A beágyazott rendszerek hatalmi étrendet folytatnak

Az elektronikai gyártók csökkentik áramigényüket, hogy elősegítsék az akkumulátor élettartamának növelését és az új hatékonysági előírások betartását.

beágyazott

Robert Repas
Társult szerkesztő

Leland Teschler
SZERKESZTŐ

Régebben a beágyazott rendszereknek csak elég kicsieknek kellett lenniük ahhoz, hogy elférjenek a rendelkezésre álló helyen, és elég nagyoknak ahhoz, hogy a kezelt feldolgozási feladatokat kezeljék. Többé nem. A beágyazott elektronikát egyre inkább az energiafogyasztást szem előtt tartva tervezik. Ennek oka természetesen az új „zöld” energiahatékonysági szabványok kombinációja és az akkumulátorral történő felhasználás robbanása, ahol az élettartam prémiumot jelent.

Ebben az évben egy hatékonysági mérőszám a számítógépekre és a szerverekre vonatkozik. A 80 Plus szabvány előírja, hogy ezeknek az eszközöknek az energiahatékonysága legalább 80% legyen a névleges terhelés 20, 50 és 100% -ánál, valódi teljesítménytényezővel 0,9 vagy annál nagyobb. Az egyetlen módja ennek a működési szintnek a elérése egy teljesítmény-tényező-vezérlővel és az okos fázis-manipuláció használatával az AC/DC átalakítóban.

Egy másik terület, amely felhívja a figyelmet, a lágy kapcsolás, közismertebb nevén nullafeszültségű vagy nullaáramú kapcsolás. A lágy kapcsolást régóta úgy tekintik, mint az elektromágneses interferencia keletkezésének csökkentését. Az energiatakarékos világban azonban ez egy módja annak, hogy csökkentse a félvezető kapcsolókban elárasztott teljesítmény mennyiségét.

Az innováció megtalálható a mikrokontrollerek területén is. A számítógépes chipek energiafogyasztásának csökkentésének legegyszerűbb módja az, ha a készüléket alvó üzemmódba állítja, amikor nincs elfoglalva. De a chipgyártók alacsonyabb energiafogyasztásra törekszenek, még akkor is, ha a chipek alszanak. Egy másik technika az óra sebességének skálázása, hogy a chipek csak olyan gyorsan működjenek, amennyire a szóban forgó munkához szükségük van.

Egy camarasaurus baba akkumulátor-költségkerete
A Furbyt is alkotó Caleb Chung utódai, a Pleo állítólag a legkifinomultabb és életszerűbb játék, amit valaha kiadtak. Sőt, sokan vitatják, hogy a játék kifejezés egyáltalán alkalmazandó-e. Úgy érzik, hogy a mesterséges életforma (alf) alkalmasabban leírhatja Pleo állapotát. De játék vagy alf, a 22 hüvelyk az orrától a farkáig Pleo mérnöki csoda.

Keltetésétől kezdve a Pleo állandóan mozgásban van, amikor ébren van, és felemeli a fejét, hogy körülnézzen, a farka előre-hátra lendül, miközben négy testes lábán reszket. Másképp fogalmazva: a 14 szervomotor egy vagy több mindig működik és fogyaszt áramot. Nyilvánvaló, hogy a camarasaurus csecsemő illúziójának fenntartása érdekében nem vezet nyomon semmilyen áramellátási vezetéket, mint néhány kóbor köldökzsinór. Így az energiagazdálkodás mindenekelőtt a hatékonyság kulcskérdésévé vált. A tervezési cél az volt, hogy az akkumulátorok egyetlen töltésével több órás „életet” szerezzen.

Az egyik szempont, amelyen a koncepció és a végső gyártás között jelentős tervezési változtatások történtek, az a fogaskerék-mechanizmus volt, amely kezeli a baba-dino mozdulatait. Az eredeti fogaskerekek zajosak voltak, ami arra utal, hogy nem megfelelően hálóztak össze, és gyenge volt az energiaátviteli hatékonyságuk. Ugobe felé fordult Kleiss Gears frissítéshez. A Kleiss mérnökei számítógépes modellezéssel megvizsgálták, hogy az egyes hajtóművek mennyire működnek együtt a szomszédaival, majd a legjobb átvitel érdekében átalakították a fogaskerék alakját. Néhányan inkább sziromvirágú százszorszépnek tűntek, mint fogaskeréknek, de az új fogaskerekek csendesen és hatékonyan működtek.

A Pleo nikkel-fém-hidrid (NiMH) akkumulátort hordoz a nikkel-kadmiumhoz képest nagyobb teljesítménysűrűség miatt. Míg a lítium-ion akkumulátorok még nagyobb teljesítménysűrűségűek voltak, aggodalomra ad okot, hogy durva kezelhetőségű játékban használják őket. Az egyik Pleos prototípus meggyulladt egy laza vezeték miatt. Az Ugobe tervezői szerint ez a laptopok és mobiltelefonok robbanó lítium-ion akkumulátorairól szóló hírekkel párosítva hazahozta a biztonság fontosságát. Ennek ellenére az akkumulátor hőmérsékletét figyelik, és a Pleo „alszik”, ha túl magasra kerül.

A hely és az erő megőrzése érdekében a szervomotorokat több feladat elvégzésére kényszerítették. Például a szemvillogó motor kinyitja és bezárja a száját is. Ez némileg korlátozza a teljesítményt. A szem és a száj motorja esetén a száj nem nyílik ki, ha a szemek be vannak csukva. Tehát Pleo csukott szemmel nem tud vérfagyasztó kiabálást hallani.

Még az összes energiatakarékos trükk mellett is hamar kiderült, hogy a jelenlegi akkumulátortechnológiák nem tudják elérni az üzemidő célját. Ezt a tényt tudomásul véve a késői átalakítás a testüregben teljesen lezárt akkumulátorról egy cserélhető akkumulátorcsomagot alkalmazó elemre váltott. Amint egy csomag meghal, eltávolítják és egy teljesen feltöltött csomagra cserélik, amely Pleo-t még egy órán át életben és jól tartja.

Az Ugobe folytatja a hatékonyabb mikroprocesszorok, motorok és szenzorok feltárását, hogy csökkentse Pleo energia étvágyát, már csak azért is, hogy a kis dínó többet tegyen.

ITT JÖN A HATÉKONYSÁG REGS
Ha az elmúlt hónapokban vásárolt egy számítógépet, akkor valószínűleg már érintett a 80 Plus specifikáció. A 80 Plus mostantól az Energy Star számítógép specifikációjának része. A gyártók 80. szám szerint a készletek 33% -kal hatékonyabbak, mint az előkészített egységek. Ezenkívül drasztikusan csökkentik a közművezetékekben előidézett harmonikus torzulást, ezáltal növelve az elosztó transzformátorok élettartamát a közüzemi rendszerben.

Ma a tipikus elektronikus tápegység impulzusszélesség-modulált (PWM) topológiával készül. Az ötlet az egyenirányító egyenáramra egyenirányítása, majd egy PWM áramkör használatával impulzusos egyenáramot állít elő sokkal nagyobb frekvencián, mint a váltóáramú hálózaté. A nagyfrekvenciás impulzusos egyenáramot ezután kiszűrjük, így állandó egyenáramot kapunk a terhelés táplálásához.

Teljesítménytényező-korrekcióra (PFC) a javítás után és a PWM előtt kerül sor. A PFC által korrigált alapvető viselkedés az áramcsúcsok létrehozása az AC-vonalon, amelyek akkor keletkeznek, amikor az áram elkezd vezetni a tápegység váltakozó áramú híddiódáin keresztül. Az áram vezet a hídon keresztező kondenzátor feltöltésére és a terhelés táplálására. A vezetés az AC feszültség hullámformájának viszonylag magas pontján megy végbe, így az így létrejövő tüskék jelentős mennyiségű energiával rendelkezhetnek.

A PFC kiküszöböli az áramvezeték-tüskéket azáltal, hogy az áramot a hídiódákon keresztül húzza át az ac hullámforma egy korábbi pontján, hogy kiegyenlítse az áramellátás áramigényét. Ezt úgy érik el, hogy a híddiódákon át kapcsolnak egy kapcsolt induktort. Az váltóáramú hullámforma első részében a híddiódák áramot küldenek az induktorra. Ezután a kapcsoló kinyílik, összekapcsolva az induktivitást a híd kondenzátorral és a terheléssel, ezáltal elérhetővé téve az induktorban tárolt energiát a terhelés számára.

A PFC áramkör kezeli azt az időintervallumot, amely alatt az induktort kapcsolják. Az időzítés dinamikusan változik a pillanatnyi terheléstől függően. De a folyamat lényege, hogy terhelést jelent a váltakozó áramú vezetékre, ahol az áramellátás áramigénye növekszik és csökken a pillanatnyi váltakozó áramú tápfeszültséggel, ezzel tisztán ellenálló terhelést szimulálva.

A gyakorlatban a PFC két induktivitást és két kapcsolót használ annak biztosítására, hogy az áramkör ellenállóképes legyen mind könnyű, mind pedig nagy terhelés mellett. A tápellátás „zöld” szinten tartása érdekében az átlapolt kapcsolási funkciók szinkronizálják a PFC és a PWM szakaszokat, és csökkentik a kapcsolási zajt. Kisebb terheléseknél a kapcsolási frekvencia csökken az energiafogyasztás csökkentése érdekében. Ha pedig a tápellátás terhelése kellően kicsi, a PFC kikapcsol, hogy tovább csökkentsék az áramellátást.

A lágy kapcsolás egy másik trükk a kapcsolóüzemű tápegység-tervezők táskájában. Az alapötlet a kapcsoló tranzisztorok konfigurálása, hogy azok csak akkor kapcsoljanak be vagy ki, ha nincs feszültség a termináljukon. Nulla feszültségű kapcsolásként is ismert, ezt a technikát régóta alkalmazzák szilárdtest relékben és más kapcsolóelemekben a sugárzott RF zaj csökkentése érdekében.

A kapcsoló tápegységek továbbra is puha kapcsolást használnak a zaj csökkentése érdekében, de további indoklás a kapcsolás során keletkező energiaveszteség csökkentése. Ennek megvalósításának szokásos módja az áramköri rezonancia használata, amely kikapcsolja az áramtranzisztorokat, amíg a termináljaik nulla voltosak.

Könnyű megérteni, hogy merre halad az energia lágy kapcsolás hiányában, megvizsgálva, hogy mi történik, amikor a kapcsolási tranzisztor állapotát megváltoztatja. A kapcsolási intervallum körülbelül fél mikroszekundum a tipikus kapcsolóknál. Lágy kapcsolás hiányában a tranzisztoron átmenő feszültség egyidejűleg csökkenni kezd, amikor az áram folyni kezd. A feszültség és az áramáram jelenléte azt jelenti, hogy az áram a bekapcsolás vagy kikapcsolás bármely szakaszában eloszlik a kapcsolón belül. A probléma különösen rossz a kikapcsoláskor, amikor a kapcsoló teljes terhelését viseli.

Az ilyen kapcsolások során elvesztett energia az elmúlt években egyre rosszabbá vált, mivel a gyártók lelassították a kapcsolóüzemű tápegységek emelkedési és zuhanási idejét az RF interferencia csökkentése érdekében. A lassú emelkedési és zuhanási idők természetesen arányosan növelik a tranzisztorkapcsolóban az átmenetek során elvesztett teljesítményt.

Az új teljesítményátalakító topológiák ezt az energiaveszteséget általában állandó frekvenciájú rezonáns kapcsolás, más néven lágy kapcsolás révén kerülik el. Az alapgondolat parazita kimeneti kapacitást alkalmaz a kapcsoló tranzisztorban (általában egy MOSFET) és a teljesítménytranszformátor parazita szivárgási induktivitását rezonáns áramkörként. Villamosan az induktor és a kondenzátor sorban és párhuzamosan van az egyes aktív kapcsolókkal. További áramköröket adunk az LC energia veszteségmentes visszanyeréséhez és a terheléshez vagy a bemenethez történő eljuttatásához.

Sokféle áramkör létezik a lágy kapcsolás megvalósításához. Mindannyian egy speciális kapcsolási sorrendet alkalmaznak, amely az energiaveszteség korlátozására optimalizált. Az általános hatékonyságnövelés nagyságrendileg 2%, ami például egy 20 kW-os megtakarítást jelent egy 1 kW-os tápegységben.

A softswitch sémájának egyik problémája, hogy az érintett kapacitív és induktív komponensek hőmérséklet-érzékenyek. Tehát a digitális vezérlés az üzemi körülmények dinamikus figyelemmel kísérése és az áramkör működésének optimalizálása. "A tranzisztor holtidejét használjuk a lágy kapcsolás elvégzéséhez" - mondja Charlie Wu, a Freescale vezető rendszer- és alkalmazásmérnöke. Freescale Semiconductor egyike a chipgyártóknak, akik IC-ket működtetnek a PWM-stílusú kellékek lágy kapcsolásának kezelésére. „A terhelés alapján dinamikusan kell beállítani a holtidőt, szélesíteni kell nagy terhelésre, rövidíteni kell kis terhelésre. Ha a holtidő állandó marad, akkor torzítja a hullámformát ”- mondja.

IDŐ A DINOSAUR FELKELTETÉSÉRE
A beágyazott vezérlők energiamegtakarításának jó példájához ne keressen tovább, mint a 3,3 fontos Pleo-t. A fény, a mozgás, az érintés és a hang érzékelésére 38 érzékelővel elakasztva a robot kisállat hat processzort és 14 szervomotort hordoz. Pleo gyártója, Ugobe kaliforniai Emeryville-ben 32 bites és 8 bites ARM processzorokat használt Atmel Corp. a motorok irányításához, Pleo környezetének érzékeléséhez és dinoszauruszok zajához.

Az Pleo akkumulátor-élettartama kiemelkedő - ezek a szervomotorok egészséges klipsszel égetik el az energiát. Tehát a fedélzeten lévő Atmel processzorok különféle technikákat alkalmaznak, hogy minimalizálják a jelenlegi áramlást. Talán a legkézenfekvőbb módszer az, ha csak alvó üzemmódba lépünk, amikor nem csinálnak semmi fontosat. De problémák adódhatnak, amikor az áramkör felébred. Pontosabban az különbözteti meg, hogy az áramkör hogyan kerül vissza normál üzemi állapotba. A Pleo-ban, valamint számos más beágyazott alkalmazásban fontos, hogy a lehető leghamarabb teljes ébrenlét módba váltsunk. A véghatás egyébként lehet egy kéziszerszám, amely nem reagál azonnal, amikor meghúzza a ravaszt, vagy egy rádióval vezérelt játék, amely lassan halad a felvételnél.

"Ébresztési ciklusban nem akarja újraindítani a rendszert" - mondja Jerome Gaysse, az Atmel Corp. termékmarketing-mérnöke. "Érdemes menteni a chip kontextusát a leállítás előtt, hogy gyorsabban kijusson a készenlétből."

Egy másik trükk: Néhány chip beépített RC oszcillátorral rendelkezik, amelyek átmenetileg gyors óraként szolgálnak csak az indítás során. Amint a dolgok rendeződtek, a rendszeróra ismét átveszi az irányítást.

És többféle alacsony fogyasztású mód is létezik. A két leggyakoribb típus az energiatakarékos mód és az alapjárati mód. Energiatakarékosság közben minden ki van kapcsolva, kivéve egy órát, amely nyomon követi az időt. Az üresjárati módot az áramkör egyes részeinek szelektív kikapcsolása jellemzi, de a mikrovezérlő fő részei még mindig működnek. Ezen üzemmódok közötti energiafogyasztásbeli különbségek jelentősek lehetnek. Például egy Atmel vezérlő chip, amely 1,8 V feszültség mellett működik, aktív állapotban 340 µA-t fogyaszt, de üresjáratban csak 150 µA-t, energiatakarékosság esetén pedig 0,65 µA-t. Érdekes módon a készülék teljesen kikapcsolva 0,1 µA-t fogyaszt. A nem nulla áramelvezetés a chip készítéséhez használt félvezető folyamatban rejlő szivárgási áramok és az érintett geometriák miatt van. Általában minél kisebb a geometria, annál nagyobb a szivárgási áram. Ezért újabb kompromisszum: A nagyobb chipek nagyobb eszközgeometriával kevesebbet szivárognak. A kompaktabb chipek kisebb helyeken helyezkednek el, és kevesebb áramot fogyaszthatnak aktív állapotban, de a szivárgási áram miatt elveszített áram nagyobb problémát jelenthet.

Az óra kezelése az energia megtakarítás másik kulcsfontosságú eszköze. A lassabb órával működő chip kevesebb energiát fogyaszt, mint egy gyorsabban futó chip. Tehát a működési sebesség kompromisszumot jelent az áramigényekkel szemben. És gyakran az áramkör nem minden részének kell azonos sebességgel futnia. Így lehetséges, hogy a tervezés egyes szakaszait lelassítják, míg mások elfordulnak. Vagy a tervezők csak szelektíven alkalmazhatják az órajelet, átmenetileg kikapcsolva a nem használt áramköröket. "Megtakaríthatja az ily módon használt energia 50% -át" - mondja Gaysse.

De nem minden tervező tudja, hogyan kell megtervezni egy rendszert, így az alacsony és magas frekvenciák között válthat zárolás nélkül. "A probléma általában a szinkronizálás, ha több óra tartománya van" - mondja Gaysse. "Jelenleg nem sok architektúrát lát több órával, de ez növekvő tendencia."

"Bonyolult a méretarányos időmérés elvégzése" - mondja Freescale Wu. "Ha a modulok nincsenek gondosan felépítve, akkor az átmenet során lezáródnak."

Végül a processzor típusával kapcsolatos alapvető döntések hatással lehetnek az energiafogyasztásra. A Risc-stílusú architektúrák arról híresek, hogy hatalomfosztók pusztán azért, mert nem használnak multiplikációs utasításokat. Összeadást és kivonást kezelnek a szorzással és osztással. Ezzel szemben a szorzási utasításokkal rendelkező Cisc architektúrák viszonylag sok energiát igényelnek, mivel a szorzások több lépést tartalmaznak, és több áramkört használnak, mint egyszerű összeadás és kivonás.

Ennek ellenére a Risc és a Cisc közötti választás az energiafogyasztás szempontjából nem biztos, hogy egyértelmű. "Bár egy Risc processzor kevesebbet fogyaszt, ugyanannak a műveletnek több utasítást használ" - mutat rá a freescale-i Charlie Wu. „Ez azt jelenti, hogy egy Risc gépnek hosszabb ideig kell működnie a dolgok elvégzéséhez. Tehát néha félrevezető lehet a Risc és a Cisc energiaeloszlásának összehasonlítása. "

KAPCSOLATOT TEREMT
További információ arról, hogy mi van a Pleo-ban, és egy pillantás a Pleo lebontására:
tinyurl.com/yvput3
tinyurl.com/ynoc7w
tinyurl.com/yprthk
Atmel Corp., atmel.com
Freescale Corp., freescale.com

Ugobe Pleo hasonlít egy Camarasaurus csecsemőhöz. De levett bőrével a játék úgy néz ki, mint hat Atmel CPU, 28 érzékelő és 14 szervomotor, különféle áramköri lapokra szerelve. Az áramfogyasztás kedves. A korai felülvizsgálatok szerint az akkumulátor csak körülbelül egy órányi aktív játékig tart, mielőtt újratölteni kellene. A bent lévő Atmel processzorok különféle eszközöket alkalmaznak ahhoz, hogy teljesítményigényüket a lehető legkisebbre tartsák.

Az impulzusszélesség-modulált tápegységek összefonódása az Energy Star 80 Plus specifikáció elérésének kulcsfontosságú technikája. Az ötlet az, hogy szinkronizálja a PFC és a PWM kapcsolást, hogy csökkentse a keletkező áram harmonikus tartalmát. Az ábrán látható MC56F8013 egy Freescale processzor, amelyet gyakran használnak a teljesítménytényező vezérlésének megvalósításához.

Energiatakarékosság - ÓRA kapu - Az áramfogyasztás a CMOS logikai áramkörökben arányos az óra-váltás frekvenciájával. Tehát az energiamegtakarítás egyik széles körben alkalmazott technikája az ideiglenesen nem használt áramkörökre történő letiltás. Amint ezt az Atmel-diagram szemlélteti, tipikus megközelítés az, hogy a kapuóra-jeleket a rendszer különböző részeihez alvó üzemmód letiltó jelzéssel irányítják. Az analóg komponenseket és az I/O-t gyakran külön kapuzzák. Néhány processzor beépített teljesítménycsökkentési regiszterekkel (PRR) is rendelkezik, amelyek szelektíven letilthatják a rendszer egyes szakaszait akkor is, ha az alvó üzemmód nincs bekapcsolva. Egy másik hasonló technika az óra átkapcsolása olyan tároló elemek felé, amelyek állapota az utolsó óraciklus óta nem változott, elkerülve ezzel a felesleges frissítéseket.