Aplicatii limitate in energie

Abordarea aplicaţiilor limitate de energie
Industria nu işi mai poate permite performanţă la orice preţ, pe măsură ce scăderea bugetelor pentru energie dictează o nouă abordare la proiectarea aplicaţiilor portabile şi alimentate de baterii.


Una dintre beneficiile inerente ale tehnologiei CMOS este faptul că aceasta consumă energie numai in stare de incărcare, care ii 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 cat acestea răman mai mult inactive, cu atat mai mic este consumul energetic.
Deşi acest lucru este adevărat in teorie, realitatea este că fiecare tranzistor dintr-un circuit digital integrat contribuie cu cantităţi mici de pierderi de curent: energia care se pierde cand 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 intalnit pierderi de curent incă de la inceputuri, dar raportat la puterea activă acestea au rămas pană acum mai mult un inconvenient decat o constrangere 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 in continuă creştere, iar consumul energetic este acum fundamental in 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 cat o singură incărcare.
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 in 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 inchidere centrală la distanţă, sisteme de deschidere a uşilor sau dispozitive de localizare a bunurilor de valoare. In aceste aplicaţii nu există un buton on/off şi alimentarea poate fi disponibilă numai in forma unei singure incărcări, totuşi dispozitivul trebuie să opereze pentru mii de ore - poate chiar zeci de ani - pentru a răspunde cerinţelor de proiectare.
In mod normal, pentru a realiza ani de serviciu pe o singură baterie, dispozitivele petrec marea majoritate a timpului lor in modul de aşteptare. Spre deosebire de aplicaţiile care sunt proiectate să fie oprite cand 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 constrangerilor energetice de consum in timpul modului de aşteptare. Orice circuit electronic se poate apropia de ani de utilizare de la o singură incărcare numai prin reducerea consumului energetic in modul de aşteptare.
Majoritatea microcontrolerelor (MCU) de uz general - deşi proiectate pentru consum redus cand funcţionează - nu sunt capabile să atingă consumul de energie in 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 cand este in 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 incărcare a bateriei.
Inovaţia este denumită tehnologia nanoWatt XLP (Extreme Low Power) şi a fost introdusă in cele mai recente adiţii ale Microchip la familiile de MCU-uri PIC 8-bit şi 16-bit. Aceasta incorporează trei dezvoltări importante: o arhitectură de putere extrem de scăzută; pentru produse de complexitate mai ridicată, un mod de aşteptare Deep Sleep şi cateva periferice de putere extrem de scăzută pentru activări periodice - toate acestea funcţionand coroborate pentru a aduce o performanţă mai mare la aplicaţiile cu restricţii energetice.
Tehnologia nanoWatt XLP are implicaţii pană la nivelul tranzistorului, combinand tehnici recunoscute de putere scăzută - cum sunt tensiunile de prag variabile - impreună cu metodologii de porţi energetice, care elimină fizic energia din mari părţi din circuitul integrat, cand aceasta nu este necesară. Prin eliminarea fizică a energiei, mii de tranzistoare care ar contribui in mod normal la pierderile de curent sunt izolate electric, micşorand drastic curentul consumat in modul de aşteptare. Rezultatul este un MCU care consumă mai puţin de 20nA cand este in modul Deep Sleep; semnificativ mai scăzut decat 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 utilizand metodologiile pentru putere extrem de scăzută descrise mai sus, inginerii de la Microchip au implementat eficient cele mai importante elemente ale structurii MCU in arhitectura cu consumul energetic cel mai scăzut din industrie. Atat WDT cat 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, permiţand acestor dispozitive să opereze pentru zeci de ani de la o singură incărcare a bateriei.
Cand dispozitivul intră in modul Deep Sleep, alimentarea este inlăturată de la aproape toate perifericele MCU-ului, cat şi de la majoritatea registrelor, dar circuitele RTCC şi WDT răman active. Acest lucru inseamnă că, deşi ieşirea din Deep Sleep este in mod eficient un reset power-on pentru o mare parte a dispozitivului, puterea statică este practic eradicată, in timp ce aceste circuite care răman active sunt implementate utilizand cele mai importante tehnici de proiectare de putere scăzută din industrie. Ieşirea din Deep Sleep poate fi iniţializată fie prin WDT sau RTCC pentru intreruperi ale rutinelor de serviciu programate, sau Deep Sleep Brownout Reset sau INT0 in 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 in acest mod - poate avea un nivel de cateva sute de microsecunde. Aplicaţiile ţintă vor petrece in mod normal mult mai mult de o secundă inactive in orice perioadă. Este probabil să existe cateva minute de activitate, deşi WDT este capabil să opereze pană la 19 zile fără resetare şi RTCC poate fi configurat să funcţioneze un an intreg in mod Deep Sleep inaintea activării dispozitivului.