כוחות כלכליים בצד מודעות גוברת והולכת לסביבה, מרחיבים את חלקם של תקציבי האנרגיה בשיקולי תכנון מוצרים, כאשר מנגד השווקים אינם מאפשרים ליצרנים להתפשר על הביצועים של המוצרים. Freescale אימצה גישה מקיפה שבאמצעותה היא מתאימה את מוצריה לביצועים גבוהים, ומותירה אותם במסגרת תקציבי אנרגיה מרוסנים.
מאת: Yan Vainter , Freescale
אתגר התכנון
היצרנים חייבים לאזן בין מהירות ופונקציונליות לבין צריכת אנרגיה, וכל נטייה מוגזמת לאחד הצדדים תפגע בשביעות הרצון של הלקוחות. איזון זה חייב להתקיים לא רק בהתקנים ניידים, אלא גם בהתקנים שפועלים למשל במשרדים, ברציפות, ומשמשים בפועל רק במשך דקות, שניות ואולי אף פחות. המשרדים, כמו הלקוחות, לא יכולים להרשות לעצמם לשלם עבור אנרגיה מבוזבזת.
לא קיימת טכנולוגיה יחידה להקטנת הספק שעומדת בכל הדרישות. השיטה הנכונה היא לשלב בין טכניקות מבניות של הפלטפורמה ושל המעגל, תוכנת המערכת והיישום, טכנולוגיית התהליך ומתודולוגיית התכנון והכלים שלו, כדי לפתח יישומי מוליכים למחצה הפועלים בנצילות אנרגטית.
תהליך הפיתוח המתואר באיור 1 מיועד להשיג נצילות אנרגיה אופטימלית. אפשר לייעל כל תחום טכנולוגי במקביל לתרומתו להשגת מטרות הביצועים הכוללות.
ראוי לזכור שהתיאורים המופיעים בהמשך הם חלק מתהליך פיתוח מאוחד, שמטרתו להגדיל עד למקסימום את נצילות האנרגיה בכל מערכת.
טכניקות מבניות ושל פלטפורמה
מצבי צריכת הספק על השבב, המאפשרים שימוש בביצועים המקסימליים של היישום (ובצריכת אנרגיה בהתאם) רק כשהם נדרשים, מהווים דוגמה טובה לטכניקות מבניות. אסטרטגיה זו יעילה במיוחד בהתקנים ניידים ובאלו המשמשים לאוטומציה משרדית ברשת, שבהם משתמשים מפעם פעם, למשכי זמן קצרים.
את מצבי צריכת ההספק של פלטפורמות אפשר להרחיב ליישומים ברמת מעגל. למשל במצב החזקת זיכרון, יש לכבות הכל, למעט מעגל PMIC (ניהול ההספקים) וזיכרון. ביישומים רבים, יהיה צורך לאתחל רכיבים שונים וליצור בכך בעיות הכרוכות בהשהיה מסוימת. לעתים קרובות דרישות היישום יכתיבו את המצב שבו יש להשתמש על מנת לקבל את האיזון הטוב ביותר מבין הביצועים לצריכת האנרגיה.
איור 1. בגישה המקיפה להשגת יעד נצילות האנרגיה של Freescale בניהול אנרגיה, פעילות הגומלין בין הטכנולוגיות והטכניקות חיונית להשגת חיסכון אופטימלי באנרגיה.
איור 2. עץ אופייני של אות שעון שבו אפשר להפעיל בנפרד בכל מודול את אות השעון באופן חלקי על פי הפעולה. בקרה אוטומטית של המודולים על אות השעון מפשטת את התוכנה.
איור 3. מאחר שמצב הלוגיקה נשמר בתאי "פליפ–פלופ" (דלגלג), אם הם נתונים באופן קבוע במתח, לוגיקת הביניים יכולה להיות במתח ממותג. כאשר יוחזר המתח ללוגיקת הביניים, מצב תאי "פליפ–פלופ" יועבר לדרגה הבאה דרך הלוגיקה והמערכת תוכל להמשיך היכן שנעצרה.
טכניקות של המעגל
כמה טכניקות משמשות ביחד להשגת נצילות אנרגיה גבוהה בלי להקריב ביצועים.
• שינוי מדורג דינמי של מתח ותדירות מאפשר את התאמתם לדרישות המערכת הרגעיות. הקטנת התדירות מאפשרת הקטנת המתח והפחתה משמעותית בצריכת ההספק. פעולה זו יכולה להתבצע בתוכנה ובחומרה. מעגל חומרה מנטר את עומס המעבד ומתאים את התדירות והמתח לעומס. באין מעגל כזה יש להשתמש בתוכנה.
• מיתוג אות השעון משמש באופן נרחב, מאחר שמעגל משתמש ביותר הספק כשאות השעון פועל ברצף מאשר כשהוא פועל חלקית או בהיותו כבוי. כיבוי אות השעון ועצירת הנתונים בחלקים שאינם נמצאים בשימוש יוצרים חיסכון ברור באנרגיה.
• החזקת מצב בניתוק מקורות ההספק (SRPG) מאפשרת הקטנת ספק המתח לאפס לרוב שערי הלוגיקה בבלוק, תוך שמירה על אספקת המתח לרכיבי המצב בבלוק הזה. השיטה מפחיתה למדי את צריכת ההספק במצב עצירה ושומרת על זמן התעוררות מהיר.
• מנגנון דינמי לפיצוי טמפרטורת התהליך (DPTC) מודד את התדירות של מעגל ייחוס. המעגל לוכד את תלות מהירות המוצר בטמפרטורה השוטפת ומוריד את המתח למינימום הנדרש לתמיכה בתדירות הנדרשת.
השיקולים בבחירת מייצב מתח כוללים מלבד נצילות אנרגיה גם שיקולי רעש ומפל מתח הנופל על המייצב. מייצבים ממתגים פועלים באפנון PWM ובעומס נמוך ב–PFM, כדי לשמור על נצילות הספק גבוהה. במצב PFM ההתעוררות ממצב “שינה” איטית יותר, אם כי כאשר נצילות האנרגיה חשובה, הפשרה כנראה כדאית.
איור 4. ההבדלים בין מייצב ממתג למייצב ליניארי
איור 5. ממתח בור אקטיבי משפיע על מתח הסף ומאפשר להקטין את זרם הזליגה.
תוכנה
תוכנה יכולה למלא תפקיד משמעותי בקביעת ביצועי הנצילות של מערכת. ניהול ההספקים בתוכנה מאפשר לתאם באופן דינמי בין טכניקות לחיסכון בהספק בכמה מרכיבי חומרה. גם ליעילות התוכנה יש השפעה על נצילות ההספק וקוד שכתוב היטב ומהדר מתאים יקטינו את דרישות הזיכרון הצורך הספק רב ואת תקורת התוכנה, ומאידך ייעלו את השימוש במחסנית. קוד יעיל יקטין גם את תקורת מערכת ההפעלה, למשל בכניסה לביצוע משימות או פסיקות ויציאה מהן ויקטין גם את מספר מחזורי הפעולה המיותרים. אפשר להשתמש במודל חיזוי היוריסטי או סטוכסטי להערכת משך הזמן שבו לא יפעלו התקן, קבוצת התקנים או מערכת ואז לנקוט בהתאם, באחת מבין שיטות החיסכון באנרגיה.
מודל הביצועים יכול להשתמש בהתנהגות הדטרמיניסטית של מערכת הפעלה לזמן אמת (RTOS) לחיזוי דרישות ההספק דרך תזמוני מערכת ההפעלה ולהעביר בהתאם חלקים מסוימים למצבי חיסכון. התוכנה יכולה גם לאתר זמני פעילות של פונקציות ולהעריך כמה יכולת עיבוד והספק נדרשים כדי לעמוד בזמני הביצוע.
טכנולוגיית תהליך
מאפייני התהליך קובעים את צריכת ההספק של המעגלים הנוצרים בתהליך. טרנזיסטורים עם מתח סף (VT) נמוך יכולים לספק זרם רב יותר, אך בה בעת הם יהיו בעלי זרם זליגה גבוה יותר. התהליך שלנו מאפשר שילוב טרנזיסטורים עם מתחי סף שונים באותו השבב ומאפשר לשלב טרנזיסטורים עם מתח סף נמוך, רק באותם נתיבים שבהם נדרשים הביצועים הגבוהים שלהם. שימוש בטרנזיסטורים עם מתח סף גבוה, היכן שאפשר, מקטין את הזרם במצב המתנה. טכניקות של יצירת ממתח אקטיבי לבורות (well biasing) מאפשרות העברה של טרנזיסטורי סף נמוך הנדרשים לביצועים גבוהים לזליגה נמוכה במצב המתנה, על ידי יצירת ממתח הפוך.
טכנולוגיית SMARTMOS של Freescale מאפשרת שילוב מעגלים שונים בשבב יחיד. פתרונות ניהול ההספקים שלנו משלבים הגנת עומס, נצילות בהספק גבוה וריבוי יציאות בלי לפגוע בביצועים. הטכנולוגיה מאפשרת גם תכנון טרנזיסטורי MOSFET עם חיבור Gate דק (ולכן עם שטח קטן והפסדי מיתוג קטנים) ועם התנגדות נמוכה ביותר בין חיבורי Drain ו–Source.
מתודולוגיה וכלים לתכנון
המיפוי הפיסי של השבב משפיע עד מאוד על נצילות האנרגיה. לדוגמה, תכנון גרוע של העברת אות השעון עלול לדרוש מעגלי חציצה שיוסיפו צריכת הספק. כלי ניתוח, תכנון, מימוש, ארכיטקטורה והערכת הספק מבטיחים יצירה של מתודולוגיה אמינה להשגת תכנון עם נצילות אנרגיה גבוהה של מעגל המוליך למחצה.
כלי הערכת הספק הפלטפורמה משמש לשילוב נתוני חיבורים, ארכיטקטורת רכיבים, הספק המודול והגדרות שימוש כדי לאפשר חישוב הספק הפלטפורמה ביישום נתון. פירוט ההספק לפי רכיב ומודול המסופק על ידי הכלי, מאפשר לזהות אזורים בפלטפורמה שבהם יש לבצע אופטימיזציה כדי לשפר את ההספק הכולל.
טכנולוגיה עם נצילות אנרגיה גבוהה בפעולה
הפתרונות של Freescale מתוכננים לשילוב התהליכים שנדונו כאן ליצירת פלטפורמות המותאמות באופטימיזציה לדור הבא של מוצרים ושירותים עם נצילות אנרגיה גבוהה.
מעבד המיקרו MC9S08LL16
ל- 8 סיביות
S08LL16 הוא בקר LCD ל–8 סיביות של Freescale בעל הנצילות הגבוהה ביותר עם צריכת זרם של פחות מ–50 אחוזים מהתקני הדור הקודם. הבקר LL16, המבוסס על טכנולוגיית LVLP של משפחת QE של Freescale, מדגים מאפייני הספק נמוך ביותר ומצבי צריכת הספק עבור יישומים ניידים המופעלים בסוללה בשווקים הרפואיים, התעשייתיים ובמוצרי צריכה. צריכת ההספק הנמוכה מאפשרת שימוש באורך חיים ארוך (עד עשר שנים) ביישומים עם תצוגות LCD במוצרי צריכה ובמוצרים תעשייתיים ואלחוטיים באמצעות מגוון של סוללות. הביצועים של LL116 בתצוגות LCD משופרים ביותר מ–70 אחוזים בהשוואה לפתרונות המצויים בשוק. הגמישות הרבה של הבקר S08LL16 באה לביטוי גם במעגל דחיפה של 8 x 24 או 4 x 28 עם משאבת טעינה משולבת.
בקרי המיקרו במשפחת QE
בקרי משפחת QE הם הבסיס להתקני מתח נמוך והספק נמוך (LVLP) נוספים. בתהליך LVLP משתמשים בטרנזיסטורים עם אורך ערוץ מוגדל להקטנת זרם הזליגה. Freescale שיפרה את ספריית התאים הסטנדרטיים שלה אשר כוללת כמה פריטים להספק נמוך. באתר Freescale.com נכלל מחשבון צריכת הספק מסוללה עבור משפחת בקרי QE. חישוב אורך חיי הסוללה הממוצע נעשה לפי נתוני ההתקן, הגדרות הסביבה, מידע לגבי הסוללה, מחזור פעולה, אפשרויות המערכת ומספר המודולים הפעילים. משפחת בקרי QE מספקת פתרונות מצוינים להתקנים נישאים המופעלים בסוללה כדוגמת מצלמות ומצלמות וידיאו ספרתיות, טלפונים אלחוטיים, התקני בריאות ביתיים ומכשירים נישאים.
משפחת מעבדי היישומים i.MX
משפחת i.MX כוללת מעבדים מבוססי ליבת ARM® ליישומים תעשייתיים, לרכב ולצריכה. במעבדי i.MX משתמשים בטכנולוגיה של מאיצים בחומרה שמורידים את העומס מהיע”מ (CPU) ובמטריצת מיתוג שכמעט מבטלת את מצבי ההמתנה. כך משתווים הביצועים לאלה המושגים באמצעות אות שעון בתדירויות גבוהות יותר, ללא צריכת ההספק הגבוהה המתלווה אליהן. בנוסף, חיסכון בהספק מושג עם מעבדי i.MX באמצעות ניהול הספקים משולב או עם מעגלי ניהול חיצוניים. ערכות פיתוח תוכנה מספקות מנהלי התקנים למעבד ולרכיבי PMIC הנלווים ומאפשרות ללקוחות לממש בהצלחה את הטכניקות להספק נמוך בתכנוניהם.
מעבד התקשורת MPC8536E PowerQUICC III
המעבד MPC8536E מתוכנן למימוש ציוד לאוטומציית משרדים (למשל הדפסה והדמיה, שילוט ספרתי וכד’) שנדרשת לו תאימות ליוזמות אזוריות לחיסכון באנרגיה. במעבד משולבים מהירות פעולה, מצב דילוג והתאוששות מהירה ממצב שינה עמוק ללא איבוד חבילות. השימוש הנוכחי ברשת מחייב ניהול קפדני של מחזורי ביצועים שונים כדי למלא את צורכי היישומים מבלי לאבד את הקשר. לכך בדיוק מתוכנן המעבד MPC8536E. המעבד מתוכנן במיוחד לניהול מחזורי עבודה במרווחי זמן משתנים ולתזמן את צריכת האנרגיה לקבלת ציוד חסכוני יותר לאוטומציית המשרד.
מסקנות
בסיכומו של דבר, הנצילות נמדדת אל מול צורכי הלקוח. מתכנני המערכות חייבים להסתמך על מוליכים למחצה שעומדים בדרישות הביצועים שלהם, בלי לחרוג מתקציב צריכת האנרגיה המוגבל שלהם. העבודה הצמודה שלנו מול לקוחות מאפשרת לנו להתאים את פתרונותינו להשגת תכנונים בעלי נצילות אנרגיה גבוהה שיהיו קלים לתכנון, שיאיצו את זמן היציאה לשוק ויתאימו ללקוחות שלהם.
חברת Freescale מחויבת להרחיב את הטכנולוגיות שלה בתחום נצילות האנרגיה, לפתח טכניקות חדשות למוצרי הדור הבא שיהיו בעלי נצילות אנרגיה גבוהה אף יותר מאלו הקיימות היום בתחומים השונים.
