Varčevanje. Energija bo postajala vsak dan dražja in v prizadevanjih, da bi porabo zmanjšali, šteje vsak mikrovat! Dejstvo je, da se z dvigom standarda zvišuje tudi poraba energije in največjo eksplozijo porabe šele pričakujejo, saj se življenjski standard v državah z največjim številom prebivalcev (Kitajska) višajo po eksponencialni krivulji.
Pričakujemo lahko, da se bodo z dvigom standarda povečale tudi potrebe ljudi in odprla nova tržišča. Vsak izdelek, ki za delovanje potrebuje električno energijo, bo v času svoje predvidene življenjske dobe porabil vsaj nekaj energije, ki jo lahko izračunamo z obrazcem iz osnovnošolske fizike:
Ael = U*I*t
Recimo, da ima naša mala napravica za predvajanje glasbe deluje 3,6 V baterijo s kapaciteto 200 mAh in da lahko predvaja glasbo do osem ur. Vzemimo, da lahko popolnoma izkoristimo le 80 % te energije, zato je ostane še 160 mAh. Poglejmo, kolikšna je povprečna poraba te napravice!
Vsi proizvajalci se trudijo zmanjšati porabo naprav, ki se seveda začne pri zmanjševanju števila komponent, pri zmanjševanju njihove porabe, s selektivnim izborom napajanja za posamezne funkcije nekega integriranega vezja in s tem zmanjšanje porabe tudi do 80 %, če lahko posamezne funkcijske bloke znotraj integriranega vezja vklopimo programsko in to le takrat, ko jih potrebujemo.
Ena izmed zelo inovativnih in naprednih tehnologij z nizko porabo je vgradnja FRAM pomnilnika v mikrokontrolerje z nizko porabo, s čimer “ubijemo” kar dve muhi na en mah: zmanjšamo porabo energije in dobimo pomnilnik, ki kljub prekinitvi napajanja obdrži vpisane podatke. Kaj je pravzaprav FRAM?
FRAM (ferroelectric random access memory) ponuja edinstven nabor funkcij v primerjavi z drugimi tehnologijami polprevodnikov. Polprevodniške pomnilnike lahko razdelimo v dve kategoriji: neobstojni in neizbrisljivi. Neobstojni spomin lahko naprej delimo na SRAM (statični pomnilnik z naključnim dostopom) in DRAM (dinamični pomnilnik z naključnim dostopom). Pomnilniki tipa RAM so enostavni za uporabo, ponujajo visoko zmogljivost, vendar imajo skupno pomanjkljivost: če za trenutek prekinemo napajanje, je vsebina pomnilnika v celoti izgubljena.
Skrivnost FRAM-a je tanek feroelektričen film svinčevega cirkonat-titanata [Pb (Zr, Ti) O3], ki ga navajajo s kratico PZT. Zr/Ti atomi PZT v električnem polju spreminjajo polarnosti, s čimer lahko predstavljajo nekakšno binarno stikalo. Za razliko od RAM pomnilnikov F-RAM ohrani svojo vsebino, če napajanje izklopimo ali prekinemo, ker kristali PZT zadržijo svojo polarnost. Ta edinstvena lastnost omogoča F-RAM pomnilnikom nizko porabo in neizbrisljivost.
Tako kot F-RAM ima tudi ROM (bralni pomnilnik) neizbrisljiv spomin, ki svoje vsebine (podatkov) ne izgubi, če izgubi napajanje. Novejše generacije ROM lahko kot EEPROM (električno izbrisljivi programabilni bralni pomnilnik) in Flash pomnilnik izbrišemo in ponovno programiramo večkrat, vendar pa so za to potrebne visoke napetosti in samo pisanje poteka zelo počasi. Tehnologije, ki temeljijo na ROM pomnilnikih, lahko običajno zagotavljajo le nekaj deset tisoč vpisov, zaradi česar so neprimerne v industrijskih aplikacijah, kjer se zahteva visoka vzdržljivost pisanja/brisanja. F-RAM pomnilnik ima 10.000-krat večjo vzdržljivost, 3000-krat manjšo porabo energije, kot tipičen serijski EEPROM pomnilnik in je pri zapisovanju skoraj 500-krat hitrejši (slika 2).
F-RAM združuje najboljše iz RAM-a in ROM v enem paketu, ki prekosi druge neizbrisljive pomnilnike s svojo izjemno hitrostjo (kratkim časom vpisa , visoko stopnjo vzdržljivosti in izredno nizko porabo energije.
Mikrokontrolerji z vgrajenim FRAM pomnilnikom, ki za svoje delovanje potrebujejo do 300-krat manj energije kot običajni Flash pomnilniki, omogočajo zajemanje in shranjevanje podatkov in prilagodljive programske strukture, ki natančno ustrezajo edinstvenim zahtevam sistemov tipal, ki za svoje delovanje sami pridobivajo energijo iz svoje okolice.
Omejevanje porabe se začne že z izbiro primernega mikrokontrolerja, ki naj bi omogočal ravno toliko, kot potrebujemo in ki bo imel vgrajeno le tisto periferijo, ki jo bomo za delovanje potrebovali. V grobem delimo izbiro mikrokontrolerja na dve fazi. V prvi fazi se moramo odločiti za primeren mikrokontroler z upoštevanjem naslednjih kriterijev:
- kakšno procesno zmogljivost resnično potrebujemo,
- kako velik naj bo vgrajen (programski, delovni) pomnilnik,
- katero periferijo mora biti vgrajena.
V drugi fazi moramo določiti energetske potrebe celotne naprave:
- določiti je treba lastnosti napajalnega vira in oceniti, koliko celotne kapacitete je sploh na voljo za delovanje mikrokontrolerja,
- oceniti je potrebno razmerje med aktivnim stanjem in obdobjem počivanja,
- dobro je treba preučiti pogoje delovanja, predvsem (povprečno) temperaturo okolice, pri kateri bo naprava delovala,
- treba je vedeti, kakšna je predvidena življenjska doba naprave (kako dolgo naj bi trajala baterija do prve zamenjave ali naslednje polnitve, …).
Kakšni so v današnjem času najpogostejši viri napajanja? Vse sodobne aplikacije težijo k ultra nizki porabi (ULP aplikacije), ki jih lahko tudi skozi daljše časovno obdobje napajamo z majhnimi, največkrat tudi z gumb baterijami. Seveda pridejo v poštev tudi razne oblike pridobivanja električne energije na kraju samem (sončna, termalna, kinetična…) in kondenzatorji za shranjevanje energije (supercap), vendar je prav vsem skupno eno: vir energije je zelo omejen, a mora vseeno zadostovati za nemoteno delovanje napravice v določenem časovnem obdobju. Če vzamemo primer z gumb baterijo CR2032, ki ima kapaciteto 230 µAh, lahko vsaj 30% te energije takoj »odpišemo« zaradi samopraznjenja in zato, ker dela energije ne moremo nikoli izkoristiti, ko se napetost spusti pod nek nivo. Ostane nam okrog 150 µAh energije, ki jo moramo razdeliti na del, ki je potreben za delovanje mikrokontrolerja in del, ki ga potrebujemo za delovanje ostalega sistema aplikacije. Običajno gre 60% energije za delovanje mikrokontrolerja in 40% za delovanje ostalega sistema.
electronica 2012 – München (2)
2013_SE204_10
