Dada la importancia de la preservación, la portabilidad de los sistemas integrados es una consideración de diseño importante. Los sistemas portátiles generalmente funcionan con baterías, y la duración de la batería depende del consumo de energía del sistema. Más recientemente, como parte de la iniciativa “Go Green”, el consumo de energía también se ha convertido en un criterio de selección para las aplicaciones de conexión a la pared.
Dada la importancia de la preservación, la portabilidad de los sistemas integrados es una consideración de diseño importante. Los sistemas portátiles generalmente funcionan con baterías, y la duración de la batería depende del consumo de energía del sistema. Más recientemente, como parte de la iniciativa “Go Green”, el consumo de energía también se ha convertido en un criterio de selección para las aplicaciones de conexión a la pared.
Los dispositivos portátiles generalmente se clasifican según usen baterías recargables o no recargables. Para aplicaciones que utilizan baterías no recargables, la duración de la batería es un requisito de especificación muy importante. La duración de la batería en cualquier aplicación depende de:
• Cuánta carga está disponible para la batería en uso
• Consumo medio de corriente de la aplicación
Las aplicaciones que usan baterías recargables agregan otro parámetro con respecto a la frecuencia y el tiempo que se tarda en cargar la batería.
En el nivel más simple, el problema de la duración de la batería se resuelve aumentando la capacidad de la batería o disminuyendo el consumo de corriente promedio de la aplicación. Los diseñadores de sistemas pueden aumentar la capacidad de la batería solo hasta el punto en que el peso de la batería comience a afectar negativamente las restricciones mecánicas o el costo del sistema. Los nuevos desarrollos en la tecnología de la química de las baterías tienen como objetivo aumentar la densidad de carga de las baterías, pero la urgente necesidad de reducir el consumo medio de energía se está convirtiendo en una realidad.
El consumo medio de energía de su aplicación depende de:
• Consumo de energía por componentes de circuito individuales
• El esquema de energía de su aplicación y cómo alimentar diferentes partes de su diseño.
• Cómo se diseñan los componentes individuales para operar en diferentes modos de operación
El consumo de energía para componentes individuales está disponible en la hoja de datos del dispositivo para cada componente. El conocimiento de esta división de energía individual es fundamental para un buen diseño del sistema que pueda optimizar el bajo consumo de energía.
Considere el ejemplo de un simple reloj digital de bolsillo alimentado por batería. El propósito de este dispositivo es mantener la hora y mostrar la hora actual cuando se presiona una tecla. Los dispositivos generalmente entran en modo de apagado para ahorrar energía y solo se activan y actualizan la pantalla cuando se detecta una pulsación de tecla. Para ahorrar energía, tanto la pantalla como el circuito principal se apagan después del tiempo de espera. En la Figura 1 se muestra una representación de diagrama de bloques de alto nivel de este sistema.
Este circuito tiene un RTC para mantener el tiempo y un chip controlador principal para comunicarse con el RTC y administrar la interfaz de visualización. Todo el sistema normalmente se encuentra en un estado de apagado con la pantalla apagada y el controlador principal en modo de apagado para minimizar el consumo de corriente apagando todos los periféricos. La pulsación de una tecla se usa como disparador para activar el dispositivo, obtener los datos RTC y mostrarlos en la pantalla (generalmente una pantalla LCD).
Al analizar el consumo de energía de un sistema de este tipo, el primer número que debe buscar es la corriente promedio típica cuando tanto el dispositivo como la pantalla están en modo de apagado. Puede consultar las hojas de datos de cada periférico y controlador para conocer las cifras de consumo de energía. Para minimizar el consumo total de energía y prolongar la vida útil de la batería, necesita una forma de desconectar por completo la alimentación de todos los periféricos cuando no estén en uso. En esta aplicación, dicho periférico sería la pantalla. Por el contrario, los RTC deben recibir alimentación continua para realizar un seguimiento del tiempo.
En general, la MCU es el contribuyente dominante al consumo total de energía de la mayoría de los sistemas. Lo mismo es cierto para esta aplicación si no elige la MCU correcta y la usa sabiamente. Hay varias formas de reducir el consumo de energía de la MCU, que incluyen:
• Reducir la frecuencia de operación
• Ejecutar a un voltaje de operación más bajo
• Aproveche los modos de funcionamiento de bajo consumo
Las MCU admiten diferentes frecuencias operativas en las que pueden operar. Sin embargo, la cantidad de opciones varía según el dispositivo. El consumo de energía de la MCU es proporcional a la frecuencia de funcionamiento y el consumo de energía dinámico aumenta con la frecuencia. Por lo tanto, la MCU debe funcionar a la frecuencia más baja que pueda cumplir de manera confiable con los requisitos del sistema.
La frecuencia también tiene un efecto durante todo el día. El dispositivo admite varias opciones para fuentes de reloj, como oscilador interno de alta velocidad, oscilador interno de baja velocidad y oscilador de cristal externo. En la mayoría de los casos, el uso de un cristal externo mejorará la precisión pero consumirá más energía. Elegir una fuente de reloj para bajo consumo de energía es generalmente una compensación entre precisión y velocidad. Debe analizar cuidadosamente los requisitos de su sistema para elegir una fuente de reloj adecuada para garantizar el equilibrio adecuado entre el rendimiento del sistema y el consumo de energía.
La mayoría de las MCU admiten modos operativos de bajo consumo para facilitar el diseño de sistemas de bajo consumo. Nuevamente, la cantidad de modos admitidos y la funcionalidad de cada modo varía según el dispositivo. Estos modos de bajo consumo deben usarse con prudencia para reducir el uso promedio de energía. Los modos comunes incluyen:
• Modo activo donde la MCU funciona normalmente
• Un modo de bajo consumo en el que el reloj está conectado a la MCU mientras se mantienen varios registros y el estado de la RAM
• Modo de consumo mínimo en el que todos los periféricos, incluido el MCU, están apagados
El consumo de energía es el resultado del consumo de energía estática cuando el reloj está conectado a la MCU. El consumo de energía estática se ve afectado por varios factores, incluidas las condiciones de subumbral y las corrientes de túnel FET. Además, a medida que los FET se reducen para diseños de chips compactos, las corrientes de efecto túnel se vuelven dominantes.
Ahora hay SoC disponibles que integran en gran medida sistemas completos o subsistemas en un solo chip. Más allá de la integración, cuando se trata de consumo de energía, estos SoC ayudan a reducir el consumo de energía promedio que se puede lograr con MCU independientes y periféricos discretos.
La Parte 2 de esta serie de tres partes describe los SoC y cómo se pueden hacer más eficientes cuando se trata de diseñar sistemas para reducir el consumo de energía.