Niski pobór mocy kluczem do rozwoju rynku urządzeń przenośnych

Od kilku lat na rynku elektroniki konsumpcyjnej dominują urządzenia przenośne. Wyznaczają one trendy i stanowią odpowiedź na wiele potrzeb konsumentów, którzy to, co jeszcze wczoraj mieli tylko w domu i pracy, dzisiaj chcą mieć zawsze ze sobą. Coraz mniejszy pobór mocy przez taki sprzęt pozwala stosować do zasilania akumulatory o mniejszych pojemnościach, co przekłada się na mniejsze wymiary i masę produktów. Konstruktorzy nieustannie żonglują pojemnością akumulatora i poborem mocy przez urządzenie tak, aby konieczność ładowania nie zachodziła częściej niż raz na kilka dni. Niewątpliwie jednak rzeczywisty cel tych wysiłków jest taki, aby w niedalekiej przyszłości pobór mocy był tak niewielki, aby wbudowana bateria wystarczyła na cały czas eksploatacji.

Bezprzewodowe czujniki systemu alarmowego lub domowy termostat to przykłady aplikacji, które już obecnie mogą zostać wykonane w taki sposób, aby spełnić warunek braku jakiejkolwiek konieczności wymiany baterii. Typowa 3-woltowa guzikowa bateria litowo-jonowa CR2025 charakteryzuje się pojemnością około 220mAh. Gdy zapewnimy, że dołączone urządzenie nie będzie pobierało średnio więcej niż 2,5µA, jej pojemność wystarczy na 10 lat pracy. Po tym okresie użytkownik prędzej wymieni termostat na nowy niż będzie zainteresowany wymianą baterii. zatem ograniczenie poboru prądu do wymienionej wartości pozwala zlikwidować wszechobecną klapkę pojemnika na baterie.

Osiągnięcie jeszcze mniejszego średniego poboru prądu - poniżej 1µA, jest możliwe za pomocą sterowania w urządzeniu stosunkiem czasu aktywnej pracy do czasu wyłączenia. Sprawdzenie stanu czujnika, wysłanie danych do systemu nadrzędnego zajmuje niewiele czasu, dlatego urządzenie może pozostawać przez 99% czasu w trybie uśpienia, wybudzając się na krótkie chwile aktywności.

Wiele z istniejących standardów, jak na przykład 802.11 wymaga, aby odbiornik przez cały czas był w stanie nasłuchu, co praktycznie wyklucza możliwość pracy urządzenia z krótkim czasem aktywności.

Spośród wielu czynności, jakie przykładowy termostat wykonuje w stanie aktywnym, najwięcej problemów sprawia realizacja transmisji danych. Przesyłanie danych zajmuje też jedno z najważniejszych miejsc w bilansie energetycznym takiego urządzenia i wielu podobnych aplikacji bazujących na bezprzewodowej łączności.

Z uwagi na powyższe założenia nie każdy protokół bezprzewodowej komunikacji nadaje się do takiej przerywanej pracy. Wiele z istniejących standardów, jak na przykład 802.11 wymaga, aby odbiornik przez cały czas był w stanie nasłuchu, co praktycznie wyklucza możliwość pracy urządzenia z krótkim czasem aktywności. Podobne problemy sprawia większość protokołów bezprzewodowych, łącznie z Zigbee i Z-Wave, dlatego w firmy zajmujące się tą tematyką, jak na przykład niemiecki EnOcean, bazują wyłącznie na własnych opracowaniach. Zasada działania tych protokołów opiera się na minimalizacji liczby pakietów kontrolnych i ograniczeniu do minimum narzutu danych wynikających z założeń protokołu. Istotne jest również zapewnienie prostej implementacji algorytmu tak, aby zajmował on mało pamięci, wymagał niewielkiej mocy obliczeniowej, co pozwala na użycie niewyszukanego mikrokontrolera. Prosty sterownik o niewielkiej ilości wbudowanej pamięci pobiera zwykle mniej prądu w stosunku do bardziej rozbudowanych wersji, dlatego warto ograniczać złożoność obliczeniową programu realizującego transmisję. Nie zawsze się to udaje, dlatego w takich przypadkach można rozważyć użycie wydajniejszego mikroprocesora, którego zużycie energii daje się z kolei ograniczyć przez obniżenie częstotliwości sygnału zegarowego. Działania takie pozwalają obniżyć średni pobór prądu poniżej 1µA nawet dla wydajnego układu Blackfin ADF7020 firmy Analog Devices.

Oprócz procesora

Poza mikrokontrolerem niskim poborem mocy muszą się charakteryzować wszystkie pozostałe obwody wchodzące w skład aplikacji, zwłaszcza te między sensorem a przetwornikiem analogowo-cyfrowym, które są odpowiedzialne za kondycjonowanie sygnału analogowego. Celem jest użycie takich podzespołów, które zapewnią wymagane parametry, jeśli chodzi o dokładność i wydajność urządzenia przy jednoczesnym jak najmniejszym zużyciu energii. Wiele parametrów definiujących wydajność wzmacniaczy operacyjnych stoi w sprzeczności z ograniczonym poborem mocy, przez co wybór jest na prawdę niełatwy. Szybkość zmiany napięcia na wyjściu (slew rate), współczynnik szumów, wydajność prądowa stopnia wyjściowego wzmacniaczy operacyjnych, to przykłady parametrów, które w dużym stopniu zależą od tego, ile prądu pobiera taki układ. Typowy wzmacniacz pobierający 1µA, jak LT1464 lub LT6005 firmy Linear Technology, charakteryzuje się współczynnikiem szumów 185nV/?Hz przy częstotliwości 1kHz, zaś „zwykły” wzmacniacz może mieć ten parametr na poziomie 10nV/?Hz. Zapanowanie nad większym szumem wymaga wiec dodania obwodów filtrujących, które z kolei nie mogą mieć dużych stałych czasu, ponieważ wydajność prądowa wyjścia niskomocowych wzmacniaczy operacyjnych nie pozwala na szybkie ładowanie takich dużych pojemności. Dlatego czasem warto przyjrzeć się czy na rynku nie są dostępne sensory niewymagające kondycjonowania sygnału wyjściowego, co uwalnia konstruktora od wielu problemów tego typu.

Innym rozwiązaniem tego problemu jest dwustopniowa realizacja wzmocnienia sygnału z czujnika. W pierwszym stopniu wzmocnienie ustala się niewielkie tak, że poziom napięcia wyjściowego dalej oscyluje na poziomie pojedynczych miliwoltów. Niewielkie napięcie wyjściowe pozwala na dokonanie koniecznych operacji filtrowania sygnału, bez niepotrzebnego ładowania i rozładowywania kondensatorów filtra, co przy dużym napięciu wyjściowym zwiększa znacznie pobór prądu. Odfiltrowany przebieg w pierwszym stopniu wzmacniacza jest następnie wzmacniany do pożądanej wielkości w drugim wzmacniaczu, pracującym w konwencjonalnym układzie rezystancyjnym (rys.1). Brak pojemności w tym stopniu ogranicza znacznie pobór prądu przez układ kondycjonowania.

Niewielki czas, kiedy układ pomiarowy czujnika jest aktywny powoduje, że wzmacniacz operacyjny przez większość okresu pomiarowego może zostać wyłączony. Dlatego do pracy w opisywanej aplikacji nie tylko należy wybierać układy charakteryzujące się minimalnym poborem prądu spoczynkowego, ale także takie, które mają wejście shutdown. Typowy pobór prądu w stanie aktywnym dla takich układów jak np. LT6005 wynosi 1µA, po zablokowaniu ta niewielka wartość obniża się aż do 0,01µA!

Wykorzystanie wejścia shutdown jest na pewno dobrym sposobem na ograniczenie poboru prądu przez wzmacniacz kondycjonujący, nie rozwiązuje jednak problemu zasilania czujnika. Zasilany czujnik przez cały czas jest źródłem niepotrzebnych strat mocy, dlatego inne rozwiązanie wykorzystuje dodatkowy tranzystor MOSFET za pomocą którego odcinane jest zasilanie dla wzmacniacza i czujnika (rys. 2). Nie ma sensu zasilać sensora przez cały czas, gdy np. dokonujemy 1 pomiaru na sekundę.

Ostatnią ważną kwestią jest takie skonstruowanie układu, aby w maksymalny sposób wykorzystać dostępną w baterii energię elektryczną. Małe litowo-jonowe baterie guzikowe mają początkowe napięcie wynoszące około 3V, ale nawet w stanie rozładowania, gdy napięcie na zaciskach obniży się do połowy początkowej wartości, bateria w dalszym stopniu jest w stanie dostarczać prąd. Dlatego dołączany układ powinien pracować w możliwie jak najszerszym zakresie napięć zasilania od początkowych 3V do 1,5V albo nawet mniej. Z tego powodu nie należy również stosować szeregowych stabilizatorów, tylko bezpośrednio zasilać układ z baterii, co jest najkorzystniejsze pod względem sprawności energetycznej układu.

Oprogramowanie też się liczy

Oprócz optymalizacji części sprzętowej urządzenia, wliczając w to wszystkie popularne techniki oszczędnościowe jak dynamiczna redukcja częstotliwości zegara i napięcia zasilania, w ogromnym stopniu do bilansu mocy liczy się także konstrukcja oprogramowania. Dotychczasowe doświadczenie w obniżaniu poboru mocy przez producentów kalkulatorów mówi, że najlepiej konstrukcję programu oprzeć na obsłudze wydarzeń, między którymi praca procesora jest wygaszana. Odebranie danej, przekroczenie wartości progowej przez sygnał pomiarowy lub naciśnięcie klawisza wyzwala przerwanie i budzi wtedy procesor na krótką chwilę potrzebną do aktualizacji stanu. Aby chwila ta była jak najkrótsza warto użyć procesora o jak najdłuższej szynie danych, 16-bitowego lub nawet 32-bitowego, co pozwala w jednym słowie zmieścić zarówno rozkaz jak i operandy. Procesory takie większość instrukcji wykonują w 1 cyklu, co jest korzystne, gdyż dynamiczny pobór mocy przez układ jest proporcjonalny do liczby taktów zegara, w jakich wykonuje się program.

Dotychczasowe doświadczenie w obniżaniu poboru mocy przez producentów kalkulatorów mówi, że najlepiej konstrukcję programu oprzeć na obsłudze wydarzeń, między którymi praca procesora jest wygaszana.

Im bardziej zwarty kod programu tym lepiej, gdyż im mniejsza pamięć programu zawarta w strukturze, tym pobór prądu przez układ jest mniejszy. To samo dotyczy innych układów peryferyjnych, których powinno być dokładnie tyle ile potrzeba. Obsługa pamięci powinna zapewniać podział na banki – zamiast jednego dużego układu można próbować użyć dwóch układów, z których jeden wykorzysta się do przechowywania danych rzadko zmienianych.

Kod programu powinien również zostać zoptymalizowany pod kątem redukcji ilości przesyłanych danych między światem zewnętrznym a procesorem. Zamiast pustych cykli oczekiwania należy stosować timery generujące przerwania co jest korzystniejsze dla działania sprzętowych układów zarządzania mocą.

Więcej niż 10 lat pracy

W niektórych zastosowaniach przykładowy 10-letni czas pracy urządzenia może wydawać się niektórym konstruktorom mimo wszystko zbyt krótki. Bateria litowa może dla niektórych aplikacji być również zbyt duża, dlatego oprócz minimalizacji poboru mocy przez układ elektroniczny równolegle poszukuje się efektywnych i niekoniecznie tradycyjnych źródeł zasilania.

Ocenia się, że około 80% kosztów instalacji czujników w warunkach domowych lub przemysłowych przypada na okablowanie i zapewnienie zasilania, dlatego mimo, że niekonwencjonalne sposoby pozyskania energii zasilającej są niewątpliwie droższe, w ogólnym rozliczeniu i tak sumaryczny koszt instalacji jest niższy.

Najbardziej popularne jest wbudowanie w obudowę urządzenia ogniwa słonecznego. Takie panele o niewielkiej mocy, podobne do tych, jakie używa się w kalkulatorach nie są drogie, a zapewniają sprawność przetwarzania energii od 11 do 16%, co pozwala zapewnić za ich pomocą dodatkowe zasilanie nawet przy umiarkowanym poziomie oświetlenia, jaki jest wewnątrz budynków. Do magazynowania pozyskanej energii najlepiej użyć superkondensatora. Koszt panelu z polikrystalicznego krzemu o wysokiej wydajności i dużej trwałości, o wymiarach 50x10mm, wynosi około 3 dolarów. Taki sam element z krzemu amorficznego, mniej trwałego używanego do zasilania kalkulatorów, tylko 25 centów. Pierwsza wersja charakteryzuje się efektywnym działaniem już przy oświetleniu 50-75 luksów, druga 200-500 luksów. Jasność 50 luksów odpowiada poziomowi oświetlenia na klatce schodowej lub poddaszu, co jest dowodem, że realizacja dodatkowego zasilania z panelu słonecznego jest realna. Napięcie wyjściowe czterosekcyjnych paneli słonecznych waha się od 1,5 do 2V w zależności od oświetlenia, co jest wartością umożliwiającą proste przetwarzanie za pomocą wielu układów konwerterów DC-DC dostępnych na rynku.

Dodatkowe informacje: www.perpetuum.co.uk – strona producenta mikrogeneratorów wibracyjnych www.enocean.com – strona producenta generatorów i urządzeń niskomocowych

W miejscach, gdzie jest niewiele światła można spróbować skorzystać z energii drgań mechanicznych. Zasilacze tego typu wykorzystują element piezoelektryczny w postaci dźwigni z dodaną masą drgającą na końcu lub cewkę z umieszczonym w jej zasięgu niewielkim magnesem, który drgając wzbudza w niej napięcie. Nawet, gdy masa drgająca wynosi od 0,1 do 0,5g, taki element jest w stanie dostarczyć od 1 do 3mW mocy. Energia taka jest wystarczająca do zasilania np. zegara stojącego na lodówce. Koszt generatorów wibracyjnych produkowanych na przykład przez brytyjską firmę Perpetuum jest jeszcze stosunkowo wysoki i wynosi około 30 dolarów, ale w przyszłości na pewno będzie to znacznie mniej. Obiecujące jest wykorzystanie w przyszłości do tego celu układów MEMS, które nie tylko mają szanse obniżyć ceny tych rozwiązań, ale również zminiaturyzować je na tyle, aby zapewnić integrację taką jak innych komponentów elektronicznych.

Dodatkowa energia zasilająca może być pobierana również za pomocą generatora termoelektrycznego, mikrofonogłośnika przetwarzającego hałas panujący na hali produkcyjnej i wielu innych podobnych sposobów. Nie są to wydajne źródła, ale zapotrzebowanie energetyczne nowoczesnych urządzeń szybko się zmniejsza.

Robert Magdziak