Ottimizzare l’efficienza energetica

MICROCONTROLLORI –

La diffusione delle applicazioni a bassissima dissipazione ha portato a un nuovo approccio all’ottimizzazione dei consumi. I dispositivi devono poter funzionare con una batteria a singola cella, effettuare operazioni ai valori di soglia della batteria e controllare motori e Led.

Per ottimizzare la dissipazione di potenza, indipendentemente che si tratti di applicazioni per il comparto consumer, industriale o medicale, l'approccio tradizionalmente utilizzato prevede la riduzione dei tempi di elaborazione attiva e l'incremento dell'intervallo temporale in cui il processore può rimanere in sleep mode. Una soluzione di questo tipo ha iniziato a mostrare tutti i suoi limiti all'emergere delle applicazioni che richiedono consumi estremamente bassi (ultra low power). Le attuali tendenze, che prevedono da un lato la possibilità di funzionamento mediante batterie a cella singola, di effettuare operazioni di carica e scarica in prossimità delle soglia delle batterie, controllare motori e Led ad alta luminosità e dall'altro di ridurre costi e fattori di forma dei dispositivi, hanno modificato radicalmente l'approccio al problema dell'ottimizzazione dei consumi. Nel caso di dispositivi quali spazzolini elettrici, lettori multimediali personali, controllori remoti, sensori wireless e numerosi altri apparati portatili e palmari, la gestione della potenza deve essere coordinata a livello dell'intero sistema.

Conversione di tensione efficiente
In parecchie applicazioni che richiedono consumi bassissimi si sta rapidamente passando all'adozione di un'architettura che prevede una sola cella di batteria al fine di ridurre dimensioni, cosi e peso dei dispositivi: si tratta, ovviamente, dei tre elementi chiave che determinano il successo sul mercato dei dispositivi portatili alimentati a batteria. Accade sovente che il peso della batteria risulti maggiore rispetto a quello degli altri componenti e del Pcb combinati. Oltre a ciò, le tradizionali batterie AA e AAA rappresentano il componente singolo di maggiori dimensioni presente sulla scheda a circuito stampato. La riduzione dell'alimentazione a una singola cella sta suscitando un interesse crescente in quanto semplifica la struttura meccanica del portabatterie e contribuisce alla realizzazione di prodotti più piccoli e leggeri. Un progetto che prevede un'alimentazione a singola cella, comunque, comporta l'insorgere di nuove problematiche. Mentre l'intervallo di tensione di una singola cella di batteria varia da 1,2 a 1,5 V quando è completamente carica, la tensione delle celle può scendere al di sotto di 1 V anche in presenza di una discreta quantità di energia ancora utilizzabile. Anche le Mcu con alimentazione a 1,8 V richiedono almeno due celle in serie per funzionare mentre in altre applicazioni, come ad esempio il pilotaggio di Led a elevata intensità caratterizzati da tensioni dirette di elevato valore, sono necessarie almeno quattro celle. Al fine di poter pilotare motori, Led e anche lo stesso processore a partire da una singola cella, è necessario il ricorso a un regolatore per incrementare il valore di tensione disponibile ai livelli appropriati. Il costo dei regolatori boost, però, è assimilabile a quello di una Mcu e la loro presenza richiede uno spazio sostanzialmente identico sulla scheda. Oltre a ciò, alcuni regolatori devono essere controllati da una Mcu, il che implica una maggiore complessità a livello progettuale. Un regolatore boost integrato capace di gestirsi in maniera autonoma all'interno di una Mcu non solo permette di risolvere i problemi di costo e di spazio associati all'uso di un regolatore esterno, ma consente anche alla Mcu di garantire una maggiore efficienza in termini di consumo di corrente rispetto all'utilizzo di un convertitore c.c./c.c. esterno. Ad esempio il regolatore integrato in ATtiny43U di Atmel è in grado aumentare tensioni di 0,7 V, consentendo la continuazione della fase di scarica a valori più prossimi rispetto a quelli di esaurimento delle riserve della cella rispetto a quanto possibile con altri tipi di implementazione.
Un regolatore integrato è in grado di garantire elevate prestazioni in termini di corrente di riposo - 1 µA (valore tipico) nel caso di ATtiny43U - nonché di avviarsi automaticamente non appena la tensione disponibile è sufficiente (il valore di 1,2 V indica che la batteria è carica o la fase di carica è quasi completata). Senza dimenticare che il regolatore supporta qualsiasi tecnologia di batteria, permettendo in tal modo ai progettisti di scegliere la batteria più idonea per la particolare applicazione considerata.
Poiché la tensione della batteria può variare da 0,7 a 1,8 V è consentito l'uso di svariati tipi di batterie tra cui quelle alcaline o a ossido di argento da 1,6 V, a ioni di litio da 1,5 V, zinco-aria da 1,4 V e NiMH e NiCD da 1,2 V.

Modalità boost e a bassa corrente
In numerose applicazioni è importante disporre di un'elevata capacità di corrente senza ricorrere a un circuito di pilotaggio esterno. Il regolatore boost di ATtiny43U è in grado di pilotare una corrente fino a 30 mA in modo da consentire il controllo diretto di Led a elevata luminosità e motori di piccole dimensioni. Essendo parte integrante della Mcu, il regolatore può essere ottimizzato in funzione dell'architettura per ottimizzare l'efficienza. Nella Figura viene riportata l'efficienza di conversione di ATtiny43U per particolari correnti di carico in funzione della carica rimanente. Come si evince dal grafico, il funzionamento a elevata corrente risulta essere meno efficace rispetto a quello a bassa corrente. In parecchi applicazioni dove sono presenti correnti di elevata intensità, comunque, non è richiesto il funzionamento in modalità ad alta corrente su base continuativa. Per esempio uno spazzolino o una fotocamera fanno funzionare i rispettivi motori solo occasionalmente. Se l'architettura può funzionare solo in modalità ad alta corrente, questi dispositivi saranno caratterizzati da bassi livelli di efficienza anche quando il dispositivo richiede un basso assorbimento di corrente: in altre parole il dispositivo fornirà una corrente ridotta con le caratteristiche di efficienza tipiche del funzionamento a elevate correnti. Per salvaguardare l'efficienza, la Mcu deve essere in grado di supportare molteplici modalità operative. Quindi nel momento in cui il dispositivo richiede elevata corrente e una Vcc regolata in maniera estremamente precisa, Mcu e regolatore opereranno in modalità regolata (Regulated Mode). Quando i motori o le altre periferiche non vengono utilizzate e la corrente di carico scende a un valore inferiore a 0,6 mA, il regolatore commuta automaticamente in modalità a bassa corrente (Low Current Mode), garantendo una maggiore efficienza alla conversione di potenza. In presenza di carichi di valore ridotto o in assenza di carico il convertitore operante in modalità regolata raggiungerà periodicamente il limite più basso del proprio ciclo utile. Grazie all'ingresso automatico in modalità a bassa corrente, il convertitore arresta la commutazione e riduce il consumo di corrente a un valore minimo rimanendo comunque attivo. Tale variazione nella tensione di uscita si verifica quando la Mcu è in modalità “Power Down” o consuma una quantità ridotta di potenza. Nella modalità principale di funzionamento, quella attiva regolata (Active Regulated Mode), la tensione di uscita si mantiene stabile a un valore di 3 +/- 100 mV. La tensione di transizione tipica varia nel momento in cui l'energia della cella è esaurita. Il regolatore è un sottosistema indipendente che non richiede una gestione attiva da parte della Mcu. Nel caso il progettista desideri avere un controllo più diretto del regolatore boost, alcune caratteristiche possono essere gestite tramite software. Poiché l'efficienza dipende anche dall'applicazione, ha poco senso integrare tutti i componenti passivi richiesti per la regolazione di potenza. Ad esempio, mentre il costo è il fattore di scelta primario per alcuni mercati, la durata operativa rappresenta un elemento critico per altri. Piuttosto che essere costretti a utilizzare componenti passivi ottimizzati per soddisfare un criterio che non risulta di fondamentale importanza per un determinato mercato o capace di garantire una risposta buona (ma non ottimizzata) per tutte le applicazioni, gli sviluppatori dovrebbe essere in grado, almeno dal punto di vista teorico, di scegliere i componenti passivi che permettano di ottenere la soluzione più adatta alla particolare applicazione considerata. Questo risultato può essere ottenuto con un numero estremamente ridotto di componenti (come ad esempio un induttore, due condensatori di by-pass e un diodo Schottky).

Gestione intelligente della batteria
Una stima accurata della potenza rimanente è un elemento importante per ottimizzare l'utilizzo della carica della batteria disponibile. Le batterie ricaricabili, per esempio, richiede un attento monitoraggio e controllo della carica all'interno di limiti impostati in modo da garantire un utilizzo sicuro e l'ottimizzazione della vita operativa. Tanto più è precisa la stima della carica rimanente, maggiore è la possibilità di caricare e scaricare queste batterie in prossimità dei loro limiti senza incorrere nel rischio di danneggiare la capacità della cella a causa di operazioni di carica o scarica troppo profonde. Mentre un controllo più preciso della carica e della scarica della batteria si traduce in una maggiore vita operativa grazie alla possibilità di disporre di una capacità maggiore, la mancanza di flessibilità in questa operazione di controllo può avere un impatto negativo delle tecnologie della batteria che un processore è in grado di supportare. Per esempio, batterie con chimiche differenti sono contraddistinte da diversi valori di soglia entro i quali è possibile effettuare la carica e la scarica in modo sicuro. Se una Mcu è caratterizzata da soglie fisse o limitazione nella modalità di configurazione delle soglie, vi sarà una limitazione nelle tecnologie di batteria che la Mcu è in grado di gestire in maniera efficiente. Gli sviluppatori potrebbero quindi essere costretti a usare un particolare tipo di batteria in funzione della Mcu piuttosto che avere la libertà di selezionare la tecnologia di batteria più adatta alla specifica applicazione. Nelle applicazioni in cui è previsto che gli utilizzatori debbano sostituire le batterie, la flessibilità è un fattore critico in quanto è necessario garantire il supporto delle celle ricaricabili. Le celle ricaricabili sono contraddistinte da valori di soglia molto diversi da quelli degli analoghi componenti “usa e getta”. Nel caso il consumo di corrente sia troppo elevato, la capacità di carica complessiva può risultare danneggiata. La conseguente diminuzione della durata operativa sarà verosimilmente percepita come guasto del dispositivo piuttosto che della batteria. Il firmware ATtiny43U può monitorare la tensione della batteria utilizzando il convertitore A/D incorporato e decidere il momento in arrestare il funzionamento (Stop Mode): in tal modo è possibile garantire un consumo completo nel caso di batterie “usa e getta” e assicurare la massima durata delle celle ricaricabili per numerosi cicli di ricarica. Mentre l'arresto automatico del processore protegge le celle ricaricabili, una brusca caduta dell'alimentazione può non essere accettabile dal punto di vista applicativo. Per esempio lo spegnimento improvviso di una telecamera lascerà le lenti esposte e quindi vulnerabili. Nella strategia di gestione della potenza un elemento critico è dunque rappresentato dalla capacità di valutare con precisione la potenza restante. Questa operazione può essere effettuata utilizzando il convertitore A/D a 10 bit integrato in ATtiny43U per misurare la tensione della batteria a intervalli di tempo regolari. In questo modo risulta possibile predisporre i dispositivi in una configurazione sicura prima dello spegnimento. I progetti che prevedono l'uso di una batteria a singola cella permette dunque di elimina il ricorso a batterie aggiuntive, che sono sicuramente i componenti più ingombranti e pesanti dei sistemi a bassissimo consumo. Le Mcu che dispongono a bordo di un regolatore con modalità di funzionamento configurabile permettono di colmare la lacuna che intercorre tra la minima tensione di alimentazione della Mcu e le tensioni di uscita tipiche della batterie a singola cella standard, in modo da consentire agli sviluppatori di minimizzare la dissipazione di potenza in funzione delle condizioni di carico e della tensione di batteria. Grazie alla presenza di una sola batteria, all'assenza di un regolatore esterno, alla capacità di fornire corrente fino a 0,7 V e a quella di supportare correnti di elevata intensità richieste in applicazioni quali pilotaggio di Led e piccoli motori, i progettisti sono in grado di realizzare dispositivi alimentati a batteria compatti e a basso costo contraddistinti da consumi veramente minimi.

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