Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 21 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Тепловой расчет устройств силовой электроники. Часть 1

В первой части статьи рассматриваются рабочие характеристики повышающего преобразователя для питания сильноточных белых светодиодов и стандартного силового дросселя в условиях высоких температур. На этих примерах подробно обсуждаются методы расчета и измерения теплового сопротивления и теплоемкости подобных устройств относительно окружающего воздуха.

Улучшение характеристик усилителей класса D

Прогресс не стоит на месте, и схемы постоянно совершенствуются. Сегодня мы продолжим тему усилителей класса D и остановимся на способах улучшения их качества.

Некоторые методы ослабления шумов и электромагнитных помех

В статье подробно рассматриваются причины возникновения шумов и помех, приводятся рекомендации по их уменьшению. Указываются коэффициенты ослабления шумов для различных методов экранирования и скрутки. Приведены рекомендации и указаны стандарты по прокладке кабелей.

 

7 декабря

Введение в проектирование маломощных схем

В статье рассматриваются факторы, влияющие на энергопотребление, и способы снижения потребляемой мощности. Основное внимание уделяется процессору и его окружению, т.к. именно эти компоненты потребляют большую часть мощности. Кроме того, обсуждаются вопросы выбора процессора.



В

ведение

Разработка встраиваемых систем считается незаконченной до проведения тщательного анализа энергопотребления. Этот этап важен и для систем с питанием от сети, не говоря уже об устройствах с батарейным питанием. Энергопотребление влияет на температуру, размеры устройства и на стоимостные аспекты во всех этих случаях.
Прежде всего, следует уточнить, что такое «низкое энергопотребление». Во встраиваемых системах это определение относительно. К малопотребляющим устройствам относятся те, которые работают, например, от часовой батарейки. На другом конце шкалы — устройства с сетевым питанием, потребляемую мощность которых следует снизить для того, чтобы не применять радиаторы, вентиляторы, стабилизаторы напряжения и т.д.
Современные требования отрасли таковы, что многие, не только портативные устройства, должны иметь весьма ограниченный бюджет энергопотребления.
Существует множество способов снизить энергопотребление устройства, среди которых следующие:
– динамическое изменение частоты процессора и напряжения питания;
– снижение потребления отдельных блоков процессора;
– оптимизация кода, направленная на снижение энергопотребления;
– использование режимов пониженного энергопотребления процессора;
– учет энергопотребления различных частей системы в целом.
Мы рассмотрим два последних метода.

Режимы энергопотребления

Во многих случаях используются различные режимы энергопотребления процессоров, в зависимости от требуемой производительности. Рассмотрим, например, датчик со встроенным процессором, питающимся от батареи. Подключенный к процессору преобразователь оцифровывает некий параметр. Процессор простаивает до тех пор, пока внешняя периферия не накопит некоторого количества данных. Таким образом, процессор может находиться в спящем режиме во время сбора данных. Как только периферия накопила достаточно данных, процессор просыпается и переходит в режим максимальной производительности. Кроме того, он может переходить в режим ультранизкого энергопотребления, если сбор данных не производится вовсе и их обработка не требуется.
Выход из режима пониженного потребления может осуществляться по различным сигналам: по внешнему сигналу, поданному на вход, или по внутренним сигналам, например по завершению передачи данных по DMA либо по сигналу таймера.
Известны следующие режимы энергопотребления:
– режим полной производительности;
– режим ожидания, в котором встроенная память процессора находится в готовности быстро включиться, а его неиспользуемые узлы отключены;
– режим спячки, в котором внутренняя память процессора отключена.
Для удобства мы разделим малопотребляющие встроенные системы на три различные категории.
Первая — маломощные встроенные системы, которые постоянно находятся в работающем состоянии. Их энергопотребление зачастую не превышает 1 мА, что ограничивает возможную производительность процессора. Примеры таких устройств — наручные часы и имплантируемые медицинские устройства.
Вторая категория — системы, которые могут находиться в рабочем состоянии или в режиме ожидания. Для них важным параметром является и ток в рабочем режиме, и ток в режиме ожидания. Ток в активном режиме может составлять десятки или сотни миллиампер, в зависимости от приложения. Ток в режиме ожидания в типичном случае составляет от микроампер до нескольких миллиампер. Пример таких устройств — сотовые телефоны или устройства, активируемые голосом.
Третья категория — это устройства, которые могут быть полностью включены или полностью отключены. К ним относятся портативные медиаплееры, навигаторы GPS, цифровые камеры. В таких устройствах продолжительность жизни батареи полностью определяется энергопотреблением в активном режиме. Ток в режиме ожидания пренебрежимо мал (лишь несколько микроампер, которые потребляют часы реального времени). Как и во второй категории, энергопотребление в активном режиме может составлять от десятков миллиампер до нескольких сотен миллиампер, в зависимости от приложения.

Режим ожидания

Под режимом ожидания подразумеваются различные малопотребляющие режимы, позволяющие быстро переключиться в активное состояние в случае необходимости. Чем ниже энергопотребление, тем большее время требуется для перехода в активный режим. Мы используем термин «режим ожидания» для обозначения всех подобных малопотребляющих состояний.
Переведя процессор в режим ожидания, можно уменьшить энергопотребление и увеличить время жизни батареи. В таких режимах процессор обычно сохраняет все внутренние состояния и содержимое памяти, т.к. эти блоки по-прежнему запитаны при значительно сниженном энергопотреблении всей системы. Кроме того, процессор может проснуться за микросекунды, что гораздо быстрее, чем обычный запуск процессора из холодного состояния.

Режим спячки

Режим спячки (hibernate mode) можно считать предельным случаем режима ожидания. Режим спячки позволяет понизить энергопотребление до минимума за счет полного выключения ядра процессора при включенной встроенной памяти. В отличие от других режимов ожидания, в состоянии спячки не сохраняется внутреннее состояние процессора, поэтому вся критичная информация из памяти, регистров и т.д. должна быть сохранена в энергонезависимой памяти до перехода в этот режим.
Однако режим спячки может обеспечивать поддержание памяти SDRAM в рабочем состоянии, несмотря на то что ядро процессора выключено. Путем перевода памяти SDRAM в режим самообновления (self-refresh mode) перед отключением ядра и последующего возобновления управления памятью после включения становится возможным сохранять параметры системы в DRAM, а не в энергонезависимой флэш-памяти. Такой подход гораздо быстрее обеспечивает просыпание, чем при загрузке процессора из энергонезависимой памяти.

Преимущества различных режимов энергопотребления

Рассмотрим еще один характерный случай, когда режимы энергопотребления позволяют значительно снизить энергопотребление, на примере mp3-плеера, который накапливает данные в буфере, декодирует их в выходной буфер SDRAM и затем переводит процессор в режим ожидания, пока не потребуется следующая порция данных.
Для декодирования кода mp3 требуется только весьма скромная часть вычислительной мощности процессора. Таким образом, процессор может производить декодирование mp3 фрагментами и находиться в состоянии спячки все остальное время. Например, процессор может работать в режиме «25% времени — декодирование, 75% времени — сон». Во время декодирования процессор как можно быстрее заполняет внешнюю память декодированными данными. Как только буфер заполнен, процессор переходит в состояние спячки, до тех пор пока не потребуется новое заполнение буфера. В таком режиме процессор потребляет, например, 30 мА при декодировании и 15 мА — остальное время. Другими словами, если непрерывное декодирование mp3 требует, скажем, 75 МГц, можно вместо этого значения частоты использовать 300 МГц. Это позволит быстро заполнить буфер данными и отключить процессор. Следует заметить, что такой подход целесообразен только в системах, где время на сон может понадобиться для других целей. Например, этот метод можно применять в портативных медиаплеерах, в которых процессор занимается обработкой видео. Если такой плеер занимается только исключительно декодированием mp3, то используется более медленный процессор (и с меньшим потреблением).
Как управлять пробуждением процессора? Например, декодированные отсчеты могут поступать в двойной буфер. Процессор заполняет один буфер, в то время как контроллер DMA опустошает другой. Когда буфер опустошен, контроллер DMA вырабатывает прерывание, которое запускает процессор на заполнение только что опустошенного буфера новыми аудиоданными. Как только процессор заполняет этот буфер, он сразу переходит в спящее состояние, и процесс повторяется.
Дополнительно отметим, что использование асинхронной памяти SRAM вместо SDRAM в приведенных примерах может дополнительно снизить цену и энергопотребление. В активном режиме SRAM потребляет больше энергии, чем SDRAM, но для SRAM требуется гораздо меньше энергии для поддержания данных во время сна процессора. Таким образом, SRAM обеспечивает более низкое энергопотребление в таких приложениях, где устройство большую часть времени находится в спящем режиме.
SRAM не обеспечивает такого быстродействия, как SDRAM, но для аудиоданных в виде 16- и 32-разрядных слов производительности SRAM хватает, потому что параллельный доступ контроллера DMA, даже если он осуществляется к медленной памяти SRAM, обеспечивает достаточное быстродействие, чтобы загрузить интерфейс декодированными данными.
Если приложение требует наличия SDRAM для обеспечения высокой производительности, может оказаться разумным иметь оба типа памяти, SRAM и SDRAM, в системе. Хотя стоимость компонентов несколько увеличится, использование двух видов памяти может способствовать снижению энергопотребления. SDRAM используется в той части, где требуется высокая производительность, и эта память переводится в режим «самообновления», когда процессор спит. Во время активных интервалов работы процессора ток потребляется в основном процессором и памятью SDRAM. Это происходит потому, что память SRAM хоть и менее эффективна, с точки зрения соотношения милливатт на бит информации, но она присутствует в системе в меньшем объеме.
Оптимизация  энергопотребления в маломощных системах

Пробуждение процессора

Для минимизации энергопотребления недостаточно выбрать самые низкопотребляющие компоненты. Следует также оптимизировать энергопотребление на уровне всей системы. Часто это подразумевает совместное использование компонентов. Из состояния малого энергопотребления процессор могут вывести многие компоненты системы. Пробуждение инициируется через Ethernet, USB, часы реального времени или путем подачи сигнала на определенный вход.
Рассмотрим, например, систему, в которой WiFi-модуль подключен к процессору через последовательный порт. Когда процессор не используется, он может находиться в отключенном состоянии, а WiFi при этом работать. Микроконтроллер в модуле WiFi потребляет очень мало энергии в этом режиме, т.к. он только просматривает пакеты, связанные с назначенным MAC-адресом. Как только пакет принят, WiFi-модуль посылает сигнал на основной процессор, чтобы разбудить его.

Тактовый сигнал

Процессоры обычно извне получают сигнал тактирования. Этот внешний сигнал умножается по частоте с помощью петли ФАПЧ. Внешний тактовый сигнал поступает от кварца или от генератора. Использование кварца обходится дешевле, но генератор обладает буфером.
Буферирование обеспечивает больше возможностей для использования этого сигнала в разных точках системы. Например, генератор на 27 МГц может использоваться не только для тактирования процессора, но и как источник тактового сигнала для декодера или энкодера NTSC. Иногда буферизованный выход тактового сигнала имеется в самом процессоре, что позволяет обойтись без специального генератора.
Разработчик сталкивается с некоторыми противоречиями при выборе кристалла. Чем выше его частота, тем кварцевый кристалл компактнее. Однако высокочастотные кварцы стоят дороже, т.к. более тонкие и хрупкие. Разработчик также должен учитывать электромагнитную совместимость (ЭМС). Если кристалл работает на гармониках, то они могут проникнуть в фильтр или усилитель аналоговой части.
В некоторых процессорах схема генерации может отключаться, когда процессор переходит в спящий режим, что позволяет сэкономить несколько миллиампер энергопотребления. Расплата за это — в увеличении времени включения процессора (за счет того, что требуется время для установления тактирования), когда процессор возвращается к активной работе.

Часы реального времени (RTC)

Если в системе необходимо поддерживать время, то помимо системного тактового генератора приходится применять часы реального времени. Их основная функция — поддержание даты и времени в устройстве, но часы используются также для управления питанием.
Большинство RTC позволяет организовать пробуждение процессора в назначенное время. Таким образом, процессор может постоянно находиться в режиме ожидания и просыпаться через периодические интервалы для мониторинга, слежения за состоянием системы или для определенных пользователем задач.
В качестве примера использования RTC рассмотрим систему навигации GPS, которая пробуждается каждую секунду для отслеживания положения спутников. Блок RTC, потребляющий 20 мкА, запрограммирован на пробуждение процессора каждую секунду. Процессор на короткое время просыпается, чтобы определить текущее положение, затем возвращается в режим ожидания, в котором он потребляет 50 мкА. Это обеспечивает рабочий цикл, в котором процессор задействован непродолжительное время, а большую часть времени система потребляет около 70 мкА.
RTC или являются частью процессора, или представляют собой отдельный модуль, но в любом случае, с точки зрения питания, RTC — это отдельная часть, которая продолжает работать, даже если остальная часть системы отключена. Часы обычно работают от отдельной батарейки и потребляют микроватты мощности. Очень важно в максимальной степени продлить срок эксплуатации батареи, поэтому разумно сделать так, чтобы RTC питались от основного источника (или от сетевого источника), когда такой источник подключен. На рисунке 1 приведен пример схемы, которую можно использовать для сохранения заряда батареи, питающей RTC, на то время, пока система получает питание от сети.

Рис. 1. Питание RTC от батареи и от основного источника

Интерфейс USB

Многие из современных портативных устройств имеют интерфейс USB. Помимо того что USB является универсальным интерфейсом для подключения к компьютеру, он еще обеспечивает питание внешних устройств. Когда устройство подключено к компьютеру, оно может его использовать в качестве источника питания, который позволяет не только сохранить заряд батареи, но и зарядить ее.
Устройство, потребляющее энергию от интерфейса USB, должно соответствовать спецификации USB. Спецификации USB 1.1 и USB 2.0 имеют ограничение в 2,5 Вт (0,5 А при напряжении 5 В). Для таких устройств как клавиатура или мышь этого более чем достаточно. USB может питать и более мощные устройства с потреблением не более 2,5 Вт. Для устройств с более высоким энергопотреблением, например для принтеров или дисплеев, USB не в состоянии обеспечить достаточно мощности, и они требуют внешнее питание.
Если устройство питается от интерфейса USB и не используется в течение определенного времени, оно переходит в отключенное состояние. В этом режиме ток не должен превышать 500 мА.
Устройства проектируются с учетом поведения в отключенном режиме. Например, можно использовать один из режимов ожидания процессора. Контроллер USB программируется так, чтобы состояние линий D+ и D- удерживалось, пока процессор находится в режиме ожидания. Процессор остается в маломощном режиме, пока не произойдет изменения состояния на одной из линий USB. Это изменение запускает внешний преобразователь напряжения питания для активации системы. Затем включается процессор, его состояние восстанавливается, и он продолжает работу.
В целом, существует много факторов, которые определяют профиль энергопотребления каждой встроенной системы как с точки зрения устройства, так и с точки зрения системы в целом. Понимая, какие узлы устройства являются основными потребителями мощности, можно значительно снизить энергорасходы любого приложения.

Литература

1. David Katz and Rick Gentile, Embedded Media Processing//Newnes 2005, Chapter 8.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Дэвид Кац (David Katz), Рик Джентайл (Rick Gentile), техн. специалисты, Analog Devices



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты