt prezentate în figura 2 – ecranul de Adăugare / Modificare. Din acest ecran, un proiectant poate regla parametri pentru durată, stabilită acum la 29,5 secunde. Prin utilizarea căsuţei de intrare curent adiţional al sistemului (Additional System Current), proiectanţii pot adăuga un consum de curent estimat pentru curenţii dimprejurul MCU. În acest caz, au fost adăugaţi 4µA, reprezentând curentul consumat de ecranul LCD, şi un supliment de 1µA, curent necesar pentru rezistenţele interne de polarizare ale LCD. Apoi este selectat modul de putere, în acest caz Sleep de joasă tensiune, şi perifericele necesare. Pentru a oferi un model precis al curentului sistemului, au fost selectate LCD Drive, BOR, WDT şi RTCC. Curentul total al sistemului consumat de MCU este de 1,88µA, la care se adaugă cei 5µA menționați anterior, obţinând 6,88µA necesari sistemului pentru operare în modul Sleep de joasă tensiune.
După cum se poate observa în figura 2, ecranul mod de editare al BLE permite unui proiectant să numească şi să specifice condiţiile fiecărui mod de putere utilizat. Ecranul principal al BLE arată consumul mediu de curent de 6,88µA cât timp dispozitivul este în modul Sleep de joasă tensiune şi de numai 327µA pe durate scurte de timp în care dispozitivul este în stare activă, ceea ce conduce la o medie de mai puţin de 6,9µA. Durata de viaţă estimată a bateriei pentru acest sistem este de aproape 12 ani, sau aproape 5 ani după perioada de viaţă la raft a bateriei. O analiză similară utilizând modul Sleep în loc de Sleep de joasă tensiune este prezentată în figura 3, iar rezultatul arată un curent mediu de aproximativ 10,5µA şi o reducere de 3 ani a duratei de viaţă a bateriei.
După cum se poate observa în figura 3, durata de viaţă a bateriei estimată pentru modul Sleep standard arată o reducere de 3 ani a duratei de viaţă a bateriei.
O aplicaţie contrastantă pentru un MCU este aceea a unui sistem care va petrece majoritatea timpului într-un mod activ, precum un contor de măsurare a energiei electrice. Dispozitivele de acest fel de astăzi petrec tot timpul în una dintre cele două stări posibile. Modul de operare normală apare atunci când este disponibilă energie electrică. În acest mod de operare “normală”, MCU-ul este activ şi măsoară constant tensiunea şi curentul, calculând puterea ce trece prin dispozitivul de măsurare. Dispozitivul de măsurare poate fi de asemenea monitorizat pentru eventuale falsificări, poate comanda un ecran LCD şi poate comunica cu o infrastructură de citire a valorilor măsurate.
Atâta vreme cât contorul de energie electrică funcţionează, se pare că energia este din abundenţă. În realitate energia necesară funcţionării este furnizată de utilitatea electrică – clientul final al producătorului contorului de energie. Compania de electricitate alimentează cu energie milioane de clienţi, astfel încât chiar şi o pierdere mică de curent este costisitoare pentru afacerea unei companii de energie. De fapt, majoritatea contoarelor electrice trebuie să opereze sub un buget de 10VA, stabilit de IEC. Dacă se iau în considerare posibilele variaţii pe linie, toleranţele componentelor şi limitele de proiectare, rezultatul final este un buget de curent de aproximativ 10mA pentru MCU-ul sistemului, atunci când este utilizată o sursă de tensiune capacitivă.
Unele dintre contoarele electrice economice din zilele noastre utilizează microcontrolere pe 8 biţi care consumă tipic peste 10mA, atunci când operează la capacitate maximă într-un mod activ. Pentru a putea să se încadreze în bugetul energetic acordat sistemului, proiectanţii sunt solicitaţi să opereze MCU-ul la frecvenţă redusă. Multe microcontrolere pe 16 biţi de astăzi profită de avantajul unor procese şi tehnici de proiectare avansate pentru a furniza curenţi de operare de numai 150µA/MHz, şi pot opera la o viteză completă de 16 MIPS cu un consum de numai 6,9mA. Curentul de operare redus oferă proiectanţilor posibilităţile de a reduce viteza de operare a MCU pentru a reduce consumul energetic, sau de a adăuga funcţii adiţionale păstrând sistemul în plaja de buget energetic alocat.
De vreme ce contoarele electrice se află în stare activă majoritatea timpului, ele sunt de asemenea un exemplu de aplicaţii ce pot profita de pe urma unuia dintre modurile de cea ma joasă putere – Vbat.
Funcţionalitatea Vbat oferă un pin dedicat ce este alimentat de la o sursă de tensiune de rezervă, precum o baterie LTC sau un super-condensator. Când sursa de tensiune primară eşuează, precum în cazul unei căderi de energie, alimentarea pentru RTCC trece automat pe pinul de rezervă Vbat. RTCC este important într-un contor de energie pe durata întreruperii de energie, deoarece facturarea pe timp de utilizare devine din ce în ce mai dorită. Atunci când operează prin Vbat, RTCC permite alimentarea de la o baterie LTC pentru o durată de viaţă de zeci de ani, permiţând practic o alimentare de rezervă nelimitată. Utilizarea funcţionalităţii Vbat cu RTCC nu este limitată la contoare de energie. Multe aplicaţii, printre care şi termostatul analizat mai devreme, pot utiliza RTCC pentru a menţine ceasul pe durata întreruperii alimentării sau la schimbarea bateriilor. Vbat, cu un condensator sau baterie, poate funcţiona liniştit pe o durată mare de timp, eliminând supărătoarele semnale luminoase ce rezultă în cazul unei întreruperi de tensiune.
Evoluţia microcontrolerelor de joasă putere într-o lume conştientă de energia consumată a condus la MCU de uz general de o mare flexibilitate. Progresele în tehnicile de proiectare şi tehnologiile de proces au condus la MCU pe 16 biţi care au curenţi activi de numai 150µA/MHz. Lanţului de management energetic i s-a adăugat flexibilitate prin noile moduri de joasă putere, precum Sleep de joasă putere şi Vbat, permiţând ca microcontrolere de uz general să opereze într-o varietate largă de aplicaţii. Ca rezultat, proiectanţii au acces la microcontrolere puternice şi adaptabile ce vor permite aplicaţii finale mai eficiente energetic şi mai prietenoase cu clientul.
www.microchip.com