Nizka poraba se pogosto šteje kot osrednje načelo nekega »energijsko prijaznega« proizvoda, vendar se ob tem pojem »majhne moči« redko pojasni ali določi. Odvisno od posamezne aplikacije in od tega, kako bo mikrokontroler uporabljen v njej, se bodo zahteve za mikrokontroler z nizko porabo razlikovale.
Vrste uporabe je mogoče razvrstiti v tri glavna področja:
Način delovanja z minimalno močjo – ta se bo uporabljal v aplikacijah, kot je na primer baterijsko napajan termostat. Najmanjšo porabo v tem načinu določa najnižja raven moči, ki je potrebna za delovanje LCD zaslona. S tem zmanjšanjem porabe znatno podaljšamo življenjsko dobo baterije.
- Poraba delovnega toka – za aplikacije, kot so števec električne energije, stopnja in narava se nizka poraba nanaša na delovni tok, ki ga sistem porabi med delovanjem.
- Časovno odvisne aplikacije – To so sistemi, ki zahtevajo, da se datum in čas ohranita, ne glede na prisotnost primarnega napajanja sistema, kot je na primer merilnik električne energije v času izpada električne energije.
- Ker se zahteve za različne aplikacije razlikujejo, oblikovalci iščejo mikrokontrolerje, ki bi imeli še bolj fleksibilne načine delovanja za prilagajanje delovanju nekega sistema.
V preteklosti so imeli mikrokontrolerji aktivni način za omogočanje delovanja naprave, »spanje« in »dremež« načina za zmanjšanje ali odpravo preklopih izgub mikrokontrolerja, hkrati pa so imeli omogočeno delovanje zunanjih perifernih naprav ter načine spanja, kjer je dovoljeno omejeno delovanje periferije z minimalno porabo energije. Kar lepo število novih načinov delovanja z nizko porabo je bilo dodanih naprednim mikrokontrolerjem, s katerim so želeli povečati prožnost in preiti na bolj napredne silicijeve tehnološke procese, ki hkrati zmanjšujejo stroške in delovni tok. Da bi predstavili nekatere načine delovanja, ki so na voljo v današnjih naprednih generacijah mikrokontrolerjev, bomo v tem članku preučili, kako se ti novi načini delovanja z nizko porabo uporabljajo v najrazličnejših aplikacijah.
Za vsak primer zase bomo naredili model s pomočjo programskega orodja Battery Life Estimator (BLE) orodja in 16-bitnega mikrokontrolerja, s čimer bomo zagotovili primerjavo različnih načinov delovanja, če se izvajajo v različnih aplikacijah. Microchipov BLE je brezplačno programsko orodje, ki pomaga oblikovalcem oceniti, kakšno baterijo izbrati za njihov sistem in ugotoviti, kateri od razpoložljivih načinov delovanja je najprimernejši za njihovo aplikacijo. Med funkcionalnosti družine mikrokontrolerjev PIC24FJ128GA310 štejemo tudi številne nove načine delovanja z nizko porabo in krmiljenje LCD zaslona, kot je prikazano v naslednjih primerih.
Termostati postajajo vse bolj kompleksni, saj naj bi prikazali vse več informacij in zajemali večje območje. Kot rezultat teh zahtev so pogosto potrebne velike količine vgrajenega pomnilnika, Flash pomnilnika za shranjevanje programa in zapletene strukture menijev v več jezikih.
Na splošno so za proizvodnjo mikrokontrolerjev z velikimi pomnilniki po konkurenčnih cenah potrebni zahtevnejši procesi. Medtem, ko postajajo sodobni procesi izdelave polprevodnikov vse bolj zapleteni, kar naj bi vplivalo tudi na zmanjšanje toka med aktivnim delovanjem, se to na drugi strani, žal, odraža tudi na povečanju toka uhajanja skozi tranzistor. Povečanje tega toka je najbolj opazna v specifikacijah glede porabe toka v načinih z nizko porabo, na primer v načinu spanja. Tokovi v načinu spanja se pri naprednih mikrokontrolerjih običajno gibljejo v območju 3 do 5 µA, medtem ko je tipična poraba pri termostatu nekaj malega več kot je potrebna za sam prikaz na segmentnem LCD zaslonu, za kar porabi večino časa. Segmentni LCD zaslon je običajno krmiljen prav v stanju mirovanja, ki periferiji (v tem primeru LCD gonilniku) omogoča delovanje, medtem ko je mikrokontroler in večina ostale periferije izklopljena. Termostat se bo redno prebujal in začel z delovanjem v aktivnem načinu – prebral bo temperaturo, posodobil prikaz in morda ukazal peči, ventilatorju ali AC enoti naj se vklopijo ali izklopijo. Ker se 99 % časa zahteva le način delovanja v mirovanju, je prav zahtevani tok v stanju mirovanja tisti najpomembnejši element, ki lahko znatno vpliva na podaljšanje delovanja baterijsko napajanega sistema.
Da bi proizvajalci mikrokontrolerjev lahko zagotovili njihovo delovanje s tokom pod 1 µA, so iznašli nove načine delovanja z nizko porabo, na primer tako imenovano »globoko spanje«. Tipični Deep Sleep tokovi so v območju od 10 do 50 nA, poleg tega pa lahko znotraj teh mikrokontrolerjev z dodatnimi 400 nA toka teče ura realnega časa skupaj s koledarjem (RTCC). Ena možnost za zagotavljanje takšnega delovanja je, da izklopimo delovanje celotnega vezja, razen majhne količine pomnilnika, ure realnega časa in morda še Watch-Dog časovnika, s čimer je mogoče doseči izjemno nizke tokove porabe. Vendar pa ti načini globokega spanja ne dovolijo delovanja perifernih enot ali na primer ohranitve podatkov v RAM pomnilniku. Izguba vsebine RAM pomnilnika mikrokontrolerja pa seveda zahteva inicializacijo, izvedbo celotne rutine ponovnega zagona pred nadaljevanjem izvajanja programa, ko se mikrokontroler prebudi iz globokega spanja.
Alternative je mogoče najti v novih načinih delovanja z nizko porabo, kot je na primer spanje pri nizki napetosti, ki ohranja podatkovni RAM pomnilnik pri tipičnem osnovnem toku 330 nA in hkrati omogoča delovanje dodatnih perifernih naprav z nizko porabo. Ta nizkonapetostni način spanja ohranja vsebino RAM pomnilnika in znižuje tok spanja z zmanjšanjem napetosti na izhodu regulatorja, ki je že vgrajen v notranjosti mikrokontrolerja. Z zmanjšanjem napajalne napetosti za vgrajeno logiko in z omejevanjem števila aktivnih perifernih naprav se lahko tok spanja mikrokontrolerja zmanjša celo iz 3,7 µA na 330 nA. Podskupina pri mirovanju mikrokontrolerja so lahko tudi periferne naprave, kot so LCD gonilnik, časovniki in RTCC in lahko delujejo z minimalnim dodatnim tokom. Način spanja pri nizki napetosti (Low-Voltage Sleep mode) omogoča, da se mikrokontroler zbudi iz globokega spanja in vrne v aktivno stanje v manj kot pol običajnega časa. Mikrokontroler nato le nadaljuje z izvajanjem naslednjega programskega ukaza, ni pa potrebna celotna uvodna procedura inicializacije, kot jo sicer zahteva prebujanje iz globokega spanja.
Kot je prikazano na sliki 1, je glavno okno orodja za oceno trajanja baterije (BLE, Battery Life Estimator) prikazan izbran mikrokontroler in njegova delovna napetost, baterija in načini delovanja. Rezultat izbranega modela za naš termostat je, da bi ga baterija lahko napajala 11 let in 88 dni.
S tem orodjem (BLE) ocenimo čas, ki ga bo mikrokontroler porabil v vsakem od načinov delovanja in izračunamo, koliko energije bi porabil v posameznem načinu. Slika 1 prikazuje končno sliko orodja BLE, ki se uporablja za nastavitev več ključnih parametrov, s katerimi lahko ocenimo življenjsko dobo baterije in povprečni tok porabe nekega sistema. Najprej izberemo mikrokontroler in obratovalno napetost sistema. To omogoča programu izbiro ustreznih parametrov iz širokega nabora glede na specifikacije. Potem izberemo ustrezno baterijo ali baterijski par. V našem primeru smo izbrali dve alkalni bateriji velikosti AAA. Pričakovano obratovalno napetost tega sistema in obratovalno temperaturo lahko izberemo tako, da dobimo kar najbolj popolno specifikacijo za model izračuna življenjske dobe baterije, za katerega jo ugotavljamo. Končno izberemo še načini delovanja, ki ga bomo v sistemu uporabili. V našem primeru termostata bomo uporabili dva načina.
Za model časa, ko termostat na LCD zaslonu le prikazuje, smo izbrali način delovanja, ki ga bomo imenovali „Display LCD“. Način delovanja „Display LCD“ uporablja spanje pri nizki napetosti, s katerim lahko zagotovi način delovanja z najnižjo porabo, pri kateri LCD še lahko deluje. Z orodjem BLE nastavimo model za način mirovanja pri nizki napetosti za 29,5 sekund v celotnem ciklu 30-tih sekund, ki ga uporabimo za modeliranje operativne življenjske dobe naprave oziroma baterije. Drugi način delovanja za modeliranje porabe mikrokontrolerja, ki ga moramo prav tako določiti, smo imenovali »Update Temp and LCD« in je operativni način, v katerem preberemo trenutno temperaturo in osvežimo prikaz na LCD zaslonu ter za morebitno komunikacijo s HVAC enotami (Heating, Ventilation, and Air Conditioning).
Nov način spanja pri nizki napetosti in operativni način delovanja v oknu Dodaj /Spremeni način BLE orodja je prikazan na sliki 2. Na tem zaslonu lahko oblikovalci prilagodijo nastavitve za čas , ki je trenutno določen za 29,5 sekunde. Z dodatnim vnosnim poljem za sistemski tok lahko oblikovalci dodatno ocenijo porabo toka za vezja, ki obdajajo mikrokontroler. V našem primeru je bilo dodano 4µA sistemskega toka, kar predstavlja tok, ki ga porabi LCD zaslon, poleg tega pa smo dodatno upoštevali še 1 µA toka, ki predstavlja tok, ki je potreben za nastavitev prednapetosti LCD prek notranjih uporov. V naslednjem koraku izberemo način napajanja, (v našem primeru spanje pri nizki napetost) in zahteve glede perifernih naprav. Da bi dobili čim bolj natančen model porabe sistema, so bili izbrani LCD krmilnik, BOR, WDT in RTCC. Celotni sistemski tok, ki ga porabi sam mikrokontroler je tako 1,88 µA, ki ga dodamo prej omenjenemu 5 µA toku sistema, s čimer dosežemo 6,88 µA zahtevanega povprečnega sistemskega toka, če uporabimo načinu spanja pri nizki napetosti.
Kot je prikazano na sliki 2, omogoča okno za urejanje načina delovanja v BLE orodju tudi to, da oblikovalci poimenujejo in podrobno opredelijo pogoje za vsako vrsto napajanja, ki ga nameravajo uporabiti.
Glavni zaslon BLE orodja kaže, da je ocenjena povprečna poraba 6,88 µA v obdobju, ko je naprava v načinu spanja pri nizki napetosti in da je poraba nekaj več kot 327 µA v tistem kratkem času, ko je naprava je v aktivnem stanju, kar povprečno tokom manj kot 6,9 µA. Ocenjena življenjska doba baterije tega sistema je skoraj 12 let, oziroma skoraj 5 let dlje od roka uporabnosti baterij. Podobna analiza z uporabo načina spanja (in ne načina spanja pri nizki napetosti) je prikazana na sliki 3. Rezultat je povprečni tok porabe približno 10,5 µA (prej 6,88 µA!) in zmanjšanje življenjske dobe baterije za približno tri leta v primerjavi s prej opisanim načinom spanja pri nizki napetosti.
Kot je prikazano na sliki 3, temelji ocenjena življenjska doba baterije na uporabljenem načinu spanja in pokaže, da se pri uporabi standardnega načina spanja življenjska doba baterije skrajša za tri leta.
Kot kontrastna aplikacija za mikrokontroler bi bil sistem, ki bi porabil večino časa v aktivnem stanju, kot je na primer števec porabljene električne energije. Današnji števci električne energije prebijejo ves svoj čas v enem od dveh načinov delovanja. Normalni način delovanja je takrat, ko električna energija je na voljo. V tem „normalnem“ načinu delovanja je mikrokontroler aktiven in neprestano opravlja meritve napetosti in toka ter izračunava moč in porabljeno energijo, ki jo merijo s pomočjo tega merilnika. Števec lahko spremlja tudi potencialne nedovoljene posege, krmili LCD zaslon in po potrebi tudi komunicira z infrastrukturo, ki je potrebna pri takšnem merjenju.
Medtem, ko števec porabe električne energije meri porabo, se zdi, da je energije v izobilju. V resnici pa sta napajanje izdelka in njegova poraba pri končnem kupcu (distributerju električne energije) določena že s strani proizvajalca merilnika. Podjetje za distribucijo električne energije dobavlja elektriko več sto tisočim odjemalcem in čeprav je lahko razlika v porabi še tako majhna, bi bila preveč porabljena energija za njihovo napajanje takšnemu podjetju prevelik strošek. V bistvu pa je že z direktivami IEC določeno, da mora večina merilnikov porabljene električne energije delovati pod mejo 10 VA. Ko upoštevamo vse možne variacije omrežij, tolerance komponent in omejitev pri oblikovanju sistema, je končni rezultat nek povprečni tok v višini približno 10 mA za sistemski mikrokontroler, kadar se uporablja kapacitivna oskrba z električno energijo.
Nekateri današnji števci električne energije nižjega cenovnega razreda uporabljajo še 8-bitne mikrokontrolerje, ki običajno porabijo več kot 10 mA, kadar delujejo pri svoji polni hitrosti in v aktivnem načinu delovanja. Da bi ostali v okviru dovoljene porabe takšnega merilnega sistema, so oblikovalci pogosto primorani zmanjšati frekvenco sistemskega takta, ki poganja mikrokontroler. Mnogi izmed današnjih 16-bitnih mikrokontrolerjev pa že izkoriščajo prednosti sodobnih naprednih procesov in tehnik oblikovanja, ki zagotavljajo tipične nizke obratovalne tokove, ki se lahko spustijo celo pod 150µA/MHz in ki zaradi tega lahko delujejo pri 16 MIPS, vendar pri porabi največ 6,9 mA. Zmanjšan delovni tok prinaša oblikovalcem izbiro, da bodisi zmanjšajo hitrost sistemskega takta mikrokontrolerja za manjšo porabo električne energije nekega sistema ali dodajanje nekih dodatnih funkcij in kljub temu ostati znotraj predpisane porabe sistema.
Ker so števci porabljene električne energije večino časa v aktivnem stanju, so tudi za primer aplikacije , ki lahko izkoristijo enega od najnižjih načinov porabe – VBAT. VBAT funkcionalnost zagotavlja poseben priključek, na katerega priključimo rezervni vir napajanja , na primer RTC baterijo ali superkondezator. Ko pride do izpada primarnega sistema napajanja, nastanejo podobne razmere, kot bi prišlo do prekinitve napajanja, zato se RTCC napajanje samodejno preklopi na rezervni vir napajanja, ki je priključen na VBAT priključek. Baterijsko podprt RTCC časovnik je pri merilniku porabljene električne energije v času izpada električne energije izredno pomemben, saj je od časa, v katerem električno energijo porabimo, odvisen tudi znesek obračunane porabljene električne energije. Takšen način obračunavanja porabljene električne energije je pri distributerjih vse bolj priljubljen. Za delovanje RTCC z napajanjem prek VBat ima LTC baterija dovolj energije za desetletno delovanje , kar je skoraj neomejeno obdobje delovanja. Uporaba VBAT funkcionalnosti za RTCC pa ni omejena zgolj na merilnike porabljene električne energije. V številnih aplikacijah , vključno s termostatom, ki smo ga prej obravnavali, se lahko uporabljajo RTCC za ohranitev delovanja ure med izpadom električne energije ali med menjavo baterij. VBAT s kondenzatorjem ali baterijo lahko uporabimo tudi za odpravljanje nadležnih utripajočih luči, ki so posledica izpada električne energije.
Razvoj mikrokontrolerjev z nizko porabo je v svetu varčevanja z energijo privedlo do izjemno prilagodljivih mikrokontrolerjev za splošno rabo. Napredek v tehnologiji procesov in tehnikah oblikovanja so botrovali sodobnim 16-bitnim mikrokontrolerjem, ki imajo najnižji tok porabe celo pod 150 µA / MHz. Dodana je bila tudi prilagodljivost pri upravljanju z napajalno verigo prek novih načinov delovanja z nizko porabo, kot so način spanja pri nizki napetosti in VBAT, kar mikrokontrolerjem za splošno rabo daje sposobnost delovanja v različnih aplikacijah. Končni rezultat tega je, da imajo oblikovalci možnost uporabe zmogljivih in prilagodljivih mikrokontrolerjev, ki bodo omogočili energetsko bolj učinkovite in uporabnikom bolj prijazne končne aplikacije.
Napredni mikrokontrolerji ponujajo aplikacijam prednost nizke porabe
Microchip Technology Inc
2014_SE217_5
