Введение в маломощный встроенный дизайн
Низкое энергопотребление стало важной целью проектирования во многих электронных системах. В этой статье представлены основные понятия и методы.
В этой статье мы рассмотрим некоторые основополагающие сведения, касающиеся минимизации потребления энергии в встроенных системах на базе микроконтроллеров. Затем в будущей статье будут обсуждаться конкретные функции микроконтроллера и способы их использования для продления срока службы батареи.
Как видно из предыдущего предложения, неустанное стремление к снижению энергопотребления связано с неизбежными ограничениями батареи. Разумеется, нет ничего плохого в повышении энергоэффективности схемы, которая питается от настенной розетки, но трудно получить мотивацию, когда вы знаете, что мощность, требуемая небольшим электронным устройством, настолько мала по сравнению с потребностью в оборудовании или обширной внутренней осветительные приборы.
Когда продукт сконструирован в основном для питания от батареи, все меняется. Маленькие батареи хранят очень ограниченное количество энергии, однако потребители хотят иметь высокопроизводительные (чистые «мощные») устройства, которые очень компактны («слишком малы для батареи хорошего размера»), и их не нужно перезаряжать каждые двадцать минут. Что дизайнер должен делать «делать больше с меньшими затратами», т. Е. Добиваться желаемой функциональности, сводя к минимуму количество электронов, которые должны перемещаться с одной стороны батареи на другую.
Первые шаги
Прежде чем мы пойдем дальше, нам нужно убедиться, что все на одной странице по терминологии.
- Ток: это скорость, с которой электрический заряд протекает через проводник (или полупроводник). Стандартная единица - это амперы, которые определяются как кулоны (единица заряда) в секунду.
- Энергия: это слово относится к таинственному «свойству», которое передается в процессе совершения чего-либо (например, повышение температуры, физическое движение, генерация света). Аккумулятор хранит химическую энергию, которая может быть преобразована в электрическую энергию для использования схемой. Стандартная единица энергии равна джоулям.
- Сила: в научном контексте сила - это скорость, с которой энергия преобразуется из одной формы в другую (например, от электрической энергии до тепла или от электрической энергии до электромагнитного излучения). Единица представляет собой ватты, которые определяются как джоули в секунду.
Заряд, энергия, мощность, ток.,,
Обычно мы обсуждаем схемы с точки зрения тока и мощности, и мы обсуждаем батареи в терминах заряда или энергии. Например, можно сказать, что конкретный ОУ потребляет 1 мА тока питания; однако это неполная информация, если ток питания зависит от напряжения питания. Спецификация мощности включает обе эти величины, поскольку электрическая мощность рассчитывается как напряжение тока.
Емкость батареи для поддержания функциональности электронной схемы выражается в ампер-часах (или обычно миллиамперных часов, сокращенно мАч). Технически это единица заряда:
$$ amperes \ cdot hour = \ frac {coulombs} {second} cdot3600 \ seconds = 3600 \ coulombs $$
Таким образом, если для цепи требуется ток 1 мА (= 0, 001 кулонов в секунду), аккумулятор 1 мАч (= 3, 6 кулонов) может поддерживать эту схему на 3600 (= 3, 6 / 0, 001) секунды, также известную как один час.
Приятно осознавать, что мАч не является единицей энергии, хотя мы могли бы подумать об этом как об общем показателе того, сколько полной электрической энергии может дать данная батарея до того, как она будет сброшена или перезаряжена.
Фактическая энергетическая емкость батареи зависит от того, сколько энергии может быть поставлено на время, когда мощность рассчитывается как ток, подаваемый батареей, умноженный на напряжение на клеммах аккумулятора. (Это не простой расчет, потому что напряжение уменьшается при разряде батареи.) Хотя стандартная научная единица энергии (и, следовательно, для энергетической емкости) равна джоулям, мы можем выражать джоули в более удобных и интуитивных формах, таких как мВт · ч.
Цифровой, аналоговый и пассивный
Мы можем начать анализировать требования к мощности данной схемы, рассматривая способы, с помощью которых различные типы компонентов способствуют общему потреблению тока.
цифровой
Следующее хорошо известное уравнение используется для прогнозирования рассеивания мощности одного CMOS-инвертора:
$$ P = fCV_ {DD} ^ 2 $$
На самом деле, это просто динамическая рассеиваемая мощность. Исторически технология CMOS обеспечивает очень низкую рассеивание статической мощности, но это несколько меняется, поскольку, поскольку FETs сжимаются, ток статической утечки становится более значительным. Тем не менее, мы сосредоточимся на динамическом рассеивании мощности, поскольку разработчик платы может не так много сделать, чтобы уменьшить рассеивание статической мощности.
Вспышка тока протекает каждый раз, когда вход переходит от высокого к низкому или от низкого к высокому
В любом случае приведенное выше уравнение указывает, что динамическая рассеиваемая мощность в схемах CMOS зависит от частоты переключения (f), емкости нагрузки (C) и V DD. Мы не можем много сделать для внутренних нагрузочных емкостей IC, но у нас есть некоторый контроль частоты и V DD. Действительно, эти две величины - это место, которое нужно начинать, пытаясь устранить ненужное энергопотребление: уменьшить тактовые частоты, уменьшить напряжение питания. И фактически, использование более низкого напряжения питания также уменьшит рассеивание статической мощности, но влияние на динамическое рассеивание мощности более выражено.
аналоговый
Нет простой, удобной формулы, которую вы можете применить к аналоговым (и смешанным) ИС, но хорошая таблица данных должна иметь много информации о рассеивании мощности. Важно понять, что вы не можете просто взглянуть на первую страницу таблицы, чтобы точно определить потребление тока устройством.
Например, на первой странице таблицы для операционного усилителя AD8538 говорится: «Низкий ток питания: 180 мкА». Это дает вам общее представление о том, что хорошо, но реальная информация отсутствует среди «типичных характеристик производительности»:
Здесь мы видим, что на ток питания влияют как напряжение питания, так и температура. (Credit to Analog Devices для обеспечения наихудшего потребления тока на стр. 1.)
Хотя в целом вы можете ожидать, что более высокие напряжения питания и более высокие частоты приведут к более высокому потреблению тока (как и для цифровых ИС), вы должны проверить техническое описание, чтобы получить детали.
Пассивы
Я не буду останавливаться на отношениях между пассивными компонентами, которые не являются точно эзотерическими знаниями. Кроме того, современные встроенные системы часто не имеют большого количества пассивов - здесь развязывающий конденсатор, пары резисторов усиления, возможно, ферритовый борт на линии электропередач.
Однако полезно развить понимание ситуаций, при которых пассивный компонент может извлекать значительные объемы тока. Вот два примера:
Вытяжные (или выталкивающие) резисторы: если у вас есть подтяжка 1 кОм в системе 3, 3 В, этот резистор выводит 3, 3 мА всякий раз, когда соответствующий сигнал подается на логическую низкую - и 3, 3 мА для одного резистора серьезный ток в возрасте, когда сложные микроконтроллеры, работающие на низкой скорости, тянут менее 1 мА.
Здесь можно использовать нетривиальный ток, если ваша шина I2C часто активна, и вы используете резисторы с низким значением, чтобы обеспечить более высокую частоту связи
Разделители напряжения: предположим, вы используете резистивный делитель напряжения, чтобы уменьшить амплитуду напряжения питания, чтобы вы могли контролировать это напряжение с помощью АЦП. Здесь у вас есть резистивный путь от V DD до земли, который активен все время (в отличие от прерывистого пути, связанного с подтягивающим резистором). Помните, что при выборе значений резисторов учитывайте свои цели потребления энергии.
Вывод
В этой статье мы рассмотрели общие соображения, касающиеся энергопотребления в контексте встроенных устройств на базе микроконтроллеров. В следующей статье мы сосредоточимся на дружественных аккумуляторах методах, характерных только для самого микроконтроллера.