מבוא
התקנים המופעלים באמצעות סוללה קיימים כבר זמן רב. אך מאז השקת הטלפונים הסלולריים, מספר ההתקנים המופעלים באמצעות סוללה נטענת גדל מעריכית על פני שני עשורים. נכון ל-2018, עשרות אלפי דגמים של טלפונים סלולאריים, מחשבי לוח, מחשבים נשאים ועוד משתמשים בסוללות מבוססות ליתיום.
היבט חשוב מאוד עבור כל ההתקנים הניידים הוא צריכת החשמל. מפתחי חומרה נוטים להתמקד יותר ויותר ביישומים עם צריכת חשמל נמוכה, תוך הגברת יכולות והפחתת עלות וגודל. מפתחי תוכנה רוצים גם להקטין את צריכת החשמל בעזרת מחקר ופיתוח של גישות חדשות, הלוקחות בחשבון את צריכת החשמל, לאלגוריתמים ישנים. זה יכול להיות בתחום מערכות ההפעלה (קרי דרך תזמון המודע לאנרגיה) וגם דרך נושאים חדשים כגון למידת מכונה. הספק הוא צריכת אנרגיה על פני הזמן. כפי שמתואר ב-משוואה 1, באלקטרוניקה הספק הוא מכפלת המתח בזרם. יחידת המידה שלו היא הוואט, המייצג ג’אול לשנייה.
אנרגיה היא מכפלת ההספק בזמן. זה מה שמעגלים צורכים ומה שסוללות צוברות. ניהול הספק פירושו בדרך כלל ניהול זרמים ומתחים רגעיים, כדי לעמוד ביכולות הובלה של הספק ותנאי עומס. ניטור צריכת האנרגיה בדרך כלל נותן מידע על צריכת האנרגיה, כדי לעזור למפתחים ניהול סוללות והשוואת ביצועים כוללנית של הספק. ניהול אנרגיה פעיל מתרחש כאשר האנרגיה מנוטרת על ידי תוכנה שנבנתה במיוחד כדי לבצע פעולות על סמך עומסים מסוימים.
ניהול אנרגיה פעיל ניתן לעשות אוטומטית, על סמך הגדרות שהוגדרו מראש, או באופן ידני באתחול התוכנה, כדי לתת הצעות והמלצות מסוימות למשתמש. לדוגמה, כאשר רוב המחשביים הנשאים מופעלים על סוללה במקום זרם חליפין, ביצועי המעבד עשויים להיות מופחתים אוטומטית והגרפיקה עשויה לעבור למעבד הגרפי המשולב אשר צריכת החשמל שלו נמוכה יותר, עם ביצועים פחותים לעומת הייעודי. ייתכן כי חלק מהציוד ההיקפי של המחשב הנייד ינותק כדי להעריך את חיי הסוללה, או שהמשתמש עשוי לקבל הודעות המציעות לו להפחית את בהירות המסך או את התאורה האחורית של המקלדת. לרוב הטלפונים החכמים יש אפשרויות חיסכון באנרגיה המוצעות על ידי תוכנת ניהול האנרגיה הפעילה כאשר הסוללה יורדת אל מתחת לרמה מסוימת. זה כולל כיבוי חלק מחיבורי אינטרנט הפעילים, הפחתת בהירות המסך ועוד.
עם זאת, הדוגמאות לא מצטמצמות להתקנים המופעלים באמצעות סוללה. שרתים מנטרים בזהירות את צריכת החשמל ורמת העומס כדי להחליט האם ניתן לעצור או להקפיא שירותים מסוימים. במקרה של שרתים וירטואליים בהם יישום יכול להתרחב או לקטון בהתאם לשימוש הנוכחי הכולל ולצפי שימוש המבוסס על נתונים סטטיסטיים, ה-hypervisors יכולים לכבות לחלוטין חלק מהמחשבים הווירטואליים. שימוש אחר של ניהול אנרגיה פעיל הוא איתור באגים. ניטור צריכת האנרגיה יכולה לספק מידע רב עוצמה על האם מערכות כוללות, או חלקים מהן, פועלים בתוך המגבלות.
מעגלים אלקטרוניים המשמשים למדידת אנרגיה והספק DC
כפי שהוזכר, הספק חשמלי מכפלת המתח בזרם. מדידה מדויקת של הספק מחייבת מדידה מדויקת ביותר של מתח וזרם. ההספק הנמדד ומסוכם לאורך זמן, הינו אנרגיה. כיוון שצריכת החשמל אינה קבועה ברוב המקרים, יש לבצע את מדידות המתח והזרם ברוחב פס שנבחר. דוגמה טיפוסית של מעגלים למדידת מתח DC הוא מחלק המתח הפשוט המתואר ב- איור 1 – משמאל, ומחלק המתח עם זיכרון זמני (buffered) מצד איור 1 ימין. בעוד שני המעגלים מסוגלים להגיע לדיוק גבוה עם כיול נכון, מחלק המתח עם זיכרון זמני – היקר יותר מאחיו הפשוט – בדרך כלל צורך פחות חשמל ומשתמשים בו בעיקר כאשר מודדים אותות DC נמוכים מאוד.
איור 1 – מעגלים מחלקי מתח
אם כי זרם (כולל DC) ניתן גם למדוד בעזרת תופעת הול, מאמר זה מתמקד במדידת זרם DC עם נגדים מיצדיים(shunt resistors) , משום שהם בשימוש נפוץ יותר ויקרים פחות. נגד מיצדי הוא נגד בעל ערך נמוך המחובר בטור עם המעגל. כאשר עובר דרכו זרם, נוצר עליו מפל מתח קטן. מפל המתח הוא פרופורציונלי לזרם כמו ב-משוואה 2 והוא בדרך כלל מוגבר בעזרת מגבר שרת.
כיוון שהנגד המיצדי בטור עם שאר המעגל, ניתן להציב אותו משני הצדדים: בצד הגבוה, בו אחד של הטרמינלים של הנגד המיצדי מחובר ישירות אל מתח פס הצבירה, או בצד הנמוך בו הוא מחובר לאדמה, כפי שמתואר ב-איור 2. בשני המקרים, יהיה מפל מתח קטן והמתח הכללי המופעל על המעגל יהיה נמוך יותר. עם זאת, למיקום הנגד המיצדי יש מספר משמעויות:
- אם הנגד המיצדי הוא על הקצה הנמוך (איור 2, מימין), המתח עליו מחובר ישירות לאדמה. כיוון שנגדים מיצדיים לרוב קטנים, מפלי המתח עליהם גם קטנים, דבר המקל מאוד על מעגל מדידת הזרם להשתמש במגבר שרת זול במתח נמוך כדי להגביר את מפל המתח. דבר זה רצוי מאוד מטעמי עלות. עם זאת, החיסרון המרכזי של נגד מיצדי בצד הנמוך הוא העובדה כי המעגל הכולל כבר אינו מחובר ישירות אל האדמה, אלא קצת יותר גבוה. מפלי מתח על נגד מיצדי הם בדרך כלל בטווח המיליוולטים.
- מצד שני, אם הנגד המיצדי ממוקם בצד הגבוה (איור 2, שמאל) אז המעגל מחובר ישירות לאדמה, ומונע כל תופעה הסרת כל תופעה של ground bouncing. זה רצוי במיוחד כאשר המעגל מבצע מדידה מדויקת או חייב לספק יציאות מדויקות. החיסרון היחיד של שיטה זו בכך כי צריך להשתמש במגבר שרת למתח גבוה יותר, ובהתאם לרוחב הפס שלו הוא עלול להיות יקר יותר.
איור 2 – מעגלים למדידת זרם
בזמן שמתח, זרם ואפילו הספק ניתן למדוד עם מעגלים אנלוגיים די בקלות ובעלות נמוכה, מדידת אנרגיה מחייבת מעגלים מורכבים יותר. עם זאת, הגישה הקלאסית למדידת אנרגיה היא למדוד את המתח והזרם באמצעות מעגלים אנלוגיים ולאחר מכן להמיר את האותות באמצעות ממיר דיגיטלי-אנלוגי (ADC), המוציא את הנתונים אל מיקרו-בקר. באחריות המיקרו-בקר לדגום את ההספק המצטבר של האות לאורך זמן, וכך להגיע למדידת האנרגיה. מעגל אופייני למדידת אנרגיה מוצג ב- איור 3. להוספת מיקרו-בקר למעגל המדידה יש יתרונות וחסרונות. מצד אחד זה יכול לתרום גמישות רבה באלגוריתמים חישוביים, ניטור התנהגות שונות, ובניית דוחות מפורטים יותר – לדוגמה, לפי שעה, יומי, וכד’. יתרון נוסף הוא כי מיקרו-בקר מסוגל לעשות יותר מאשר מדידות אנרגיה. הוא יכול להפעיל אירועים, להפעיל מכונות מצבים מותאמות אישית או כמעט כל דבר שהמהנדס צריך שיעשה. הגדלת העלות ורשימת החומרים (BOM) אינה בעיה אם המערכת ממילא כבר צריכה מיקרו-בקר. מאידך, החסרונות של ניטור צריכת האנרגיה עם מיקרו-בקר כוללים את הגדלת סך צריכת החשמל של מערכת המדידה, פיתוח לא רצוי של קוד ותקורה, ובתלוי בדיוק, ייתכן לעתים כי יהיה צורך ב-ADC חיצוניים.
איור 3 – מעגל טיפוסי למדידת אנרגיה
כיוון שהביקוש לפונקציות של ניטור אנרגיה DC גדל במהלך השנים, פותחו מספר מעגלים משולבים עבור יישומים כאלה. דוגמה של מעגל משולב כזה הוא ה-PAC1934 של Microchip. מעגל משולב כזה יכול בקלות לדגום עד 4 ערוצים בו זמנית, והרכיב החיצוני היחיד שנדרש הוא נגד מיצדי. תרשים מעגל בסיסי מוצג ב-איור 4. הוא משלב מגברי שרת, ADC, לוגיקה לחישוב אריתמטי, זיכרון, וממשק סטנדרטי כדי לחבר אותו אל המערכת (בדרך כלל I2C או SPI). היתרונות של השימוש במעגל משולב לעומת הגישה הקלאסית בולטים מיד מבחינת העלות, כי רשימת החומרים (BOM) מופחתת משמעותית, וכמובן גם לוח המעגל המודפס, כי כל הדרוש עבור מדידה של צריכת האנרגיה כבר נמצא בתוך מעגל משולב אחד.
איור 4 – דיאגרמת בלוקים של PAC1934 של Microchip, אשר מסוגל למדוד 4 ערוצים בו זמנית
איור 4 – דיאגרמת בלוקים של PAC1934 של Microchip, אשר מסוגל למדוד 4 ערוצים בו זמנית
היתרונות של ניטור פעיל של צריכת האנרגיה
עם תצורה גמישה המתאימה למרבית השימושים, מעגל משולב ייעודי מסוגל לסכום הספק על פרקי זמן ארוכים עם צריכת חשמל נמוכה ביותר. בדרך כלל, קצב דגימת ההספק משתנה בין 8 דגימות בשנייה עד מעל 1 KSPS. ה-PAC1934, למשל, בעת הפעלה בקצב 8 SPS, מסוגל לסכום אנרגיה על פני יותר מ-36 שעות עם זרם של פחות מ- 16 mA בזמן שכל 4 הערוצים פעילים ופועלים ברזולוציה של 16 bit, ללא כל התערבות של התוכנה. בכך שהוא מאפשר שינוי בקצב הדגימה תוך פעולה, ניתן להשתמש בו ביותר מקרים. דוגמה לשימוש הוא כאשר המעגל המשולב משמש במחשב נייד סטנדרטי לניטור פסי ההזנה. ניתן לבצע את הניטור ב-1024 SPS כאשר המחשב הנייד פעיל ועובד, ולאחר מכן קצב הניטור יכול לרדת עד 8 SPS כאשר המחשב הנייד במצב מושהה, כי צריכת האנרגיה לא תשתנה יותר מדי במצב זה. בנוסף, הפחתת קצב הדגימה מפחית את ההספק הנחוץ לניטור צריכת האנרגיה – מבלי להתפשר על הביצועים.
אחד השימושים הנפוצים ביותר של ניטור פעיל של צריכת האנרגיה הוא מדידת ה”דלק” בסוללה. מעגל משולב ייעודי מנטר את מתח וזרם הסוללה ותמיד יודע כמה אנרגיה יש כרגע בסוללה. מדי דלק מתקדמים יותר יכולים גם לזהות בעיות מסוימות בסוללה. לדוגמה, הם יכולים לעקוב אחר מתח הסוללה לעומת אנרגיה, וכאשר הם אינם מתאימים עוד, המשמעות היא כי הקיבולת הכוללת של הסוללה קטנה עקב גילה וגורמים אחרים. ניטור פעיל של צריכת האנרגיה הוא גם הליבה של מערכת ניהול סוללה סטנדרטית (BMS). BMS הוא מעגל בשימוש בחבילות סוללה מרובות תאים, והוא אחראי על הטעינה והפריקה הבטוחה של החבילה בזמן שהוא מודד בצורה פעילה מתח וזרם כדי להבטיח שלכל תא בסוללה אותם פרמטרים. הפונקציות של BMS כוללות גם זיהוי תאים פגומים, או ניתוק החבילה כאשר המתח גבוה או נמוך מדי.
עוד שימוש נפוץ של הניטור הפעיל של צריכת אנרגיה הוא שימושו יחד עם מערכת ההפעלה של טלפונים חכמים ומחשבי לוח, ושל Linux או Microsoft Windows במחשבים ניידים, מחשבים ושרתים. במקרה של טלפונים חכמים ומחשבי לוח, מערכת ההפעלה מנטרת את האנרגיה הנצרכת על ידי השירותים והיישומים השונים באמצעות שיטות שונות. בשלבים מוקדמים, אנרגיה לא נמדדה ישירות והמערכת העריכה אותה על בסיס צריכה של ה-CPU, ה-GPU והמסך, באמצעות שימוש של טבלת נתונים עבור צריכת החשמל בנקודות הפעלה שונות. שימוש האנרגיה המשוער דווח כנתונים סטטיסטיים, כדי שהמשתמש יחליט על האופן שבו הוא רוצה להמשיך ולהפעיל את המכשיר. Microsoft השיקה אתEnergy Estimation Engine) E3 ) (מנוע לאומדן אנרגיה) על מחשבים ניידים ומחשבים אישיים מאז Windows 8. בשלבים המוקדמים, E3 עבד בדומה לאלגוריתמים לאומדן בטלפונים חכמים, עם יכולת לנהל מעקב אחר צריכת האנרגיה של כל המשימות על ידי אומדן מבוסס על השימוש במשאבים שונים (מעבד, גרפיקה, כונן קשיח, זיכרון, רשת, צג ועוד). E3 גם הציג לראשונה את ה-Energy Metering Interface (EMI) (ממשק למדידת האנרגיה), המאפשר ליצרני מערכות להוסיף ולהכריז על חיישני מדידת אנרגיה הזמינים פיזית למערכת. כאשר הם קיימים, E3 משתמש בחיישני כגון אלה כדי למדוד הספק ואנרגיה בצורה מדויקת, במקום רק לבצע אומדנים. יצרני מחשבים נישאים מסוימים כבר מיישמים פונקציות אלה במוצרים שלהם. בנוסף הוצגו בעבר כמה יוזמות אחרות (למשל, ניטור הספק במחשבי Vaio של סוני), אך לא הייתה לכך תמיכה של מערכת ההפעלה, ורק יישומים קנייניים יכלו לגשת לנתונים. אין ב-Linux משהו שווה ערך ל-E3 של Microsoft, אך הם כפי שנמסר הם עובדים על זה. תת-המערכת I/O התעשייתית[2] תומכת בהוספת חיישנים שונים למערכת ההפעלה, ומספקת ממשק פשוט מאוד ורב עוצמה לאפליקציה של מרחב המשתמש (ממשק מבוסס קבצים). עם זאת, בזמן שמאמר זה נכתב, תת-המערכת I/O התעשייתית היא כרגע הארכה של הליבה, שאינה חלק של build ברירת המחדל של Linux. Linux תומך גם בתזמון מודע אנרגיה[3] והקצאת הספק חכמה, אלגוריתם שנועד לשמש יותר באזור Linux מוטבע, ומאפשר למערכת להחליט כיצד לתזמן משימות שונות, בעוד נלקחים בחשבון גם שיקולים תרמיים (צריכת אנרגיה גורמת להתחממות ה-CPU/GPU).
דוגמא נוספת לשימוש במעגלים משולבים למדידת אנרגיה שראוי לציין היא ניטור צריכת הספק ואנרגיה של USB מסיבות שונות[4] ושימוש ביישומי שרת, כפי שתואר בחלקו הראשון של מאמר זה. כיוון ששרתים הם מכונות המיועדות לפעול ללא הפסקה, ניטור צריכת ההספק הוא בעל יתרונות רבים, מהגדלת היעילות של צריכת האנרגיה הכוללת באמצעות בקרת שירות פעילה, דרך עמידה בתקנים גבוהים יותר ויותר של יעילות בצריכת החשמל,[5] ועד לאפשר למנהלי מערכת לבצע תחזוקה תחזיתית כאשר חלקים מסוימים של השרת מתחילים להתנהג בצורה שונה במונחים של צריכת חשמל (זה עשוי לציין כשל בעתיד).
סיכום
בהתאם לצורך לניטור צריכת האנרגיה וכן פונקציות אחרות שהמערכת צריכה לבצע, גישות מסוימות עשויות להיות מתאימות יותר מאשר אחרות. הגישה הקלאסית עשויה להיות עדיפה כאשר מערכת מוטבעת בנויה למטרה משלה, והיא גם צריכה לדעת את צריכת ההספק שלה, או לבצע אומדן אנרגיה. זה גם יהיה מומלץ כי למיקרו-בקר יהיה ADC פנימי, וכך העלות של פונקציות ניטור האנרגיה תהיה מינימלית. בגישה זו יהיה צורך רק במעגל האנלוגי החיצוני המשמש לחישת מתח וזרם. במקרים אחרים, בהם הגישה הקלאסית מתאימה יותר מאשר המשולבת, למשל כאשר צריך דיוק גבוה מאוד, ועלות חומרים וצריכת הספק אינם מהווים בעיה.
מצד שני, יש מקרים שונים בהם הגישה המשולבת מתאימה יותר. דוגמה אחת היא כאשר רוצים לשלב את מדידת האנרגיה עם מערכת הפעלה, כי הפתרון משולב כבר בנוי לכך, ועם מנהלי התקנים מתאימים המערכת מזהה זאת באופן אוטומטי ויודעת מה לעשות. הפתרון המשולב עדיף כאשר צריכים לנטר אפיקים רבים, כי מעגלים משולבים למדידת אנרגיה מסוגלים בדרך כלל למדוד יותר מערוץ אחד (זאת אומרת, יותר מאפיק אחד). בנוסף, ניתן להשתמש במעגלים משולבים מרובים על אותו אפיק תקשורת (כגון I2C או SPI). מקרה אחר שבו פתרון משולב עדיף הוא כאשר מודדים אנרגיה לפרקי זמן ארוכים יותר, כאשר המערכת במצב שינה או כבויה לחלוטין. זה מתבסס על העובדה שמעגלים משולבים לניטור האנרגיה צורכים מעט מאוד הספק ויכולים לבצע חישובים ולסכום אנרגיה לפרקי זמן מסוימים בעצמם, ללא כל התערבות של המערכת.
וכמובן, כאשר הגודל חשוב בלוחות מודפסים משולבים וצפופים ביותר, כגון הלוחות הראשיים של טלפונים, מחשבי לוח או מחשבי מחברת, מעגל משולב תמיד יתפוס פחות שטח מאשר רכיבים נפרדים שווי ערך. לדוגמה, ניתן למצוא מעגל משולב למדידת אנרגיה המסוגל לנטר ארבע ערוצים בו זמנית בגודל WLCSP, שהינו 2.225 x 2.17 מ”מ.
[1] החלקים בכחול (MUX אנלוגי ו-ADC) יכולים להיות חיצוניים כפי שמופיע באיור, או פנימיים בתוך המיקרו-בקר.
[2] https://www.kernel.org/doc/html/v4.16/driver-api/iio/index.html
[3] https://developer.arm.com/open-source/energy-aware-scheduling
[4] דוגמה של מד הספק: https://www.jeffgeerling.com/blog/2017/review-satechi-usb-type-c-inline-power-meter-st-tcpm
[5] https://www.energystar.gov
