הספק נמוך נחשב לעתים קרובות לתכונה עיקרית של מוצר ירוק, אולם האופי של ההספק הנמוך מוסבר או מכומת רק לעתים רחוקות. על-פי היישום והצורה בה ישמש המיקרו-בקר (microcontroller – (MCU ביישום, הדרישות עבור מיקרו-בקר בעל הספק נמוך ישתנו. השימושים ניתנים לסיווג לשלושה תחומים עיקריים:
מוד (mode) ההספק המזערי – דבר זה ישמש ביישום דוגמת תרמוסטאט מוזן-סוללה. מוד ההספק המזערי מגדיר את הרמה הנמוכה ביותר של הספק הזמינה לשם הזנת תצוגת ה-LCD. צמצום זה בהספק גורם לחיי סוללה ארוכים יותר.
זרם פעיל נצרך – עבור יישומים כגון מוני זרם חשמלי, הרמה והאופי של ההספק הנמוך מתייחסים לזרם הפעיל הנצרך על-ידי המערכת במהלך הפעלתה.
יישומים מיוחדים-בזמן – אלה מערכות הדורשות שמירה על התאריך והשעה, ללא קשר לקיום ספק הכוח הראשוני של המערכת, דוגמת מונה חשמלי בשעת ניתוק הכוח.
ככל שדרישות היישום מתרחבות, המתכננים מחפשים
MCUs בעלי מודי הספק עוד יותר גמישים כדי להתאימם להפעלת המערכת הספציפית.
בעבר, ל- MCUs היה מוד פעיל המאפשר הפעלת המערכת; מודי סרק (idle) ותנומה (doze) כדי להקטין או לבטל את הספק המיתוג של ה-CPU תוך המשך הפעלת הציוד ההיקפי; ומוד שינה (sleep) המאפשר פעולה היקפית מוגבלת תוך צריכת הספק מזערית. מספר מודים חדשים בעלי הספק-נמוך נוספו כדי להגדיל את הגמישות של MCUs מתקדמים לקראת תהליכי סיליקון מתקדמים יותר הממזערים את העלות ומקטינים את הזרם הפעיל. כדי להוכיח חלק ממודי הפעולה הזמינים ב-MCUs מתקדמים של היום, מאמר זה יבחן כיצד מודי פעולה חדשים בעלי-הספק נמוך אלה משמשים במגוון יישומים.
כל דוגמה תיווצר בעזרת כלי תוכנה
BatteryLifeEstimator ו16MCU6- ביט כדי לספק השוואה בין מודי ההספק השונים בשעה שהם מיושמים ביישומים שונים. ה-BLE של Microchip הוא כלי תוכנה חופשי המאפשר למתכנן להעריך את חיי הסוללה של המערכת שלהם ולקבוע איזה ממודי הפעולה הקיימים מתאים ביותר ליישום שלהם. הפונקציונליות של משפחת ה-MCUsPIC24FJ128GA319 כוללת מספר מודים להספק נמוך חדשים ומזין תצוגת LCD, כמודגם בדוגמאות הבאות.
תרמוסטאטים הפכו למורכבים יותר, וזקוקים להציג מידע נוסף ולכסות אזורים מרובים. כתוצאה, כמויות משמעותיות של זיכרון תכנית הבזק על-השבב דרושות לעתים קרובות כדי לאכסן תפריטים מורכבים בשפות מרובות.
ככלל, דרושים תהליכים מתקדמים כדי ליצור
MCUs בעלי זיכרון גדול במחירים תחרותיים. עם התקדמות תהליכי המוליכים למחצה, מסתמנת הפחתה בזרם הפעיל והגדלה בזרם הזליגה של הטרנזיסטור. ההגדלה בזרם הזליגה בולטת יותר במפרטי הזרם עבור מודים להספק נמוך, דוגמת מוד השינה. זרמי השינה ב-MCUs מתקדמים הם לרוב בתחום ה-3 עד ftA5, בשעה שיישום תרמוסטאט כמעט רק מזין תצוגת LCD מקוטעת במהלך רוב הזמן. תצוגת ה-LCD המקוטעת מוזנת לרוב במוד שינה המאפשר לציוד ההיקפי – במקרה זה מזין ה-LCD לפעול בשעה שה-CPU ורוב הציוד ההיקפי מוזנים בהספק מופחת. התרמוסטאט יתעורר באופן מחזורי ויעבור למוד פעיל – קריאת הטמפרטורה, עדכון התצוגה ואולי איתות לתנור, למאוורר או ליחידות ה-AC להידלק. מאחר ש-99% מהזמן דרוש רק מוד שינה, זרם השינה הוא אזור בו ניתן לרשום שיפור משמעותי של חיי הסוללה של המערכת.
כדי לצייד
MCUs במוד הספק subftA, יצרנים רבים הכניסו מודי DeepSleep חדשים בהספק נמוך. זרמי DeepSleep טיפוסיים הם בתחום 10 עד 50 ננו-אמפר, והתקנים אלה יכולים להריץ RealTime RTCC בתוספת זרם של 400 ננו-אמפר. אופציה אחת היא לכבות את כל ההתקן – מלבד כמות קטנה של זיכרון, שעון זמן-אמת ואולי WatchDogTimer – כדי להשיג זרמים נמוכים ביותר. אולם, מודי DeepSleep אלה אינם מאפשרים הפעלת ציוד היקפי או שמירה של RAM נתונים על ההתקן. ההפסד של תוכן ה-RAM דורש שההתקן יבצע רוטינת פעולה-מחדש לפני המשך ביצוע התכנית, כאשר מתעוררים מהשינה העמוקה (DeepSleep).
ניתן למצוא חלופה במודי הספק נמוך חדשים, דוגמת מוד ה-
Low–VoltageSleep אשר שומר על RAM הנתונים של ההתקן בזרם בסיס טיפוסי של 330 ננו-אמפר ומאפשר הפעלת ציוד היקפי נוסף בעל הספק נמוך. מוד Low – VoltageSleep זה שומר על ה-RAM של ההתקן ומקטין את זרם השינה על-ידי הקטנת המוצא של הווסת על-השבב של ההתקן. על-ידי הקטנת מתח ההזנה אל הלוגיקה של ההתקן, והגבלת הציוד ההיקפי הפעיל, ניתן להקטין את זרם השינה של ה-MCU מ-3.7ftA ל-. כתת-מערכת של מוד השינה של ה-MCU, ניתן להפעיל ציוד היקפי דוגמת מזיני LCD, קוצבי-זמן ו-RTCC בעזרת זרם מזערי נוסף. מוד ה-Low–VoltageSleep מאפשר להתקן לשוב למצב פעיל תוך פחות ממחצית הזמן של התעוררות משינה עמוקה. ההתקן מתחיל אז בביצוע ההוראה הבאה, במקום להתחיל מרצף ההתחלה-מחדש הדרוש לרוב על-ידי יציאה משינה עמוקה.
כמתואר באיור 1, המסך הראשי של כלי הערכת חיי הסוללה מציג את ה-
MCU ומודי מתח ההפעלה, הסוללה ומודי ההפעלה. התוצאה של דגם התרמוסטאט היא חיים מוערכים ל-11 שנים, 88 יום.
כלי ה-
BLE קובע את הזמן שמיקרו-בקר יצרוך בכל מוד פעולה וכמה הספק יצרוך ההתקן בכל מוד. איור 1 מראה את תצוגת המוצא של ה-BLE, המשמש לקביעת מספר פרמטרי-מפתח של המערכת ומספק את הערכת הזמן הנובעת ואת הזרם הממוצע של המערכת. ראשית, בוחרים את ה-MCU ואת מתח הפעולה של המערכת. דבר זה מאפשר למעריך חיי הסוללה (BLE) להכניס את פרמטרי המפרט המתאימים. סוללה או זוג סוללות נבחרים אז – במקרה זה 2 סוללות אלקליין AAA. מתח ההפעלה הצפוי של המערכת וטמפרטורת הפעולה ניתנים גם לבחירה, לשם שימוש במפרט המתאים ביותר בדגם הערכת חיי הסוללה. לבסוף, מודי הפעולה אשר ישמשו במערכת נקבעים. במקרה של התרמוסטאט שלנו, שני מודים יהיו בשימוש.
כדי להציג את הזמן שבו התרמוסטאט מציג רק את מסך ה-
LCD, נוצר מוד הפעלה בשם “DisplayLCD“. מוד ההפעלה זה משתמש במוד ה-Low–VoltageSleep כדי לספק את המוד בעל ההספק הנמוך ביותר ממנו ניתן להזין את ה-LCD. כלי ההערכה של חיי הסוללה נקבע במוד Low–VoltageSleep למשך 29.5 שניות מתוך הלולאה של 30 שניות המשמשת לעיצוב חיי הפעולה של ההתקן. מוד הפעלה UpdateTemp ו-LCD שני משמש לקביעת הזמן הדרוש ל-MCU כדי לנטר את הטמפרטורה, לעדכן את מסך ה-LCD ולתקשר עם יחידות ה-HVAC.
המוד החדש של
Low–VoltageSleep ומימוש מוד הפעלה בכלי ה-BLE מוצג באיור2 מסך ה-Add/ModifyMode. ממסך זה, המתכנן יכול לכוון את הקבועים עבור משך הפעולה, הנקבע לרוב ל-29.5 שניות. בעזרת השימוש בתיבת הנתונים AdditionalSystemCurrent, המתכננים יכולים להוסיף צריכת זרם משוערת עבור הזרמים העוטפים את ה-MCU. במקרה זה, נוסף 4ftA של זרם מערכת, המציג את הזרם הנצרך על-ידי תצוגת ה-LCD, ונוסף עוד 1ftA של זרם לשם הצגת הזרם הדרוש עבור נגדי הממתח הפנימיים של ה-LCD. בהמשך, נבחר מוד ההספק, במקרה זה Low–VoltageSleep, והציוד ההיקפי הדרוש. כדי לספק דגם מדויק של זרם המערכת, נבחרו הזנת
ה-LCD ,BOR ,WDT ו-RTCC. סך זרם המערכת הנצרך על-ידי ה-MCU בעצמו הוא
1.88ftA, המתווסף לזרם המערכת שלנו של
5ftA כדי להגיע ל-6.88ftA הדרושים על-ידי המערכת הנמצאת במוד Low–VoltageSleep.
כמתואר באיור 2, מסך העריכה של מעריך חיי הסוללה מאפשר למתכנן להגדיר ולפרט את התנאים של כל מוד הספק בשימוש.
המסך הראשי
BLE מראה שממוצע של 6.88ftA נצרך כאשר ההתקן נמצא במוד Low–VoltageSleep ומעט מעל 327ftA נצרכים במשך הזמן הקצר כאשר ההתקן נמצא במצב פעיל, עבור זרם ממוצע של פחות מ-6.9ftA. זמן חיי הסוללה המוערך עבור המערכת הוא כמעט 12 שנה, או כמעט 5 שנים מעל זמן האכסון של הסוללות. ניתוח דומה המשתמש במוד השינה במקום מוד ה-Low–voltageSleep מוצג באיור 3, ומקנה זרם ממוצע של כ-10.5ftA וקיצור של שלוש שנים מחיי הסוללה.
כמתואר באיור 3, הערכת חיי הסוללה המבוססת על מוד השינה מראה קיצור של 3 שנים בחיי הסוללה, בשימוש במוד שינה תקני.
שימוש מנוגד עבור
MCU הוא מערכת אשר תצרוך מרבית זמנה במוד פעיל, דוגמת מוני חשמל. מוני החשמל נמצאים כיום במשך כל זמנם באחד משני מצבים. מוד הפעולה הרגיל קורה כאשר ההספק החשמלי זמין. במוד הפעלה “רגיל” זה, ה-MCU הוא פעיל ומודד ברציפות את המתח והזרם, ומחשב את ההספק הנצרך דרך המונה. המונה יכול גם לדווח על שיבוש פוטנציאלי, תוך הזנה של תצוגת LCD, ולתקשר פוטנציאלית עם תשתית קריאת-המונה.
כאשר מונה החשמל פועל, נראה שההספק הוא גבוה. במציאות, ההספק הוא המוצר המסופק על-ידי ההתקן החשמלי – הלקוח הסופי של יצרן המונה. יצרן המכשיר החשמלי מספק הספק למיליוני לקוחות ואפילו משיכת הספק קטנה היא יקרה מבחינת תקציב חברת ההספק. למעשה, רוב המונים צריכים לפעול בתקציב פחות מ-10
VA, אשר נקבע על-ידי ה-IEC. כאשר מביאים בחשבון שינויים אפשריים בקו, אפיצויות הרכיבים ומגבלות תכנון המערכת, התוצאה הסופית היא מאזן זרם של כ-10 מילי-אמפר עבור MCU במערכת, כאשר משתמשים בספק כוח קיבולי.
חלק ממוני החשמל הזולים של היום משתמשים ב8
MCUs8- ביט הצורכים לרוב מעל 10 מילי-אמפר, כאשר הם מופעלים במהירות מרבית במוד פעיל. כדי לשמור על גבולות תקציב ההספק של המערכת, מתכננים נדרשים לעתים להפעיל את ה-MCU בתדר מופחת. רבים מה-MCUs -16ביט של היום מנצלים את התהליכים המתקדמים ואת טכניקות התכנון כדי לספק זרמי פעולה נמוכים עד 150ftA/MHz, ויכולים לפעול במלוא 16 ה-MIPS תוך צריכה של עד 9 מילי-אמפר. זרם ההפעלה המוקטן מספק למתכנן את הבחירה בין הפחתת מהירות ההפעלה של ה-MCU כדי להנמיך את צריכת ההספק של המערכת, או להוסיף פונקציות נוספות תוך שמירת המערכת בתוך גבולות התקציב הנדרשים.
מאחר שמוני החשמל נמצאים רוב הזמן במצב פעיל, הם גם מהווים דוגמה של יישום המסוגל לנצל יתרון של אחד המודים בעלי ההספק הנמוך ביותר –
Vbat. הפונקציונליות של Vbat כוללת פין מיוחד המסופק עם מקור הספק לגיבוי, דוגמת סוללת LTC או קבל-על. כאשר ההספק הראשוני של המערכת נופל, כמו במהלך ניתוק הכוח, ההספק של ה-RTCC מועבר אוטומטית אל פין הגיבוי Vbat. ה-RTCC חשוב במונה הספק במשך נפילת הספק, מאחר שהחיוב עבור זמן השימוש הופך ליותר ויותר מקובל. כאשר הוא פועל באמצעות Vbat, ה-RTCC מאפשר חיים של עשרות שנים של סוללת ה-LTC, דבר המאפשר הפעלת גיבוי ההספק כמעט בלי סוף. השימוש של פונקציונליות ה-Vbat עם ה-RTCC איננו מוגבל למוני הספק. יישומים רבים, כולל התרמוסטאט הנדון לעיל, יכולים להשתמש ב-RTCC כדי לשמור על הזמן במהלך כשל-כוח או החלפת הסוללה. Vbat, עם קבל או סוללה, יכול לתפקד זמן ממושך לשם ביטול האורות המהבהבים המעצבנים הנוצרים עקב נפילת הספק.
ההתפתחות של
MCUs בעלי הספק נמוך בעולם ער-להספק הובילה ל-MCUs לשימוש כללי גמישים ביותר. התקדמויות בטכנולוגיית התהליכים וטכניקות התכנון הובילו ל-616MCUs ביט בעלי זרמים פעילים נמוכים עד כדי 150ftA/MHz. מודים חדשים בעלי הספק נמוך אלה הוסיפו גמישות לשרשרת ניהול ההספק, כגון Low–VoltageSleep ו-Vbat, והם מאפשרים ל-MCUs לשימוש כללי לפעול במגוון רחב של יישומים. התוצאה היא שלמתכננים יש גישה למיקרו-בקרים חזקים וגמישים אשר יאפשרו יישומים יותר יעילים לאנרגיה וידידותיים למשתמש.
דונאלד שניידר הינו מנהל שיווק מוצרים במיקרוצ’יפ טכנולוגיות.
הכתבה באדיבות Microchip Technology Inc.
Donald Schneider, Microchip Technology Inc.
