Современные микроконтроллеры для систем с малым энергопотреблением

В статье рассматриваются примеры использования современных микроконтроллеров с новыми энергосберегающими режимами, позволяющими, например, увеличить срок службы батарей в системах с автономным питанием. Благодаря этим режимам появилась возможность с большей энергоэффективностью применять более мощные и адаптируемые микроконтроллеры в конечных приложениях, отвечающих требованиям заказчиков.

В зависимости от конкретного приложения, в котором применяется микроконтроллер (МК) с малым потреблением, к нему предъявляются разные требования. Условно их можно разделить на три следующие основные группы.

Режим минимальной мощности потребления. Этот режим востребован в таких приложениях как, например, термостат с батарейным питанием. В этом режиме определяется самый низкий уровень питания, необходимый для управления ЖК-дисплеем. Такой экономичный режим позволяет увеличить срок службы батареи.
Потребление активного тока. Такие приложения как счетчик электрической энергии в процессе эксплуатации потребляют активную составляющую тока.
Приложения для учета времени эксплуатации. Эти системы отслеживают текущее время и дату независимо от работоспособности главного источника питания. Например, с этой целью используется электросчетчик, контролирующий указанные параметры при сбое в подаче электроэнергии.
В силу различия в требованиях разных приложений разработчики выбирают микроконтроллеры с универсальным набором режимов питания.

В прошлом полнофункциональная работа микроконтроллеров обеспечивалась в активном режиме; режимы Idle (нерабочий) и Doze (засыпание) позволяли уменьшить или приостановить потребление мощности центральным процессором при работающей периферии, а режимы Sleep (сон) ограничивали функционирование периферийных устройств при минимальном энергопотреблении. К настоящему времени появился ряд новых режимов малого потребления, в результате чего повысилась гибкость микроконтроллеров, изготовленных на основе более совершенных технологических процессов. При этом уменьшилась стоимость этих устройств и активный ток. Давайте рассмотрим возможности современных микроконтроллеров с новыми рабочими режимами на конкретных примерах.

Каждый из этих примеров был смоделирован с помощью программного средства Battery Life Estimator (BLE) и 16-разрядного МК, что позволило сравнить разные режимы энергопотребления в разных приложениях. Инструмент BLE от Microchip — бесплатное программное средство для расчета срока службы батареи в проектируемой системе и определения оптимального рабочего режима. В семейство микроконтроллеров PIC24FJ128GA310 с новыми режимами малого энергопотребления входит драйвер ЖК-дисплея.

Термостаты стали более сложными устройствами, чем прежде. В настоящее время они отображают больше информации и используются в разных географических регионах. В результате во многих случаях этим устройствам требуется флэш-памяти большого объема для хранения сложных меню на разных языках.

Как правило, для производства микроконтроллеров с памятью большого объема и с конкурентоспособной ценой применяются сложные технологические процессы. По мере совершенствования этих технологий рабочий (активный) ток устройств уменьшается, и увеличивается ток утечки транзисторов. Повышение этого тока самым заметным образом отражается на характеристиках тока в режимах малого энергопотребления, например в режиме Sleep (сон). У новых микроконтроллеров типовые значения тока в спящем режиме находятся в диапазоне 3-5 мкА, хотя стандартный термостат, как правило, не только управляет сегментным ЖК-дисплеем большую часть времени.

Если, например, сегментный ЖК-дисплей находится в режиме сна, периферия — в данном случае, ЖК-драйвер — работает, а питание центрального процессора и большинства остальных внешних устройств отключено. Термостат периодически просыпается и входит в активный режим, в котором он считывает температуру, обновляет информацию на дисплее и, возможно, передает сигнал включения блоку управления печью, вентилятором или устройству адаптивного управления. Благодаря тому, что 99% времени система находится в режиме сна, срок службы батареи существенно увеличивается за счет значительно меньшего потребляемого тока.

Многие поставщики реализовали такие режимы энергопотребления микроконтроллеров как Deep Sleep (глубокий сон), чтобы ограничить питание током менее 1 мкА. Типовые значения тока в этом режиме составляют 10-50 нА. Эти устройства оснащены функцией RTCC (Real-Time Clock/ Calendar — часы/календарь реального времени), для реализации которой требуется дополнительный ток 400 нА. Чтобы приостановить работу всего устройства кроме памяти небольшого объема, часов реального времени и, возможно, сторожевого таймера, применяется режим очень малого потребления. Однако в режимах глубокого сна не предусматривается работа периферии, и не сохраняются данные ОЗУ. Из-за потери содержимого ОЗУ микроконтроллер вынужден осуществить перезапуск, прежде чем возобновить выполнение программы при выходе из режима глубокого сна.

В качестве альтернативы этому режиму используются другие состояния, например Low-Voltage Sleep (сон при низком напряжении). В этом режиме сохраняются данные ОЗУ микроконтроллера при типовом токе потребления 330 нА, и допускается работа дополнительных внешних устройств с малым потреблением. Это режим поддерживает ОЗУ в работоспособном состоянии и позволяет уменьшить ток за счет меньшего выходного напряжения встроенного в чип стабилизатора. Благодаря меньшему напряжению питания, подаваемому на логический блок устройства, и ограничению потребления актив- ной периферии в режиме сна МК ток понижается с 3,7 мкА до 330 нА. В одном из режимов сна микроконтроллера такие периферийные устройства как ЖК-драйверы, таймеры и RTCC могут функционировать с минимальным дополнительным током. Режим Low-Voltage Sleep позволяет устройству вернуться в активное состояние менее чем за половину того времени, которое требуется на выход из состояния Deep Sleep. После этого устройство приступает к выполнению следующей команды, не перезапускаясь, что, как правило, необходимо при выходе из режима глубокого сна.Современные микроконтроллеры для систем с малым энергопотреблением

Программное средство BLE определяет время и потребляемую микроконтроллером мощность, которые ему необходимы в каждом рабочем режиме. Как видно из рисунка 1, в главном окне программы Battery Life Estimator имеется возможность выбрать рабочее напряжение микроконтроллера, параметры батареи и другие характеристики. В данном случае были выбраны две алкалиновые батареи типа AAA. В главном окне этого программного средства можно также выбрать рабочее напряжение и температуру. Наконец, выбираются соответствующие режимы эксплуатации. В примере с термостатом определяются два режима. Расчет показывает, что при заданных параметрах срок службы термостата составит 11 лет и 88 дней.

Чтобы определить время, в течение которого термостат только отображает информацию на экране ЖК-дисплея, используется рабочий режим Display LCD. В нем, в свою очередь, применяется режим Low-Voltage Sleep, обеспечивающий минимальное потребление мощности дисплеем при отображении информации. Программное средство Battery Life Estimator позволяет задать время пребывания устройства в режиме Low-Voltage Sleep в течение 29,5 с при длительности цикла 30 с. Эти данные используются при моделировании срока службы. В режиме Update Temp and LCD задается время, необходимое микроконтроллеру на мониторинг температуры, обновление экрана ЖК-дисплея и связь с системой HVAC (heating, ventilation and conditioning system — вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха).

Новый рабочий режим Low-Voltage Sleep выбирается с помощью инструмента BLE в окне Add/Modify Mode («Добавить/Изменить режим»). С помощью этого окна задается продолжительность работы устройства в указанном режиме. В данном случае оно составляет 29,5 с. Поле Additional System Current позволяет задать ток для питания системы. В рассматриваемом примере величина потребляемого системой тока складывается из 4 мкА, необходимых для ЖК-дисплея, и 1 мкА — для резисторов в цепи смещения дисплея. Далее выбираются периферийные устройства. Чтобы правильно рассчитать потребляемый системой ток, в данном примере учитывалось потребление ЖК-драйвера, схемы BOR (Brownout Reset — сброс устройства при снижении его питания до определенного значения), сторожевого таймера и RTCC. Микроконтроллеру требуется 1.88 мкА. К этой величине следует добавить расчетные 5 мкА. Итого в режиме Low-Voltage Sleep системе потребуется 6,88 мкА.

Как видно из рисунка 2, в окне для редактирования разработчик может указать параметры для каждого режима энергопотребления. Итак, средний потребляемый ток в режиме Low-Voltage Sleep составляет 6.88 мкА, а в течение того короткого времени, что устройство находится в активном режиме, ток едва превышает 327 мкА. С учетом этих значений расчетный срок службы батареи составляет почти 12 лет, что на пять лет больше срока хранения источников питания. На рисунке 3 иллюстрируется расчет срока службы батареи при эксплуатации системы в режиме Sleep. Поскольку средний потребляемый ток в этом случае составляет около 10,5 мкА, срок службы батареи меньше на три года.

В отличие от термостата, современные счетчики электроэнергии большую часть времени находятся в активном режиме. В обычном рабочем режиме микроконтроллер активен — он постоянно измеряет напряжение и ток для расчета мощности, проходящей через счетчик. Этот прибор может иметь защиту от взлома, управлять ЖК-дисплеем и устанавливать связь с инфраструктурой для передачи показаний.

Поскольку клиентами энергетических компаний являются миллионы домохозяйств, даже небольшая утечка энергии в расчете на одного потребителя может обернуться для поставщика большими потерями. Согласно стандарту IEC, бюджет мощности у большинства электросчетчиков не должен превышать 10 ВА. С учетом возможных различий между линиями питания, допусками на компоненты и расчетными предельными параметрами бюджет тока для микроконтроллерной системы составляет около 10 мА при использовании емкостного источника питания.

В некоторых современных недорогих электросчетчиках применяются 8-разрядные микроконтроллеры, которые, как правило, потребляют более 10 мА при эксплуатации в активном режиме с максимальной тактовой частотой. Чтобы не выйти за расчетный бюджет мощности, разработчики уменьшают тактовую частоту микроконтроллеров. Благодаря тому, что многие современные 16-разрядные МК выполнены по самым передовым технологиям, их типовые рабочие токи не превышают 150 мкА/МГц. Максимальная производительность этих устройств достигает 16 MIPS, а максимальный ток потребления — 6,9 мА. Меньший рабочий ток позволяет разработчику снизить производительность микроконтроллера, сократив, таким образом, потребление системы, или использовать дополнительные функции, не выходя за рамки требуемого бюджета мощности.

Несмотря на то, что электросчетчики находятся в активном состоянии большую часть своего времени, их тоже можно использовать в режиме с минимальным энергопотреблением с помощью функции Vbat. С этой целью применяется специальный вывод и резервный источник питания — низкотемпературная батарея или суперконденсатор. Переключение на резервное питание часов/календаря реального времени с помощью вывода Vbat автоматически осуществляется при сбоях в подаче электроэнергии. Роль функции RTCC в этих случаях растет, т.к. все больший спрос получает учет времени эксплуатации. Благодаря использованию часов/ календаря реального времени срок службы низкотемпературной батареи составляет десятки лет, или практически неограниченное время. Вывод Vbat для активации RTCC не ограничивается применением в электросчетчиках. Многие приложения, в т.ч. термостат, могут использовать RTCC при перебоях в подаче электроэнергии или при замене батареи. Ожидается, что функция Vbat, обеспечивающая переключение резервное питание с помощью конденсатора или батареи, в дальнейшем избавит пользователей от досадного мигания источников света, возникающего при эксплуатации неисправных сетей питания.

В результате эволюции устройств в системах, чувствительных к потребляемой мощности, появились универсальные многофункциональные микроконтроллеры. Успехи в области производственных технологий и методов проектирования обеспечили создание 16-разрядных микроконтроллеров, у которых рабочие токи не превышают 150 мкА/МГц. Повышение гибкости МК было достигнуто за счет новых режимов малого энергопотребления, например Low-Voltage Sleep и Vbat, благодаря которым эти устройства получили распространение в более широком ряду приложений.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
TRIAL NEWS