Projektowanie

Zużycie energii - wyjaśniamy

Mówienie o zużyciu energii może być jak pole minowe – pełne nieporozumień, uprzedzeń i marketingowych modnych słów. Ustalenie, co w rzeczywistości oznaczają wszystkie stwierdzenia, nie zawsze jest łatwym zadaniem.

Zużycie energii mierzone w watach (de facto zwykle w miliwatach, mW) jest prawidłową miarą dla zastosowań o małej mocy, natomiast pobór prądu mierzony w amperach (zwykle w miliamperach, mA) jest używany zbyt często. Ponieważ moc jest po prostu napięciem roboczym pomnożonym przez prąd, obliczenia są proste dla operacji ze stałym napięciem, natomiast sytuacja komplikuje się gdy używa się źródeł prądu, które się stopniowo rozładowują, a napięcie zmienia się w czasie i w zależności od parametrów ładowania. 

Pobór mocy zazwyczaj nie jest tym, co ma największe znaczenie

Zużycie energii mierzone w dżulach (zwykle w mikro-dżulach, µJ) określa, ile energii jest faktycznie pobierane z akumulatora w celu wykonania określonego zadania. Zużycie energii będzie całką poboru mocy w czasie potrzebnym do wykonania operacji. Ponownie, w przypadku sygnałów statycznych byłoby to zwykłe zwielokrotnienie poboru mocy i czasu, ale przy zmiennych sygnałach wymaga to bardziej złożonej analizy.

Pobór mocy jest najbardziej istotny w aplikacjach, w których źródło zasilania ma ograniczoną pojemność, czyli na przykład litowo-jonowa bateria pastylkowa. Popularne w małych gadżetach z czujnikami i inteligentnych urządzeniach, baterie te mogą znieść tylko kilka poborów szczytowych prądu bez uszkodzenia. Próbując uzyskać wyższą wartość szczytową, ryzykuje się trwałe zmniejszenie pojemności baterii, potencjalnie wpływając również na napięcie wyjściowe. Szczytowe zużycie mocy nie będzie problemem w aplikacjach, w których jest wystarczający prąd, aby ten szczyt osiągnąć.

Diabeł tkwi w szczegółach

Specyfikacje techniczne produktów zazwyczaj podają pobór mocy dla poszczególnych modułów i przy różnych warunkach pracy MCU (jednostki mikrokontrolera). Wartości te są łatwe do zmierzenia i są podawane w ten sposób od dziesięcioleci. Jednak dopiero od niedawna zaczęliśmy dostrzegać w dokumentacji informacje o zapotrzebowaniu na energię.

Częściowo problem polega na tym, że pomiar poziomu prądu statycznego lub poziomów szczytowych prądu jest łatwy do wykonania. Już od wielu lat, każdy standardowy sprzęt potrafi to zmierzyć. Łatwo też zrozumieć, że uruchomienie procesora, magistrali szeregowej lub innego modułu, takiego jak radio, powoduje konieczność dodania określonej ilości mA do całkowitego zużycia. 

Łatwo jest znaleźć urządzenia zaprojektowane w sposób umożliwiający rozsądne oszacowanie zużycia energii dla danego scenariusza w oparciu o tego rodzaju informacje. Można oszacować zużycie energii niezbędne do utrzymywania procesora w stanie czuwania przez określony czas lub zużycie energii umożliwiające wysyłanie lub odbieranie danych przez UART lub korzystanie z radia.

Dzięki nowoczesnym MCU kombinacja funkcji, które można włączyć w tym samym czasie, bardzo szybko rośnie do oszałamiającej ilości, niemożliwe więc byłoby uwzględnienie wszystkich tych kombinacji w arkuszu danych. Dlatego też coraz ważniejsza staje się możliwość łatwego pomiaru zużycia energii dla poszczególnych scenariuszy.

Niższy pobór mocy dzięki bramkom cyfrowym

Wraz z wprowadzanymi nowymi, bardziej gęstymi procesami technologii półprzewodnikowych, bramki cyfrowe stają się tańsze, co umożliwia tworzenie coraz bardziej wyrafinowanych pod względem oszczędzania mocy projektów. Na przykład sposób, w jaki w przeszłości projektowano większość mikrokontrolerów, z jednym sygnałem zegarowym taktującym całe urządzenie, został obecnie zastąpiony rozwiązaniami z dokładniejszym rozprowadzeniem zegara.

W znaczny sposób pomaga to w obniżaniu zapotrzebowania na moc, ale sprawia też, że oszacowanie zużycia energii jest coraz trudniejsze. 

Pobór mocy przez urządzenie staje się coraz bardziej dynamiczny, tj. zmienia się w zależności od tego, jaka funkcja jest aktywna w danym momencie. Urządzenia o konstrukcji skoncentrowanej na osiągnięciu efektywności energetycznej będą miały bardziej dynamiczny pobór mocy.

O autorze

Pål Kastnes dołączył do Nordic w marcu 2015 r. Ma 18 lat doświadczenia na rynku systemów wbudowanych, pracując w kilku jego obszarach: projekty układów scalonych, weryfikacja systemu, testy produkcyjne i specyfikację urządzenia po stronie fabryki. Spędził 6 lat jako menedżer ds. kluczowych klientów na rynku azjatyckim. W ostatnich latach prowadził programy szkoleniowe na całym świecie, a także zapewniał obsługę kluczowych klientów w regionie EMEA. Obecnie skupia się głównie na szkoleniach i feedbacku ze strony użytkowników, koncentrując się na łatwości obsługi elementów zaangażowanych w proces projektowania urządzeń połączonych z innymi. 

Przykład z prawdziwego świata

W przypadku rodziny układów Nordic Semiconductor nRF52 i nRF53 bloki funkcjonalne, takie jak regulatory, oscylatory i logika cyfrowa, są uruchamiane i zatrzymywane w tle w razie potrzeby. Pobór mocy stale się zmienia, więc nie ma ‘statycznej’ wartości do zmierzenia.

Podczas korzystania z nadrzędnego interfejsu szeregowego zgodnego z I2C, pobór mocy może zmieniać się od jednocyfrowych wartości µA pomiędzy transmisjami danych do kilkuset µA podczas samego przesyłania danych. Jeśli TWI master czeka na dane z jednostki zewnętrznej, pobór mocy osiągnie inny poziom, a części TWI zostaną wyłączone, gdy będą bezczynne.

Złożoność w przewidywaniu zużycia energii wzrasta, ale jednocześnie wydajność energetyczna została znacznie zwiększona. Jednym ze sposobów oszacowania zużycia energii w tego typu systemach jest opracowanie mniejszych elementów oprogramowania testowego, a następnie profilowanie ich mocy za pomocą odpowiednich narzędzi, aby stworzyć model odpowiadający konkretnym wymaganiom. Nordic Semiconductor Online Power Profiler wykorzystuje dane zebrane z rzeczywistych pomiarów do obsługi radia, a następnie wyodrębnia z nich dane w celu oszacowania zużycia energii.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © Nordic Semiconductor

Korekta polskiej wersji językowej: Maciek Michna, Maciej.Michna@nordicsemi.no