Progettazione ultra-low-power: quattro miti da sfatare

EFFICIENZA ENERGETICA –

Ciò che sembra essere indubitabilmente vero nel campo della progettazione low-power, di fatto, non lo è. Evitare comuni malintesi aiuta i progettisti a raggiungere obiettivi di consumi di potenza molto bassi.

La progettazione di circuiti ultra-low-power è diventata una delle aree di più alto profilo della tecnologia elettronica, a seguito della diffusione di dispositivi portatili alimentati a batteria nei settori consumer, commerciale e industriale. I produttori di circuiti integrati hanno reagito alla forte domanda di componenti che funzionano a corrente estremamente bassa e oggi vi è una scelta molto ampia di componenti sia analogici che digitali in grado di supportare il requisito ultra-low-power. Il successo della realizzazione di un circuito ultra-low-power comporta maggior impegno rispetto alla semplice scelta di componenti che funzionano a correnti inferiori al mA. In effetti, alcune comuni strategie di progettazione low-power possono persino risultare dannose nei confronti delle prestazioni finali del circuito. Questo articolo evidenzia alcuni possibili fraintendimenti relativi alla progettazione low-power, correggendone l’impostazione.

Scegliere sempre componenti
ad alta efficienza di funzionamento

Molti progettisti di sistemi portatili si adoperano per ottenere la massima efficienza in ogni parte del circuito. Sebbene questo sia spesso un buon approccio, a volte dovrebbe invece essere più cautamente considerato al pari di una “guida di buon progetto”. Ad esempio, misuratori di glucosio nel sangue e data-logger che misurano parametri lentamente variabili (come la temperatura, i livelli di luce e l’umidità), spesso devono funzionare solo per qualche centinaio di millisecondi su un ciclo ripetuto a distanza di pochi minuti; di conseguenza, il loro consumo di corrente in sleep-mode è molto più importante da valutare rispetto all’efficienza durante il tempo limitato di funzionamento a pieno carico. Un calcolo del consumo medio distribuito sul tempo di ciclo deve essere fatto al fine di valutare correttamente il contributo dovuto alla componente di stand-by rispetto al contributo dovuto al rendimento di funzionamento a pieno carico. Se la corrente in stand-by di un convertitore di tipo boost è eccellente e il dispositivo trascorre la maggior parte della sua vita in stand-by, allora può anche essere accettata un’efficienza operativa relativamente povera. Viceversa, se il contributo di power saving, rispetto al consumo energetico complessivo che si può guadagnare tramite l’accorgimento di usare un componente “molto efficiente”, è trascurabile, vi possono essere effetti negativi da considerare legati al costo aggiuntivo del componente.

I convertitori Dc/Dc low-power
sono pericolosamente rumorosi

Molti ingegneri pensano che i convertitori Dc/Dc siano rumorosi. È vero che questi non avranno mai un rumore cosi basso come nel caso di un dispositivo lineare, ma tutti i telefoni cellulari contengono almeno un convertitore Dc/Dc e, in molti casi, raggruppano componenti ottici, RF, analogici, digitali, di potenza e audio all’interno di uno spazio solo leggermente più grande di una scatola di fiammiferi. Se un telefono cellulare può tollerare l’effetto del rumore residuo di un convertitore Dc/Dc, è ovvio che anche la maggior parte degli altri prodotti saranno loro in grado di tollerarlo. Tuttavia è vero che un circuito con un convertitore Dc/Dc richiede di essere progettato correttamente sia elettricamente che a livello di circuito stampato per evitare problemi di rumore. La resistenza parassita presente lungo il percorso di alimentazione deve essere ridotta al minimo per ottenere la massima efficienza. L'induttore dovrebbe essere selezionato in modo da ottimizzare il compromesso tra il requisito di dimensione fisica e quello di basso valore di resistenza Dc. La parte più rumorosa del circuito è nei pressi del pin LX; quindi l'induttore deve essere posizionato vicino a questo pin per evitare interferenze condotte e ridurre al minimo la resistenza della pista. Un condensatore di disaccoppiamento di adeguato valore (microfarad) dovrebbe essere collegato il più vicino possibile al terminale di alimentazione dell'induttore. Questo consente di offrire un percorso a bassa impedenza alle correnti di picco richieste dall’induttore. Idealmente, anche il condensatore di uscita dovrebbe essere posizionato vicino al convertitore, per ridurre al minimo la caduta di tensione dovuta alla resistenza parassita della pista di rame. I picchi di corrente dell'induttore possono anch’essi causare interferenze sulle piste parallele adiacenti tramite accoppiamento simile a quello che avviene in un trasformatore. Se si dispongono i condensatori vicino al circuito integrato di controllo, si creano le condizioni per ridurre al minimo anche questo effetto. Può anche essere una buona idea quella di utilizzare un induttore schermato che permette di contenere al minimo le emissioni irradiate. Le resistenze di retroazione, se utilizzate, dovrebbero essere del valore più basso permesso dal circuito. Resistenze di feedback di elevato valore possono causare problemi nella risposta di fase della rete di retroazione (valore alto di resistenza di feedback insieme con la capacità d’ingresso del pin di feedback): potrebbero causare qualche instabilità sulla tensione di uscita. Un piccolo condensatore in parallelo alla resistenza superiore di feedback spesso risolve tali problemi. Resistenze di feedback di elevato valore tendono anche a raccogliere il rumore proveniente dall’induttore: quindi è sempre bene mettere le resistenze di feedback lontano dall’induttore soprattutto se questo non è di tipo schermato. Abbassando il valore delle resistenze di feedback o mettendo un condensatore di 100 pF in parallelo alla resistenza superiore si ottiene, quasi sempre, la risoluzione di questi problemi. Infine, è sempre bene mettere le resistenze di feedback vicino al chip: così facendo, la pista che si riferisce al segnale della tensione di uscita può essere tracciata sul circuito stampato senza incrociare la pista della tensione di feedback. La tensione di uscita ha un’impedenza più bassa e sarà pertanto più immune da iniezioni di rumore dall’esterno.

Non utilizzare mai un regolatore lineare
È tempo di sfatare un altro mito della progettazione low-power: che i regolatori lineari sono troppo poco efficienti per essere utilizzati nella progettazione low-power. In realtà, se la potenza che il regolatore lineare dissipa è bassa, in confronto con il consumo totale di potenza del circuito, allora il regolatore lineare fornisce una valida alternativa low-cost rispetto ad un regolatore switching. Un regolatore lineare low-current, con un rendimento del 30%, spesso dissipa una potenza molto inferiore a quella di un convertitore Dc/Dc high-current con un'efficienza del 90%. Ciò dimostra che è fuorviante per il progettista considerare la sola efficienza di un dispositivo. È necessario considerare anche la potenza che il dispositivo stesso dissiperà. Il circuito è alimentato da un ingresso a 6 V con due uscite: una di 3.3V/600mA e una di 1.8V/1mA. Il regolatore Low-Drop-out (Ldo) AS1360 di austriamicrosystems ha un’efficienza del 30% ma dissipa solo 4.2mW di potenza. Il convertitore Dc/Dc AS1341 ha un rendimento del 90% e dissipa 220mW di potenza, più di 50 volte la dissipazione di potenza del Ldo.

Un P-Fet è il miglior dispositivo
da utilizzare per la commutazione
di potenza al circuito

Un modo sicuro per ridurre il consumo energetico di un circuito è ridurre la tensione di funzionamento di ogni dispositivo. Questo può essere fatto selezionando diverse resistenze di feedback attorno al regolatore. Aprendo l'interruttore si riduce la tensione di uscita, Vout. In molti casi, il consumo di un componente si riduce in proporzione alla tensione di esercizio. Va osservato che lo switch dovrebbe essere posto in basso, in modo che qualsiasi iniezione di carica dello switch risulti tamponata dalla resistenza, senza essere iniettata direttamente nel nodo di feedback. Se alcune parti del circuito, non sono necessarie durante il funzionamento o lo stand-by, è buona pratica spegnere la loro alimentazione. Moduli di comunicazione e display consumano grandi quantità di corrente e spesso richiedono una tensione di funzionamento ben precisa, che non può essere abbassata per creare una modalità di tipo stand-by. Molti Ldo hanno un pin di Shutdown che azzera la loro tensione di uscita. Se questo pin non è disponibile, transistor high-side P-Fet sono tradizionalmente utilizzati per commutare l’alimentazione. Lo sviluppo di interruttori analogici con bassa resistenza di on, ha comunque offerto al progettista una alternativa di concezione simile a quella digitale, disponibile in un package persino più piccolo di quello di un P-Fet, ma senza gli effetti del cosiddetto body-diode. Quest’approccio può essere esteso ancora di più se il circuito non ha bisogno che la tensione sia sempre presente per mantenere alimentato un circuito di Real-Time-Clock: tutto il circuito può essere attivato tramite un pulsante, eliminando così la necessità di progettare una modalità stand-by. Una volta accesa, la logica che controlla l’interruttore analogico può essere governata dal microcontrollore fornendo un'alternativa più elegante rispetto all’impiego di un “rocker switch”, però con un accorgimento: garantire che tutti gli ingressi del dispositivo che sta per essere messo in shut-down siano a 0V prima di toglierne l’alimentazione, altrimenti il dispositivo si accenderà tramite i diodi di protezione presenti ai suoi ingressi. In questo tipo di circuito con un interruttore analogico NA (Normalmente Aperto) e un interruttore analogico NC (Normalmente Chiuso), un pulsante attiva gli interruttori, instradando l’alimentazione verso il microcontrollore. Il pin del micro sostituisce l'ingresso logico dell’interruttore analogico, mantenendo viva la propria alimentazione. Quando il microcontrollore ha terminato il suo compito, rilascia l’ingresso logico dell’interruttore analogico e interrompe la propria alimentazione. L'interruttore NC assicura che ogni capacità a valle dello switch sia scarica e che l’alimentazione del microcontrollore sia interrotta tramite un minimo di controllo. Come accade con qualsiasi microcontrollore, è sempre meglio prevedere la presenza di un Supervisor; in questo esempio il dispositivo AS1904 consuma solamente 150 nA di corrente e contribuisce quindi pochissimo al consumo complessivo del circuito. Prova dell'efficacia delle tecniche di cui sopra è data nell'esempio in cui tre vaschette di succo di limone alimentano un microcontrollore PIC. Quando l'autore ha costruito questo circuito, le vaschette avevano ognuna una sezione di 20 millimetri di tubo di rame per l'anodo e un chiodo di ferro con funzione di catodo. Esso utilizza i componenti di cui sopra: un convertitore Dc-Dc AS1323, gli interruttori AS1743 e un Supervisor AS1904. Le vaschette sono state collegate in serie producendo una tensione a circuito aperto di 2.44V. Effettuata la connessione al convertitore boost, si è constatato che la corrente di spunto provoca un crollo della tensione di batteria. L’inserimento di un condensatore da 470 uF vicino al convertitore boost ha risolto questo problema. Il convertitore boost è stato portato fuori dalla condizione di shut-down e ha quindi prodotto una tensione d’uscita “pulita” di 3.3 V. Un pulsante ha attivato il chip AS1743 fornendo quindi l’alimentazione al microcontrollore PIC16F505 che, a sua volta, ha pilotato il pin di ingresso logico del dispositivo AS1743 per la durata di 1 secondo. Quando la tensione di questo pin è scesa a livello basso, l’AS1743 ha conseguentemente interrotto l’alimentazione al Pic, mettendo il circuito in shut-down. Durante il funzionamento del microcontrollore la tensione della batteria è scesa a 1.44 V, salendo di nuovo a 2.44 V quando l’AS1743 ha interrotto la sua alimentazione. In questo circuito, la frequenza di clock del micro è stata ridotta a 32 kHz e tutte le periferiche interne, compreso il Watch-Dog, sono stati spenti.

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