No todos los sistemas portátiles son tan simples como se muestra anteriormente en esta serie de artículos. Aquí, la Figura 1 muestra un diagrama de bloques típico de un dispositivo electrónico portátil. La complejidad del diseño se magnifica por la presencia de numerosos bloques funcionales y subsistemas.
No todos los sistemas portátiles son tan simples como se muestra anteriormente en esta serie de artículos. Aquí, la Figura 1 muestra un diagrama de bloques típico de un dispositivo electrónico portátil. La complejidad del diseño se magnifica por la presencia de numerosos bloques funcionales y subsistemas.
Un enfoque lógico es dividir el sistema general en varios subsistemas y analizar el consumo de energía de cada uno por separado. Esto también ayuda a simplificar el diseño del dominio de energía de tal manera que permite funciones de bajo consumo.
La energía para la pantalla y la sección del controlador táctil está dominada por la unidad de retroiluminación y la pantalla en sí. La mayoría de los diseños utilizan tiempos de espera basados en temporizadores y modos de apagado para las pantallas. Por lo general, después de un tiempo fijo (T1), la luz de fondo cae a un ciclo de trabajo del 50 % y se apaga después de un tiempo adicional (T2) cuando la pantalla se apaga. En este punto, también puede apagar el controlador táctil o ponerlo en modo de apagado según su escenario de uso. Esto le permite al diseñador dibujar el perfil actual para este bloque, seguido por la corriente típica.
Los controladores inalámbricos como los de Bluetooth generalmente están diseñados para bajo consumo. Hay una forma de ciclo de trabajo entre los modos de alta y baja potencia. Los números generales proporcionados en las hojas de datos del controlador inalámbrico son las mejores suposiciones que puede hacer sobre el consumo de energía sin tener que perfilar el sistema. Sin embargo, no olvide tener en cuenta la naturaleza del ciclo de trabajo de estos dispositivos entre diferentes modos de alimentación.
La corriente del sensor está dominada por la corriente de excitación y la potencia consumida por el extremo frontal analógico (AFE). Los dispositivos como el PSoC 4 de Cypress incorporan funciones analógicas como convertidores de analógico a digital (ADC) y otros componentes AFE. Esto permite a los diseñadores apagar dinámicamente estos bloques a través de comandos de firmware. Este nivel de control y granularidad puede mejorar aún más la eficiencia de los diseños de bajo consumo.
Para diseños complejos que involucran múltiples controladores y múltiples modos de operación, también tiene sentido diseñar el circuito de potencia para acomodar los diversos dominios de potencia controlables. Esto permite que un solo controlador en un dominio de energía en espera controle activamente otros dominios. Este tipo de arquitectura puede ser costosa de diseñar, pero tiene un consumo de energía muy bajo.
Una vez que se han identificado las distintas subsecciones, hay varias formas de optimizar la potencia de cada subsección.
- Apague toda la subsección apagando el regulador.
- Apague los periféricos que no estén en uso.
- Utilice el modo de bajo consumo del microcontrolador para reducir el consumo medio.
La forma más efectiva de lograr una potencia baja es apagar los reguladores que se usan para alimentar subsecciones específicas. Si una subsección en particular no se necesita durante largos períodos de tiempo y la función que realiza no es crítica en cuanto al tiempo, el controlador principal se puede usar para controlar ese regulador en sí. Los sensores son un buen ejemplo de subsistemas que se pueden apagar cuando el sistema no está funcionando. La única corriente de fuga consumida es la fuga del regulador.
Si no puede desconectar la alimentación de toda la subsección, tendrá que mirar los periféricos y componentes individuales de la subsección. Por ejemplo, en la sección de sensores, puede haber sensores que no necesitan medirse y sensores que se están midiendo. Considere tener un termistor, un acelerómetro y un sensor IR para medir la temperatura. Si hay movimiento y el resto del sistema debe activarse en función de esto, el acelerómetro debe verificarse con frecuencia. Por el contrario, los sensores de temperatura e IR son en su mayoría innecesarios. Ahora considere la excitación del termistor (vea la Figura 2). En este caso, la corriente fluye a través del termistor y la resistencia de referencia, ya sea que esté realizando una medición o no.
Ahora, modificar el circuito del termistor como se muestra en la Figura 3 evita esta corriente cuando el sensor no está siendo muestreado.
En este caso, el pin está configurado en modo de salida fuerte (inversor CMOS). Conduzca el pin bajo si necesita medir la salida del sensor. Esto conecta el termistor a Vss a través de un transistor NMOS. La única resistencia adicional que debe tenerse en cuenta es la resistencia de encendido del transistor NMOS, que tiende a ser muy baja. Coloque el pin alto si no necesita medir la salida del sensor. Esto conecta el termistor a Vdd y consume cero corriente a través del circuito del sensor.
El acelerómetro tampoco necesita ser muestreado constantemente, por lo que otros componentes analógicos, como ADC y amplificadores operacionales, o generadores de referencia utilizados en la cadena de señal analógica pueden apagarse cuando no se requiere medir la señal.
Si este circuito se implementa usando un SoC, hay varias formas de reducir el consumo de energía que se discutirán. Teniendo en cuenta el sistema que se muestra en la Figura 1, el controlador LCD se puede poner en suspensión y el procesador host puede detectar un comando I2C para activarlo. El consumo de energía puede ser tan bajo como 20 nA cuando se implementa con PSoC 4.
De manera similar, si la subsección del sensor se implementa con un modo de bajo consumo que apaga todo, la MCU puede activarse con una interrupción del comparador cuando hay movimiento. Al conectar la salida del acelerómetro a un comparador, cualquier movimiento puede activar el dispositivo y desencadenar un evento en el procesador principal.
Los sistemas basados en SoC pueden usar otras técnicas para reducir el consumo de energía promedio. Por ejemplo, el consumo de energía dinámico es directamente proporcional a la frecuencia de conmutación, por lo que todos los periféricos pueden sincronizarse utilizando la frecuencia de reloj más lenta posible, ahorrando energía. Por ejemplo, un ADC dentro de un SoC generalmente debe sincronizarse a una frecuencia proporcional a la frecuencia de muestreo deseada. Configurar el ADC a una frecuencia de muestreo más alta que la que realmente se requiere para cumplir con los requisitos del sistema cargará innecesariamente la batería.
Existen otras técnicas a nivel de sistema que se pueden utilizar para reducir el consumo total de energía. Por ejemplo, las salidas del dispositivo pueden admitir velocidades de respuesta más lentas para reducir las emisiones. Sin embargo, una velocidad de respuesta más lenta permite que tanto el PMOS como el NMOS estén encendidos durante períodos de tiempo más prolongados, lo que hace que fluya más corriente a través de los FET en la etapa del controlador del pin. Puede configurar la velocidad de giro del pin más alta o más baja en función de la cantidad de radiación que puede tolerar de su sistema.
Elegir un dispositivo que ofrezca una variedad de modos de energía que permitan un control altamente integrado sobre el estado de energía del SoC simplifica la implementación de sistemas de bajo consumo. Dependiendo de la aplicación, se pueden usar diferentes modos de energía de manera efectiva para garantizar una corriente promedio baja. Las frecuencias de reloj más altas consumen más energía, pero ejecutar la CPU a una frecuencia más alta y poner el dispositivo en reposo antes puede resultar en un consumo de energía promedio más bajo. Los desarrolladores deben considerar el sistema como un todo y evitar las rutas de fuga de corriente tanto como sea posible.