Tutti i vantaggi del risparmio energetico

MICROCONTROLLORI –

I microcontrollori avanzati offrono i vantaggi del risparmio energetico a diverse applicazioni. Significativo il caso dell’applicazione nei termostati e nei contatori di elettricità.

Il basso consumo è spesso considerato un principio centrale dei prodotti Green, ma la natura del basso consumo raramente viene chiarita o quantificata. I requisiti per un microcontrollore a basso consumo varieranno a seconda dell'applicazione e da come gli Mcu verranno usati nell'applicazione. Gli utilizzi possono essere classificati in tre aree principali:
•    Modalità minima potenza – Questa verrà utilizzata in applicazioni come un termostato alimentato a batterie. Il minimum lower mode definisce il più basso livello di potenza disponibile per alimentare il display Lcd. Questa riduzione di potenza conduce ad un prolungamento della vita delle batterie.
•    Corrente attiva consumata – Per applicazioni come contatori di elettricità, il livello e la natura del basso consumo si riferisce alla corrente attiva consumata dal sistema durante il suo funzionamento.
•    Applicazioni a data specifica – Questi sono sistemi che richiedono siano mantenuti data e ora, a prescindere dalla presenza dell'alimentatore primario del sistema, come un contatore di elettricità durante un guasto di alimentazione.

Modalità di potenza flessibili
Poiché i requisiti delle applicazioni si diversificano, i progettisti ricercano Mcu con modalità di potenza persino più flessibili per un funzionamento ancora più su misura. In passato, gli Mcu avevano un active mode per permettere la funzionalità di periferiche; modalità Idle e Doze per ridurre o eliminare l'alimentazione switching della Cpu e al contempo permettere alle periferiche di funzionare; e modalità Sleep che permettevano funzionalità operative delle periferiche limitate con un consumo minimo di potenza. Una certa quantità di nuove modalità di funzionamento è stata aggiunta al fine di aumentare la flessibilità negli Mcu avanzati nella direzione di processi silicei più avanzati che minimizzino i costi e riducano la corrente attiva. Per spiegare alcune delle modalità operative disponibili sugli odierni Mcu avanzati, questo articolo esaminerà come queste nuove modalità operative a basso consumo siano usate in una varietà di applicazioni. Ogni esempio verrà creato utilizzando lo strumento software Ble (Battery Life Estimator) e Mcu a 16 bit per fornire un confronto delle varie modalità di alimentazione, nell'implementazione in diverse applicazioni. Il Ble di Microchip è uno strumento software gratuito che consente ai progettisti di valutare la vita delle batterie dei loro sistemi e determinare quali dei modi di funzionamento disponibili meglio si adatta alla loro applicazione. Le funzionalità della famiglia di Mcu PIC24FJ128GA310 includono un certo numero di nuove modalità low-power e un driver per display Lcd, come dimostrato negli esempi che seguono.

La complessità di un termostato
I termostati sono diventati più complessi, con la necessità di mostrare molte più informazioni e coprire regioni geografiche multiple. Come risultato, quantità significative di memoria Flash on-chip è spesso richiesta per immagazzinare complessi menu in più lingue. In generale, i processi avanzati sono richiesti per produrre Mcu con grandi memorie a prezzi competitivi. Mano a mano che i processi con semiconduttori avanzano, tende ad esserci una riduzione della corrente di funzionamento (attiva) e un aumento della dispersione di corrente del transistor. L'aumento nelle perdite di corrente è maggiormente visibile nelle specifiche di corrente per le modalità low-power, come nella modalità Sleep. La corrente in fase Sleep sugli Mcu avanzati è tipicamente compresa in un range tra 3 e 5 µA, mentre la tipica applicazione di termostato fa appena di più che pilotare un display Lcd segmentato per la maggior parte del tempo. Il display a Lcd segmentati è tipicamente pilotato in uno Sleep mode che consente alle periferiche - in questo caso il driver Lcd – di operare mentre la Cpu e la maggior parte delle periferiche sono spente. Il termostato si accenderà periodicamente ed entrerà in un active mode – leggerà la temperatura, aggiornerà il display, e nel caso segnalerà al forno, ventilatore o unità AC di accendersi. Poiché per il 99% del tempo è richiesto solo la modalità Sleep, la corrente Sleep è un'area dove i miglioramenti possono beneficiare enormemente la vita delle batterie dei sistemi.
Per poter offrire alle Cpu una modalità di alimentazione inferire ai µA molti fornitori hanno introdotto nuove modalità Deep Sleep a basso consumo, dove le correnti tipiche in Deep Sleep sono in un range tra 10 e 50 nA, e queste periferiche possono alimentare un Rtcc (Real-Time Clock Calendar) con una corrente addizionale di 400 nA. Una possibilità è quella di spegnere l'intera periferica – con l'eccezione di una piccola quantità di memoria, un Real-Time Clock e, probabilmente, un Watch Dog Timer – per raggiungere correnti estremamente basse. Tuttavia, queste modalità Deep Sleep non consentono operatività delle periferiche o il mantenimento dei dati in memoria sulle Ram delle periferiche. La perdita del contenuto delle Ram richiede alle periferiche di eseguire una routine di riavvio preliminare alla ripresa dell'esecuzione del programma, al risveglio dal Deep Sleep. Un’alternativa può essere trovata con nuove modalità low-power, come la modalità Low-Voltage Sleep che mantiene la Ram dati delle periferiche a una tipica corrente di base pari a 330 nA e consente il funzionamento di periferiche addizionali a basso consumo. Questa modalità Low-Voltage Sleep mantiene la Ram della periferica e minori correnti Sleep riducendo l'uscita del regolatore on-chip della periferica. Riducendo la tensione di alimentazione alla logica della periferica e limitando le periferiche attive, la corrente Sleep degli Mcu può essere ridotta da 3.7 µA a 330 nA. Come sottoinsiemi dello Sleep mode, periferiche Mcu come driver Lcd, timer e Rtcc possono operare con un minimo aggiuntivo di corrente. La modalità Low-Voltage Sleep consente alla periferica di tornare nello stato attivo in meno della metà del tempo necessario al risveglio dalla modalità Deep Sleep. La periferica quindi inizia ad eseguire l'istruzione successiva, anziché iniziare con la sequenza di restart solitamente richiesta in un risveglio dalla modalità Deep Sleep.

L’utilizzo del Battery Life Estimator
La schermata principale del Battery Life Estimator mostra l'Mcu e la sua tensione di funzionamento, batteria e modalità operativa. Il risultato per il modello termostato è una vita stimata di 11 anni e 88 giorni. Lo strumento Ble simula il tempo che un microcontrollore impiegherà in ogni modalità operativa e quanta potenza consumerà la periferica in ognuna delle modalità. Prima vengono selezionati Mcu e tensione operativa del sistema. Questo permette al Battery Life Estimator di avvicinarsi ai parametri di caratteristiche appropriate. Una batteria, o una coppia di batterie viene quindi selezionata – in questo caso 2 batterie alcaline AAA. Possono essere selezionate anche la tensione operativa del sistema attesa e la temperatura di funzionamento, per avvicinarsi alle caratteristiche più appropriate nel modello che stima la vita della batteria. Alla fine le modalità operative che verranno utilizzate nel sistema sono definite. Nel caso del nostro termostato, verranno usate due modalità. Per simulare il tempo in cui il termostato mostra solo lo schermo Lcd, viene creata una modalità operativa chiamata “Display Lcd”. La modalità di funzionamento Display Lcd utilizza il Low-Voltage Sleep per fornire la modalità di alimentazione più bassa dalla quale l'Lcd possa essere pilotato. Lo strumento Battery Life Estimator è impostato per simulare la modalità Low-Voltage Sleep per 29.5 secondi dei 30 secondi di loop usati per modellare la vita operativa della periferica. Un secondo Update Temp e modalità di funzionamento Lcd è utilizzato per modellare il tempo che l'Mcu impiegherà per monitorare la temperatura, aggiornare lo schermo Lcd e comunicare con le unità Hvac.  La nuova modalità Low-Voltage Sleep e l'implementazione di una modalità di funzionamento nel Ble viene mostrato in Fig. 2 con la schermata Add/Modify Mode. Da questa videata, un progettista può modificare le impostazioni per la durata, che è normalmente impostata a 29.5 secondi. Utilizzando la casella di immissione Additional System Current, i progettisti possono aggiungere una stima di consumo di corrente per quelle che circondano l'Mcu. In questo caso, sono stati aggiunti 4 µA della corrente di sistema, per rappresentare la corrente consumata dal display Lcd, e un addizionale 1 µA di corrente è stato aggiunto per rappresentare la corrente richiesta dalla resistenza bias interna. Successivamente, viene selezionato il power mode, in questo caso Low-Voltage Sleep, e le periferiche richieste. Per offrire un modello accurato della corrente di sistema, sono stati selezionati l'Lcd Drive, Bor, Wdt e Rtcc. La corrente di sistema totale consumata dal Mcu, da solo, è 1.88 µA, che viene aggiunta ai nostri 5 µA di corrente di sistema per arrivare ai 6.88 µA richiesti dal sistema mentre è in modalità Low-Voltage Sleep. La schermata di editing dello strumento Battery Life Estimator consente ad un progettista di nominare e specificare le condizioni per ogni modalità di alimentazione utilizzata.  La schermata principale del Ble mostra come una media di 6.88 µA sia consumata mentre la periferica si trova in modalità Low-Voltage Sleep e appena oltre i 327 µA vengono consumati durante il breve tempo in cui la periferica è nello stato attivo, per una corrente media inferiore ai 6.9 µA. La vita stimata della batteria per il sistema è quasi 12 anni, o quasi 5 anni oltre la vita a scaffale delle batterie.  Un’applicazione contrastante per un Mcu è un sistema che potrebbe consumare per la maggior parte del tempo in active mode, come un contatore di elettricità. I contatori di elettricità odierni trascorrono tutto il tempo in uno dei due stati. La modalità operativa normale avviene quando l'energia elettrica è disponibile. In questa modalità operativa “normale”, l'Mcu è attivo e misura continuamente tensione e corrente, e calcola continuamente la potenza transitata attraverso il contatore. Il contatore potrebbe anche monitorare le potenziali manomissioni, alimentare un display Lcd, e potenzialmente comunicare con l'infrastruttura di telelettura. Mentre il contatore di elettricità è in funzione, potrebbe sembrare che la potenza sia abbondante. In realtà, la potenza è il prodotto che si sta fornendo attraverso l'utenza elettrica – il cliente finale del costruttore di quel contatore. La compagnia fornitrice dell'utenza elettrica fornisce energia a milioni di clienti, e persino un piccolo drenaggio di potenza è costoso per il business di queste power company. Infatti, la maggior parte di contatori deve operare sotto un budget di potenza di 10 VA, stabilito da Iec. Quando le possibili variazioni di linea, tolleranza dei componenti, e margini di progettazione del sistema sono presi in considerazione, il risultato finale è un budget di corrente di circa 10 mA per l'Mcu di sistema, utilizzando un alimentatore capacitivo.

I contatori di elettricità
Alcuni degli odierni contatori di elettricità economici utilizzano Mcu a 8 bit che tipicamente consumano oltre 10 mA, operando alla loro massima velocità e in active mode. Al fine di rientrare all'interno del budget di potenza di sistema, ai progettisti è spesso richiesto di far funzionare l'Mcu a frequenza ridotta. Molti degli odierni Mcu a 16 bit si avvantaggiano dei processi avanzati e tecniche di progettazione per offrire correnti tipiche di funzionamento inferiori ai 150 µA/MHz, e possono operare ad un pieno 16 Mips consumando un massimo di 6.9 mA. La corrente di funzionamento ridotta fornisce ai progettisti la possibilità di scelta tra ridurre la velocità operativa dell'Mcu per abbassare il consumo di potenza del sistema, oppure di aggiungere funzioni addizionali pur mantenendo il sistema entro il budget di potenza stabilito. Poiché i contatori di elettricità sono per la maggior parte del tempo nello stato attivo, sono anche un esempio di applicazione che può avvantaggiarsi di una delle modalità di più bassa potenza - Vbat. La funzionalità Vbat fornice un pin dedicato dotato di una fonte di alimentazione di back-up, come una batteria Ltc o un super condensatore. Quando l'alimentazione primaria al sistema cade, come accadrebbe durante un guasto di alimentazione, l'alimentazione per l'Rtcc automaticamente commuta al pin Vbat di back-up. L'Rtcc è importante in un contatore di potenza durante una interruzione, visto che la fatturazione per il tempo di utilizzo sta diventando progressivamente più diffusa. Nel funzionamento attraverso Vbat, l'Rtcc consente ad una batteria Ltc di durare fino a decine di anni, permettendo una quasi illimitata funzione di back-up di alimentazione. L'uso della funzionalità Vbat con l'Rtcc non è limitata ai soli contatori di potenza. Molte applicazioni, inclusi i termostati appena discussi, possono impiegare l'Rtcc per mantenere l'ora durante un guasto di alimentazione o un cambio di batteria. Vbat, con condensatore o batteria, può fare molto verso l'eliminazione del fastidioso lampeggio di luci che consegue a un guasto di alimentazione.

Mcu sempre più flessibili
L'evoluzione degli Mcu low-power in un mondo consapevole delle problematiche legate all'energia ha portato a Mcu general-purpose altamente flessibili. I progressi nella tecnologia dei processi e tecniche di progettazione hanno portato a Mcu 16 bit con correnti attive al di sotto dei 150 µA/MHz. È stata aggiunta flessibilità alla catena di gestione della potenza attraverso una nuova modalità low-power, come Low-Voltage Sleep e Vbat, e stanno consentendo a Mcu general-purpose di funzionare in una più ampia varietà di applicazioni. Il risultato è che i progettisti hanno accesso a microcontrollori potenti e adattabili che consentiranno maggiori applicazioni con maggiore efficienza energetica e facilità d'uso per l'utilizzatore.

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