Systemy mogą osiągnąć przeciętny pobór prądu na poziomie 1 µA, dzięki zastosowaniu niskoobciążonego cyklu pracy i minimalizacji poboru mocy przez procesor, oprogramowanie i interfejs
Wymagania w stosunku do przenośnych urządzeń elektroniki powszechnego użytku skłaniają się obecnie ku metodom osiągania niskiego poboru prądu przez zastosowane w nich systemy. W tych urządzeniach źródłem zasilania jest zwykle bateria, a potrzeby zmieszczenia urządzenia w kieszeni lub teczce wymuszają ograniczenie rozmiarów. Pomimo, że wspomniane ograniczenia poboru prądu są znacznie bardziej rygorystyczne w urządzeniach przenośnych niż w zasilanych z gniazdka, wciąż mamy do czynienia ze względną obfitością źródeł prądu. W końcu użytkownik może doładowywać swojego iPoda lub telefon komórkowy każdej nocy.
Ale jeżeli użytkownik nigdy nie będzie mógł wymienić – lub nawet tylko doładować – baterii, to co wtedy? Taki scenariusz pojawia się przed projektantami systemów rozrzuconych w instalacjach w terenie, gdzie doładowanie baterii jest praktycznie niemożliwe. Sieć bezprzewodowych czujników, często zwana siecią inteligentną lub pyłową, jest jedną z takich aplikacji: przeciętne zużycie prądu w każdym niezależnym węźle waha się w granicach 1 µA.
Poważne ograniczenia w zakresie mocy mogą także napotkać mniej egzotyczne urządzenia powszechnego użytku. Jako przykład może tu posłużyć stosowany w gospodarstwach domowych termostat. Zaprojektowanie go w taki sposób, by użytkownik sam wymieniał baterię, komplikuje układ instrukcji obsługi urządzenia, a także powoduje dodatkowe koszty, wynikające z konieczności opacowania obudowy o zwiększonej wytrzymałości i zapewnieniu miejsca dostępu do baterii, ponieważ z reguły termostaty są urządzeniami specjalnie uszczelnianymi. Juan Alvarez, dyrektor do spraw marketingu w Texas Instruments, na przykładzie urządzenia o symbolu MSP430 wyjaśnia prostą kalkulację bilansu energetycznego termostatu. – Mała bateria litowo-jonowa ma 
pojemność około 220 mAh. Jeżeli osiągnie się średni pobór prądu przez urządzenie na poziomie 2,5 µA, oznacza to, że może ono pracować przez dziesięć lat żywotności baterii. Po upływie tego czasu właściciel prędzej wymieni cały termostat niż samą baterię.
SIEĆ bezprzewodowa inteligentnych czujników, jak rodzina produktów firmy Millennial Net pracująca na częstotliwości 916 MHz, musi pracować w oddalonych lokalizacjach, gdzie wymiana baterii jest praktycznie niemożliwa. Zapotrzebowanie na moc dla pojedynczego węzła jest rzędu mikroamperów
Najważniejszą cechą systemu, mogącego pracować przy średnim poborze prądu rzędu 1 µA, jest niskoobciążony cykl pracy. Takie systemy pozostają w trybie czuwania przez ponad 99 procent ich życia, z krótkimi przerwami wypełnionymi aktywnością. Po „przebudzeniu” ściągają dane ze swoich czujników, przetwarzają je, porozumiewają się z czujnikami i ponownie zapadają w stan czuwania. Podczas projektowania takich systemów o powolnym cyklu pracy i ultraniskim poborze mocy projektanci mają do czynienia z dwoma głównymi obszarami oszczędności mocy o zdecydowanie różnych charakterystykach: pierwszy z nich to cyfrowa komunikacja i przetwarzanie, drugi stanowią układy: czujnik – wzmacniacz i interfejs.
Komunikacja zabiera znaczną część bilansu mocy w sieci czujników bezprzewodowych. Projektanci opracowali najpopularniejsze protokoły bezprzewodowe pod kątem systemów o praktycznie nieograniczonym dostępie do źródeł zasilania. Na przykład taki protokół jak 802.11, z trybem ciągłego nasłuchu, jest zupełnie niepraktyczny dla sieci o niskoobciążonym cyklu pracy. Sokwoo Rhee, główny technolog projektowania sieci czujników bezprzewodowych Millennial Net, twierdzi, że firma brała pod uwagę inne protokoły sieci bezprzewodowych, takie jak ZigBee, ale doszła do wniosku, że komunikacja zabiera zbyt dużo prądu. Zamiast tego Millennial Net stworzył swój własny protokół dla bezprzewodowej sieci czujników. – Musieliśmy zredukować liczbę pakietów kontrolnych przesyłanych w obie strony, aby utrzymać topologię sieci. Bezprzewodowa sieć czujników musi zredukować nadbudowę i musi być rzeczywiście skuteczna przy wykrywaniu i powtórnym wykrywaniu sieci. Można oszczędzić moc nie używając mikroprocesora dla całej tej nadbudowy, nieefektywnej z punktu widzenia obciążenia sieci – mówi Rhee.
Warto było ponieść wysiłek przy tworzeniu nowego protokołu, ponieważ efekt falowania zdarza się niezależnie od oszczędzenia czasu pracy mikroprocesora i towarzyszącego mu zużycia energii. Zdaniem Rhee, firma usiłowała zmniejszyć jak najbardziej ślady kodu. Protokoły w rodzaju ZigBee mają ślady dwukrotnie większe od śladów kodu stanowiącego własność Millennial Net. Protokół pasuje do małej pojemności pamięci, a więc używa mniejszego mikroprocesora, który z kolei pobiera mniej mocy i pozwala firmie spełnić wymagania oszczędności energii. Firma wybrała chip sterujący PIC16/8LF produkcji Microchip ze względu na jego sprawność prądową. Procesory przyszłości, pracujące w niskoobciążonym cyklu roboczym i o ultraniskim poborze mocy, mogą skorzystać z technik projektowania urządzeń o niskich wartościach progowych.
Wyłączenie samoczynne?
Zaskakujące jest, że czasami dla projektów urządzeń energooszczędnych nie trzeba wybierać procesora systemu, zoptymalizowanego pod kątem zużycia prądu. Eli Weinstein, główny technolog w firmie AvalonRF, która jest kolejnym producentem bezprzewodowych sieci czujników, także podkreśla znaczenie niskoobciążonego cyklu pracy jako kluczowego elementu spełniającego wymagania ultraniskiego poboru prądu. Ale procesor systemu, produkcji AvalonRF, musi być dostatecznie mocny, aby obsłużyć przetwarzanie, przechwytywanie i przekazywanie obrazu wykonanego przez węzeł. Przykładowym zastosowaniem urządzenia jest monitorowanie oddalonych instalacji bezpieczeństwa, takich jak zbiornik wody lub elektrownia. System musi być zdolny do działania przez dziesięć lat przy wykorzystaniu pierwotnie zainstalowanej baterii litowej. Jeżeli czujnik samoczynnie się wyłączy, urządzenie budzi się, przechwytuje, przetwarza i przekazuje obraz do decydenta, który określa przyczynę zdarzenia.
Weinstein mówi, że pomimo iż 32-bitowy mikrosterownik Blackfin produkcji Analog Devices nie jest tym, co wielu mogłoby zaklasyfikować jako procesor energooszczędny, projektanci AvalonRF zastosowali Blackfin ADF 7020 do pracy w cyklu tak nisko obciążonym, że przeciętny pobór prądu jest mniejszy niż 1 µA. – Jeżeli w Blackfin wyłączy się zegar, pobiera on wtedy bardzo mało prądu – mówi Weinstein. Bardzo ważne dla działania w niskoobciążonym cyklu pracy jest wyłączanie przez procesor zegara w trybie energooszczędnym i zdolność procesora do natychmiastowej odpowiedzi; niektóre procesory muszą przechodzić przez długą i pochłaniającą prąd procedurę restartu.
Układy czujnik-procesor w tych ultraenergooszczędnych systemach o niskoobciążonym cyklu roboczym muszą także być energooszczędne. Celem jest wybranie wzmacniacza o parametrach wystarczających, aby spełnić potrzeby systemu w zakresie przetwarzania sygnałów i wymagającego możliwie mało mocy przy tym poziomie parametrów operacyjnych. Parametry operacyjne wzmacniacza, które szczególnie wpływają na zapotrzebowanie mocy, odnoszą się do szumów, szybkości odwracania i prądu wyjściowego. Dodatkowymi, chociaż mniej krytycznymi, czynnikami wpływającymi na moc są: prąd podkładu i spadek napięcia zasilania.
Niestety, energooszczędne wzmacniacze mają jednak wyższe specyfikacje w odniesieniu do szumów niż standardowe wzmacniacze operacyjne. Tim Regan, dyrektor do spraw aplikacji przetwarzania sygnałów w Linear Technology, wyjaśnia, jak ograniczenia projektowania pogarszają problem szumów urządzenia: – Jeżeli zmuszasz wszystkie tranzystory wzmacniacza do głodówki prądowej, zwykle musisz dołączyć bardzo duże [wewnętrzne] rezystory rzędu dwa do trzech M?. Projektanci ultraenergooszczędnych systemów muszą się do tego dostosować. Duże rezystory oznaczają także znaczne szumy cieplne.
Aby dostosować się do nieuniknionych, wysokich poziomów szumów w energooszczędnych wzmacniaczach operacyjnych, projektanci często są zmuszeni do zastosowania dodatkowej filtracji. Podczas projektowania urządzeń o normalnym poborze mocy projektanci zwykle usiłują uniknąć filtrowania ze względu na dodatkową zwłokę, ale w projektach ultraenergooszczędnych czas w rzeczywistości zwalnia. Ubocznym rezultatem pracy wzmacniacza przy tak niskim prądzie jest to, że pozostaje niewiele dostępnego prądu do ładowania wewnętrznych pojemności wzmacniacza; dostępne są tylko wartości prądu rzędu nanoamperów, aby zasilić wewnętrzne węzły wzmacniacza operacyjnego. Oznacza to, że energooszczędne wzmacniacze operacyjne mają niskie szybkości narastania prądu, które raczej mierzy się w miliwoltach, a nie w woltach na sekundę. – Jeżeli jesteś projektantem systemów o powolnym cyklu pracy – mówi Regan – to twoją najważniejszą cechą powinna być cierpliwość, ponieważ wszystko odbywa się… bardzo powoli. Ale z drugiej strony daje ci to czas na przefiltrowanie, ponieważ nie zamierzasz uzyskać wielkiej przepustowości swojego systemu. Odfiltruj więc te szumy. Zmniejszy to ból wynikający ze stosowania rozwiązań projektowych o większych szumach.
Konieczność wzmacniania sygnału czujnika jest uzależniona od poziomu napięcia. – Zwykle jeżeli działasz w zakresie od setek miliwoltów do woltów w czujniku, możesz potrzebować tylko przesłać sygnał do bufora, przed jego przejściem do przemiennika. Aby zminimalizować zużycie prądu potrzebujesz oporników o wyższych wartościach, eliminując w ten sposób dodatkowe ścieżki prądu stałego. Jeżeli już przesłałeś do bufora, możesz prawdopodobnie uciec przed konfiguracją„ brak odwracania – jedność – zysk”; bezpośrednio powiążesz sprzężenie zwrotne na wyjściu z wyprowadzeniem wzmacniacza odwracającego. W takim przypadku nie wprowadzasz żadnych obciążeń rezystancyjnych wraz ze wzmacniaczem, innych niż te wychodzące na zewnątrz, które sam wprowadzasz – mówi Eric Nolan, dyrektor do spraw marketingu produktu w Analog Devices.
Jeżeli napięcie wyjściowe czujnika mieści się w zakresie małych napięć, mierzonych w miliwoltach lub w mikrowoltach, wymaga ono pewnego wzmocnienia. Zgodnie z sugestią Regana z Linear Technology, najlepszym sposobem wzmocnienia sygnału jest skorzystanie z wielu stopni i wykonanie filtracji już na pierwszym etapie. – Jeżeli dodasz kondensatory filtrujące, w razie zmian napięcia musisz ładować i rozładowywać te zewnętrzne kondensatory, które wykonują filtrowanie. Jeżeli zastosujesz filtrację w pierwszym etapie, kiedy… na wejściu jest kilka mikrowoltów, nie musisz marnować prądu na ładowanie i rozładowywanie kondensatorów filtrujących. Po filtracji możesz przejść do konwencjonalnych etapów, wykorzystujących oporność – dodaje Eric Nolan,.
W systemach o powolnym cyklu pracy prądy robocze spędzają większość czasu bezczynnie, warto więc zminimalizować nieproduktywne upływy prądu. W wielu typowych wzmacniaczach operacyjnych można znaleźć wartości prądów swobodnych w specyfikacji prądów spoczynkowych, to znaczy prądów wymaganych przez urządzenie niebędące pod obciążeniem. Jednakże wzmacniacze operacyjne, przewidziane do pracy w niskoobciążonym cyklu, mogą mieć wyprowadzenie wyłączające, które wymusza przejście wzmacniacza operacyjnego w tryb niskoprądowy. Oszczędność na prądzie jest znaczna. Typowa specyfikacja dla prądu spoczynkowego to 1 µA, podczas gdy prąd wyłączenia ma wartość około 0,01 µA.
Istnieje opcja wyłączania
Alvarez z Texas Instruments sugeruje rozważenie tej właściwości we wzmacniaczach operacyjnych. – Przy cenie dodatkowego wyprowadzenia możesz zaoszczędzić prawie rząd wielkości prądu. Z opcją wyłączenia w rzeczywistości zmuszasz urządzenie do przejścia w stan nieaktywny i do obudzenia go i pełnego włączenia.
Jednakże wyprowadzenia wyłączające nie są lekarstwem na wszystko. – Wzmacniacze potrzebują pewnego czasu, aby osiągnąć gotowość do pracy, i typowe jest zjawisko polegające na tym, że im mniejsze jest zużycie prądu w normalnej pracy, tym wzmacniacz potrzebuje dłuższego czasu do osiągnięcia parametrów roboczych. Szczególnie jest to widoczne, jeżeli używasz naprawdę energooszczędnych wzmacniaczy – ostrzega Nolan z ADI. Dodatkowo, wyłączanie działa tylko na sam wzmacniacz operacyjny, natomiast obwody czujników nadal marnują prąd. Nolan mówi, że projektanci często wolą zastosować zewnętrzny wyłącznik i odciąć zasilanie zarówno do wzmacniacza, jak i obwodów czujników.
Regan z Linear Technology zgadza się z tym zastrzeżeniem, odnoszącym się do czasu „rozkręcenia się” wzmacniacza operacyjnego po jego wyłączeniu, podkreślając, że w większości przypadków czasy włączania się i wyłączania nie są zagwarantowane. Wytwórcy określają jedynie typowe wartości tych czasów. – Długie czasy włączania się i wyłączania wpływają na czas systemu pracującego w niskoobciążonym cyklu i w rezultacie na obniżenie żywotności baterii. Zamiast na 10 lat może ona starczyć tylko na pięć lat. Regan sugeruje, że powinieneś się upewnić, jaki jest czas życia twojego projektu, z uwzględnieniem czasów włączania i wyłączania.
Trzecim czynnikiem, który powinien być uwzględniony przy projektowaniu wzmacniaczy operacyjnych dla systemów energooszczędnych i pracujących w powolnym cyklu, jest prąd sterujący. Standardowy wzmacniacz operacyjny może mieć prąd zwarcia na poziomie 20 mA w porównaniu z takim prądem we wzmacniaczu energooszczędnym w granicach od 0,5 do 1 mA. Prąd sterujący obniża swoje wartości nawet w systemach wymagających poniżej 3V. Standardowy wzmacniacz operacyjny z zasilaniem o napięciu 5V może zapewnić typowo prąd 10 mA, ale w systemie ultraenergooszcędnym, zasilanym pojedynczą baterią 1,8V, może zapewnić tylko 1 mA. – Urządzenie nie ma rezerwy napięciowej, pozwalającej uprzedzić źródło, żeby dostarczyło prądu podstawowego tranzystorowi na wyjściu. Te energooszczędne urządzenia nie mogą pobrać i zużyć tak dużych prądów – mówi Regan.
Napięcie baterii w funkcji czasu także ma wpływ na prąd sterujący. Małe, guziczkowe baterie, jak pierwotnie zamontowana bateria litowa, zaczynają przy pełnym naładowaniu dostarczać 3V i dostarczają prąd dalej, nawet gdy napięcie spadnie aż do 1,5V. Projektanci systemów muszą dobrać urządzenia tolerujące nie tylko niskie napięcie zasilania, ale też zakres napięć, który zaczyna się od wysokich wartości i spada aż do całkowitego wyczerpania się baterii. W systemach ultraenergooszczędnych niskie prądy eliminują konieczność sezonowania takich części jak regulatory, dzięki czemu system może zacząć pracę bezpośrednio po założeniu baterii.
Autor: MARGRERY CONNER EDN Magazine
