Оптимизация срока службы батарей в переносных встроенных системах
|
John Day, Штатный инженер по эксплуатации фирмы Microchip Technology Inc. Оптимизация срока службы батарей в переносных встроенных системахВс╦ больше и больше появляется малогабаритного электронного оборудования, основным источником питания которого являются батареи. От проектировщиков таких систем требуют достижения более высоких эксплуатационных показателей и получения лучших характеристик при работе от даже меньших по размеру и весу батарей. В этой статье рассматривается ряд рекомендаций по проектированию маломощных приборов, широко используемых для увеличения срока службы батарей. Рисунок 1. Щелочной элемент Energizer "AA" 1,5 В
Технологии производства батарей и долговечность Целый ряд факторов влияет на долговечность батареи - наиболее важными из них являются скорость саморазряда элемента, номинальное значение ╦мкости при определ╦нной нагрузке и требование к минимальному требуемому значению напряжения питания (Vdd) цепи. Некоторые батареи, например литиевые, имеют относительно плоскую характеристику разрядки, а их выходное напряжение может понизиться лишь на 10%, когда элемент израсходует 90% своей ╦мкости. К сожалению, выходное напряжение обычных щелочных элементов в диапазоне от AAA до D, как правило, уменьшается на 40% (от 1,50 до 0,9 В), когда используется приблизительно 90% полной ╦мкости. Типовая характеристика саморазряда литиевой батареи Energizer AA говорит о том, что температура очень сильно влияет на саморазряд, так что при расчете ожидаемого времени работы при повышенных температурах следует использовать уменьшенное значение номинальной полной емкости батареи. Поскольку рабочая температура на месте применения, минимальное напряжение Vdd, рабочий ток и рабочий цикл обуславливают разные требования к технологии производства батарей, то, чтобы оптимизировать срок службы батарей, очень важно рассмотреть спецификацию производителя (таблица 1). Таблица 1. Типовые параметры батарей
*) Хранение при температуре 21oC. **) Обычная длительность 2 с максимум. В таблице могут быть мелкие неточности, поэтому рекомендуем обратиться к файлу в формате .pdf Средний потребляемый ток Оценка потребляемого тока является первым шагом при разработке портативных систем. Большинство систем, работающих от батарей, имеют режим ожидания, снижающий потребляемый ток до нескольких микроампер или меньшей величины. Если система содержит генератор импульсов времени (часы реального времени), то потребляемый им ток следует прибавить к току режима ожидания. Средний потребляемый ток рассчитывается следующим образом: Ток = %Tвкл.·Iвкл. + %Tожид.·Iожид. + Iгенер.вр. Например, если датчик давления в шине в течение 1 минуты находится в режиме ожидания, потребляя 0,1 мкА, и потребляет 10 мА, когда в течение 100 мс измеряет и переда╦т величину давления, то общий потребляемый ток равен: (0,1/60)·0,01 + (59,9/60)·0,0000001 = 16,76 мкA. В этом примере задающим фактором является ток передачи данных в состоянии ⌠Включено■, поэтому сокращение времени включения, увеличение времени ожидания или снижение тока в режиме ⌠Включено■ окажет огромное влияние на суммарную потребляемую мощность. Энергосберегающие функции микропроцессорных устройств управления Современные маломощные КМОП- микроконтроллеры, например такие, как 8-разрядные микроконтроллеры PIC16F877 с групповыми записью/считыванием, предлагают много энергосберегающих функций, которые могут повысить долговечность батарей в системе. Режим ожидания и режим холостого хода Ожидание используется тогда, когда система может войти в полностью статичное состояние и не требует выполнения команд. Когда процессор вош╦л в режим ожидания, внешний генератор отключается вместе с усилителями считывания памяти программ. Поддерживается состояние ОЗУ процессора. Для того, чтобы прервать ожидание и продолжить работу, поскольку поддерживалось состояние процессора, можно использовать нажатие кнопки, работу шины, часы реального (истинного) времени, запускаемое фронтом прерывание или сторожевую схему. Тип генератора влияет на время запуска после выхода из режима ожидания. Деш╦вые (и относительно неточные) RC-генераторы включаются мгновенно, позволяя выполнять работу без задержки. Кварцевым резонаторам может понадобиться от нескольких сотен микросекунд для высокочастотных моделей до нескольких сотен миллисекунд при использовании низкочастотных кварцевых резонаторов для часов. Такая задержка, хотя и приемлемая для некоторых прикладных задач, может оказаться помехой для других. Также важно помнить, что прибор потребляет существенное количество энергии на стадии запуска генератора. В некоторых случаях во время запуска потребляемый ток может быть больше, чем во время работы микропроцессорного устройства управления. Холостой режим предлагает возможность поддержки внешнего генератора и работы периферийного оборудования, в то время как память микропроцессора отключена. Этот режим также обеспечивает мгновенный запуск, поскольку генератор уже работает. Однако энергосбережение в этом режиме ограничено, так как потребляемый ток генератора часто составляет 20√40% от всего потребления во время работы. Сторожевые таймеры Если по проекту требуется режим ожидания, но с необходимостью периодического включения, то наилучшим образом отвечает всем требованиям маломощный встроенный сторожевой таймер на базе RC-генератора. Последние маломощные микропроцессорные устройства управления, такие как приборы серии PIC16F87X, имеют встроенные сторожевые таймеры, работающие от маломощного внутреннего RC-генератора, с программируемым интервалом запуска от 18 мс до 3 с. Если требуются более длительные интервалы включения, то следует просто установить сч╦тчик и давать ему приращение. Проверьте, обеспечивает ли он более длительные интервалы времени и возобновление режима ожидания, если временной интервал не закончился:
Генераторы часов истинного времени Некоторые прикладные задачи требуют отслеживания "времени дня", "времени года" или других отметок точного времени. Так как системный генератор отключается во время режима ожидания, то необходим вторичный низкочастотный генератор для обеспечения сч╦та времени. Периферийные устройства TMR1 и TMR3 для PIC16F877 предлагают отдельный таймер с маломощным генератором в виде часового кварцевого резонатора с частотой 32768 Гц. Переполнение таймера можно использовать для запуска процессора, что обеспечит точное хронометрирование. Этот 16-разрядный таймер с его 3-разрядным предварительным делителем частоты обеспечивает значения времени простоя от 30 мкс до 16 с. Такие маломощные генераторы реального времени во время режима ожидания могут потреблять от 1 до 25 мкА.
Способы запуска после режима ожидания Так как значительная часть маломощных систем использует преимущества режима ожидания, то большинство микроконтроллеров предлагают множество различных вариантов выхода из этого режима. Типичные примеры: прерывания по фронту сигнала, сообщение подчин╦нного компонента системы, переполнение работающего таймера, сторожевые схемы и перекидывание входных/выходных контактов - все они могут запустить микроконтроллер после режима ожидания. Выбор кварцевого резонатора и компромисс между RC-генератором и кварцевым резонатором В связи с тем, что в современных КМОП-микроконтроллерах потери емкостной коммутации составляют большую часть потребляемой энергии, величина потребляемого тока прямо пропорциональна рабочей частоте и рабочему напряжению. Если ваша система не требует высокой скорости исполнения, выберите низкочастотный кварцевый генератор или RC. В целом, для уменьшения и энергопотребления, и электромагнитного излучения, лучше выбрать низкочастотный генератор, который вс╦ же отвечает требованиям к формированию меток времени системы. К сожалению, кварцевым генераторам может понадобиться несколько миллисекунд, пока они не запустятся и не достигнут стабильной частоты. Кварцевые резонаторы также вводят задержку различной длительности, когда запускаются после режима ожидания. Микроконтроллер же потребляет значительную часть своей активной мощности, не делая ничего, пока кварцевый резонатор не выйдет на стабильный режим. Таким образом, если рабочая частота достаточна низкая и периодиче-ски требуется включение после ожидания, то режим ожидания может оказаться невыгодным. RC-генераторы могут предложить значительное энергосбережение благодаря их способности мгновенно включаться и отсутствию у них задержки запуска после режима ожидания. К сожалению, RC-генераторы не обладают точностью кварцевых или керамических резонаторов. Некоторые производители калибруют встроенные RC-генераторы для получения 1√10% точности, пытаясь расширить использование этих деш╦вых генераторов. Системы, которые используют низкочастотный "Генератор Часов Истинного Времени", могут калибровать рабочую частоту устройства с помощью импульсов сигналов времени генератора истинного времени:
В этом примере TMR1 - это 16-разрядный таймер, подключенный к кварцевому резонатору с частотой 32768 Гц. Без предварительного делителя частоты самый значимый бит TMR1H_MSb будет переключаться каждую секунду. После первого ожидания перехода этого бита с низкого на высокий уровень ид╦т приращение сч╦та команд, пока этот бит находится на высоком уровне. Через одну секунду этот бит переходит в низкое состояние, и ваш сч╦т команд содержит рабочую частоту/# командных циклов для завершения цикла Пока/Приращение. Так как I = C(dV/dT), потребляемый ток емкостной коммутации прямо пропорционален напряжению питания (dV). Мощность равна V·I, так что если напряжение питания снижается наполовину (5V Управление режимом электропитания периферийных устройств Теперь, когда оптимизированы выбор генератора, рабочая частота, рабочее напряжение и режимы ожидания, наступило время для управления режимом электропитания внутренних периферийных устройств. Многие микроконтроллеры содержат АЦП, устройство сброса при пониженном напряжении, компараторы напряжения и источники опорного напряжения. Каждый из этих модулей потребляет ток, когда он включен, поэтому очень важно отключать их в то время, когда они не используются. Это особенно важно при использовании режима ожидания, поскольку какому-либо дополнительному модулю нет причин потреблять ток, пока процессор не работает. Некоторые микроконтроллеры, такие как PIC16F877, могут принимать и обеспечивать на выходе ток до 25 мА. Это делает возможным управление электропитанием многих внешних периферийных устройств, таких как жидкокристаллические дисплеи, операционные усилители, цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи (рис. 4) Это можно осуществить, подавая напряжение питания на них через неиспользуемые для основных задач порты ввода/вывода микроконтроллера, что позволит вам по мере необходимости включать/выключать их. Если требуется больший ток питания, то можно связать вместе несколько входов/выходов того же порта. Если необходим регулятор напряжения, то обязательно выбирайте устройство с низким током в рабочей точке, например TC54, чтобы поддерживать низкое потребление тока, когда микроконтроллер входит в режим ожидания. Рисунок 2. Типичное влияние температур на проектируемое энергоснабжение от батареи в процентах
Рисунок 3. Разрядка литиевого элемента Energizer CR2032
Рисунок 4. Типовое энергопотребление PIC16F877 относительно напряжения и частоты
Рисунок 5. Управление ЖКИ от микроконтроллера PIC16F877
Не попадайтесь в ловушку, оставляя неиспользованные входные/выходные выводы в третьем состоянии. Сделайте вс╦ неиспользованные выводы цифровыми выходами или заземлите все неиспользованные входы. Свободный цифровой вход может периодически и самым непостижимым образом генерировать колебания, потребляя ток в несколько сотен микроампер. Заключение Благодаря передовой технологии производства маломощных КМОП-структур, современные микроконтроллеры обладают отличными возможностями низкого энергопотребления. На смену дням "выключателей питания" пришло время режимов ожидания и аппаратно-программного автоматического отключения питания. Интегрированные часы истинного времени сделали возможным для встроенных систем генерировать временные метки событий, периодически запускаться после режима ожидания и поддерживать часы. Так как энергопотребление продолжает снижаться, появятся батареи меньших размеров и с большей долговечностью. Литература
|
2,5V), то потребляемый ток уменьшается приблизительно вдвое, а мощность ≈ до одной четв╦ртой! Поэтому низкие напряжения могут существенно уменьшить общее энергопотребление системы.
| Ваш комментарий к статье | ||||
