Производителите на електроника намаляват нуждата си от енергия, за да удължат живота на батерията и да отговорят на новите стандарти за ефективност.

вградените

Робърт Репас
СВЪРЗАН РЕДАКТОР

Леланд Тешлер
РЕДАКТОР

По-рано вградените системи просто трябваше да бъдат достатъчно малки, за да се поберат в наличното пространство, и достатъчно мощни, за да се справят с обработваната задача. Вече не. Все по-често вградената електроника е проектирана с оглед на консумацията на енергия. Причината, разбира се, е комбинация от нови „зелени“ стандарти за енергийна ефективност и експлозия при използване на батерии, където експлоатационният живот носи премия.

Един показател за ефективност през тази година се отнася за компютри и сървъри. Стандартът 80 Plus диктува, че тези устройства имат енергийна ефективност от 80% или повече при 20, 50 и 100% от номиналното натоварване с действителен коефициент на мощност 0,9 или повече. Единственият начин да се достигне това ниво на работа е с контролер за фактор на мощността и чрез използване на интелигентна фазова манипулация в преобразувателя на променлив ток/DC.

Друга област, която привлича вниманието, е тази на мекото превключване, по-известно като превключване с нулево напрежение или нулев ток. Мекото превключване отдавна се разглежда като начин за намаляване на генерирането на електромагнитни смущения. В енергийно ефективен свят обаче това е начин да се намали количеството на разсейваната мощност в полупроводникови ключове.

Иновация може да се намери и в областта на микроконтролерите. Най-лесният начин да намалите консумацията на енергия в компютърните чипове е да поставите устройството в режим на заспиване, когато не е заето. Но производителите на чипове се стремят да намалят консумацията на енергия, дори когато чиповете спят. Друга техника е да се мащабира скоростта на часовника, така че чиповете да работят само толкова бързо, колкото е необходимо за съответната работа.

Бюджетът на батерията на бебешки камаразавър
Потомството на Калеб Чунг, който също е създал Furby, Pleo е най-сложната и реалистична играчка, пускана някога. Всъщност мнозина спорят дали терминът играчка изобщо трябва да се прилага. Те смятат, че изкуствената форма на живот (алф) може по-подходящо да опише статуса на Плео. Но играчка или алф, 22 инча от носа до опашката Pleo е инженерно чудо.

От момента на излюпването си, Плео е постоянно в движение, когато е буден, повдигайки главата си, за да се огледа, опашката се люлее напред-назад, докато се спуска на четирите си набити крака. Казано по друг начин, един или повече от неговите 14 сервомотора винаги работи и консумира енергия. Очевидно, за да поддържа илюзията за бебешки камаразавър, той не може да проследи никакви проводници за захранване като някаква бездомна пъпна връв. По този начин управлението на енергията се превърна в ключов въпрос с преди всичко ефективност. Целта на дизайна беше да получи няколко часа „живот“ с едно зареждане на батериите.

Един аспект, който претърпя значителни промени в дизайна между концепцията и крайното производство, бяха механизмите за зацепване, които се справят с движенията на бебето Дино. Оригиналните зъбни колела бяха шумни, което показва, че те не са свързани правилно и имат лоша ефективност на пренос на мощност. Угобе се обърна към Kleiss Gears за надстройка. Инженерите на Kleiss използваха компютърно моделиране, за да видят доколко всяка предавка взаимодейства със съседите си, след което преработиха формата на зъбното колело за най-добър трансфер. Някои приличаха повече на маслени маргаритки, отколкото на зъбни колела, но новите предавки работеха тихо и ефективно.

Pleo носи никел-метал-хидридна (NiMH) батерия за по-високата си плътност на мощността в сравнение с никел-кадмиевата. Докато литиево-йонните батерии имат дори по-висока плътност на мощността, имаше опасения от използването им в играчка, която може да види грубо боравене. Един от прототипа Pleos се запали заради разхлабена жица. Дизайнерите на Ugobe казват, че това, заедно с новинарските съобщения за експлозия на литиево-йонни батерии в лаптопи и мобилни телефони, доведоха до важността на безопасността. Въпреки това температурата на батерията се следи и Pleo „заспива“, ако стане твърде висока.

За да се спести място и мощност, сервомоторите бяха принудени да изпълняват повече от едно задължение. Например двигателят за мигане на очи също отваря и затваря устата. Това ограничава леко производителността. В случай на двигател за очи и уста устата не може да се отвори, ако очите са затворени. Така че Плео не може да издава никакви кръвоизливни викове със затворени очи.

Дори с всички трикове за спестяване на енергия, скоро стана ясно, че настоящите технологии на батериите не могат да постигнат целта за времето на работа. Признавайки този факт, късен редизайн премина от батерия, напълно затворена в телесната кухина, към батерия, използваща сменяема батерия. Когато една опаковка умре, тя се отстранява и заменя с напълно заредена опаковка, която поддържа Pleo жив и здрав за още един час.

Ugobe продължава да изследва по-ефективни микропроцесори, двигатели и сензори, за да намали енергийния апетит на Pleo, макар и само за да позволи на малкото дино да направи повече.

ТУК ЕЛЕКТРИЧЕСКИ РЕГИСТРИ
Ако сте купили компютър през последните няколко месеца, може би вече сте били засегнати от спецификацията 80 Plus. 80 Plus вече е част от компютърната спецификация на Energy Star. Производителите смятат, че доставките 80 Plus са с около 33% по-ефективни от стандартните устройства. Нещо повече, те драстично намаляват хармоничното изкривяване, предизвикано в комуникационните линии, като по този начин увеличават живота на разпределителните трансформатори в комуналната система.

Днес типичното електронно захранване е изградено с модулирана с широчина на импулса (PWM) топология. Идеята е да се коригира променлив ток към постоянен ток, след това да се използва ШИМ схема, за да се получи импулсен постоянен ток с честота, много по-висока от тази на променливотоковата мрежа. След това високочестотният импулсен постоянен ток се филтрира, за да се получи постоянен постоянен ток за захранване на товара.

Корекцията на фактора на мощността (PFC) се извършва след коригиране и преди PWM. Основното поведение, което PFC коригира, е създаването на токови пикове на променливотоковата линия, които се получават, когато токът започне да се провежда през мостовите диоди в променливотоковото захранване. Токът провежда за зареждане на кондензатора, който е през моста, и за захранване на товара. Провеждането се извършва в относително висока точка на формата на вълната на променливотоково напрежение, така че получените пикове могат да имат значително количество енергия.

PFC елиминира пиковете на тока на захранващата линия, като издърпва тока през мостовите диоди в по-ранна точка във формата на променлив ток като средство за изравняване на нуждите от ток на захранването Те постигат това чрез включване на превключена индуктивност през мостовите диоди. По време на първата част от променливата форма на моста диодите изпращат ток към индуктора. След това превключвателят се отваря, свързвайки индуктора към мостовия кондензатор и натоварване, като по този начин енергията, съхранявана в индуктора, става достъпна за товара.

PFC веригата управлява интервала от време, през който индукторът е включен. Времето се променя динамично в зависимост от моментното натоварване. Но целта на процеса е да се представи натоварване на променливотоковото захранване, при което потреблението на ток на захранването нараства и спада с моментно напрежение на променливотоково захранване, като по този начин се симулира чисто резистивен товар.

На практика PFC използва два индуктора и два превключвателя, за да гарантира, че веригата изглежда резистивна както при леки, така и при тежки товари. И за да запазят захранването „зелено“, функциите на превключващи превключвания синхронизират PFC и PWM етапите и намаляват шума при превключване. При леки товари честотата на превключване спада, за да се намали консумацията на енергия. И ако захранващото натоварване е достатъчно леко, PFC ще се изключи, за да намали допълнително източването на енергия.

Мекото превключване е друг трик в чантата на дизайнерите на захранващи устройства в режим на превключване. Основната идея е да се конфигурират превключващите транзистори, така че те да се включват или изключват само когато няма напрежение, приложено към техните клеми. Известна също като превключване с нулево напрежение, тази техника отдавна се прилага в полупроводникови релета и други превключващи елементи за намаляване на излъчваните РЧ шумове.

Превключващите захранвания все още използват меко превключване за намаляване на шума, но допълнителна обосновка е да се намали получената енергия, загубена по време на превключване. Обичайният начин за постигане на това е чрез използване на верижен резонанс, който държи силовите транзистори изключени, докато клемите им са на нула волта.

Лесно е да се разбере къде отива енергията при липса на меко превключване, като се изследва какво се случва, когато превключващият транзистор промени състоянието си. Интервалът на превключване е около половин микросекунда при типичните превключватели. При липса на меко превключване, напрежението в транзистора започва да пада едновременно с протичането на тока. Наличието на напрежение и текущ поток означава, че мощността се разсейва в ключа през всеки период на включване или изключване. Проблемът е особено лош по време на изключване, когато превключвателят ще носи пълното си текущо натоварване.

Загубената енергия при такова превключване се влоши през последните години, тъй като производителите забавиха времената на нарастване и спадане на доставките в режим на превключване, за да намалят радиочестотните смущения. Забавянето на нарастването и спадането, разбира се, пропорционално увеличава загубената мощност в транзисторния превключвател по време на преходи.

Новите топологии на преобразувателите на мощност избягват тази загуба на енергия обикновено чрез използване на резонансно превключване с постоянна честота, известно още като меко превключване. Основната идея използва паразитен изходен капацитет в превключващия транзистор (обикновено MOSFET) и паразитна индуктивност на изтичане на силовия трансформатор като резонансна верига. Електрически, индукторът и кондензаторът са последователно и успоредни на всеки активен превключвател. Добавя се допълнителна схема, за да се възстанови LC енергията без загуби и да се изпрати или към товара, или към входа.

Има много различни схеми за осъществяване на меко превключване. Всички те използват специална последователност на превключване, оптимизирана за ограничаване на загубите на енергия. Общото подобрение на ефективността е от порядъка на 2%, като например се получават икономии от повече от 20 W при 1-kW захранване.

Един от проблемите, присъщи на схемата за софтсвич, е, че включените капацитивни и индуктивни компоненти са чувствителни към температура. Така че цифровото управление е средство, използвано за динамично наблюдение на работните условия и оптимизиране на работата на веригата. „Ние използваме транзисторно мъртво време, за да извършим плавното превключване“, казва Freescale старши инженер по системи и приложения Чарли Ву. Freescale Semiconductor е един от производителите на чипове, които поставят интегрални схеми за управление на меко превключване в PWM стил консумативи. „Въз основа на товара трябва динамично да коригирате мъртвото време, разширявайки го за голям товар, съкращавайки го за малък товар. Ако мъртвото време остане постоянно, вие изкривявате формата на вълната “, казва той.

ВРЕМЕ ДА СЪБУДИМ ДИНОЗАВЪРА
За добър пример за това как да пестите енергия във вградени контроли, не търсете повече от 3.3-фунтовия Pleo. Запълнен с 38 сензора за откриване на светлина, движение, докосване и звук, роботизираният домашен любимец носи шест процесора и 14 сервомотора. Производител на Pleo, Угобе в Emeryville, Калифорния, използва 32-битови и 8-битови ARM процесори от Atmel Corp. за управление на двигателите, усещане на околността на Pleo и издаване на шум от динозавър.

Животът на батерията в Pleo е превъзходен - тези сервомотори изгарят мощност при здрав клип. Така че процесорите Atmel на борда използват разнообразни техники, за да сведат до минимум собственото си източване. Може би най-очевидният начин е просто да влезете в режим на заспиване, когато не правят нищо важно. Но проблеми могат да възникнат, когато веригата се събуди. По-конкретно, прави разлика как веригата се връща в нормално работно състояние. В Pleo, както и в много други вградени приложения, е важно да преминете в режим на будност възможно най-бързо. Крайният ефект в противен случай може да бъде, да речем, ръчен инструмент, който не реагира незабавно, когато натиснете спусъка, или радиоуправляема играчка, която е бавна при поемане.

„В цикъл на събуждане не искате да рестартирате системата“, казва инженерът на продуктовия маркетинг на Atmel Corp Jerome Gaysse. „Може да искате да запазите контекста на чипа преди изключване, за да излезете от режим на готовност по-бързо.“

Друг трик: Някои чипове имат вградени RC осцилатори, които временно служат като бързи часовници точно по време на стартиране. След като нещата се уредят, системният часовник отново поема.

И има повече от един вид режим с ниска мощност. Двата най-често срещани типа са режим на пестене на енергия и режим на празен ход. По време на икономия на енергия всичко е изключено, с изключение на часовник, който следи времето. Режимът на готовност се характеризира със селективно изключване на части от веригата, но с основните части на микроконтролера, които все още функционират. Разликите в консумацията на енергия между тези режими могат да бъдат значителни. Например, един чип на контролер Atmel, работещ при 1,8 V, консумира 340 µA, когато е активен, но само 150 µA в режим на празен ход и 0,65 µA, когато е в режим на икономия на енергия. Интересното е, че устройството консумира 0,1 µA, когато е напълно изключено. Ненулевото изтичане на ток се дължи на токове на изтичане, присъщи на полупроводниковия процес, използван за изработване на чипа и геометриите. Като цяло, колкото по-малки са геометриите, толкова по-висок е токът на утечка. Оттук следва още един компромис: По-големите чипове с по-големи геометрии на устройствата изтичат по-малко. По-компактните чипове се побират в по-малки пространства и могат да консумират по-малко ток, когато са активни, но мощността, загубена от тока на утечка, може да бъде по-голям проблем.

Управлението на часовника е друг ключов инструмент за пестене на енергия. Чип, който работи с по-бавен часовник, консумира по-малко енергия от този, работещ по-бързо. Така че скоростта на работа е компромис срещу нуждите от енергия. И често не всички части на веригата трябва да работят със същата скорост. Така че може да е възможно да се забавят някои секции от дизайна, докато други се отклоняват. Или дизайнерите могат да прилагат тактовия сигнал само избирателно, като временно изключват вериги, които не се използват. „Може да спестите 50% от енергията, която обикновено използвате по този начин“, казва Gaysse.

Но не всички дизайнери знаят как да проектират система, така че да може да превключва от ниски към високи честоти, без да заключва. „Въпросът обикновено е синхронизирането, когато имате множество домейни с часовници“, казва Gaysse. „В момента не виждате много архитектури с множество часовници, но това е нарастваща тенденция.“

„Трудно е да се направи мащабиран часовник“, казва Wu на Freescale. „Ако модулите не са структурирани внимателно, те ще се заключат по време на преходите.“

И накрая, основните решения относно типа на процесора могат да повлияят на консумацията на енергия. Архитектурите в рисков стил имат репутацията на скъперници, просто защото не използват инструкции за умножаване. Те се справят с умножението и делението с поредици от добавяния и изваждания. За разлика от това, Cisc архитектурите с инструкции за умножение са относително енергоемки, тъй като умноженията включват няколко стъпки и използват повече схеми, отколкото просто добавяне и изваждане.

Въпреки това, изборът между Risc и Cisc може да не е пряк от гледна точка на консумацията на енергия. „Въпреки че един Risc процесор консумира по-малко, той използва повече инструкции, за да извърши същата операция“, посочва Charlie Wu от Freescale. „Това означава, че може да се наложи Risc машина да работи по-дълго, за да свърши нещата. Така че понякога сравнението между Risc и Cisc разсейване на мощността може да бъде подвеждащо. "

ВЗЕМЕТЕ КОНТАКТ
За повече информация относно вътрешността на Pleo и поглед към разкъсването на Pleo:
tinyurl.com/yvput3
tinyurl.com/ynoc7w
tinyurl.com/yprthk
Atmel Corp., atmel.com
Freescale Corp., freescale.com

Pleo на Ugobe прилича на бебешки камаразавър. Но с отстранена кожа играчката изглежда като шест процесора Atmel, 28 сензора и 14 сервомотора, монтирани на различни платки. Консумацията на енергия е скъпа. Ранните отзиви казват, че батерията издържа само около час активна игра, преди да се наложи презареждане. Вътрешните процесори Atmel използват различни начини, за да поддържат нуждите си от енергия до абсолютен минимум.

Преплитането в модулирани с импулсна ширина захранвания е ключова техника, използвана за постигане на спецификацията Energy Star 80 Plus. Идеята е да се синхронизира превключването на PFC и PWM, за да се намали хармоничното съдържание на получения ток. MC56F8013 в тази диаграма е Freescale процесор, често използван за осъществяване на контрол на фактора на мощността.

ЗАПАЗЕТЕ МОЩНОСТ - ВРЕМЕ ЧАСОВНИК - Консумацията на енергия в CMOS логически схеми е пропорционална на честотата на превключване на часовника. Така че една широко използвана техника за пестене на енергия е деактивирането на часовника, който временно не се използва във вериги. Както е илюстрирано от тази диаграма от Atmel, типичен подход е да се засичат тактови сигнали, насочени към различни части на системата, със сигнал за деактивиране в режим на заспиване. Аналоговите компоненти и I/O често се затварят отделно. Някои процесори също имат вградени регистри за намаляване на мощността (PRR), които могат да деактивират селективно секции от системата, дори когато режимът на заспиване не е включен. Друга подобна техника е извеждането на часовника към елементи за съхранение, чието състояние не се е променило от последния цикъл на часовника, като по този начин се избягва ненужното актуализиране.