¿Qué es el diseño de bajo consumo?

El diseño de bajo consumo es un sistema que utiliza un conjunto de técnicas y metodologías con el objetivo de optimizar la duración de la batería y reducir la disipación de energía general del sistema. Para optimizar la energía existen muchas técnicas de bajo consumo que dependen del nivel de diseño seleccionado, que van desde la tecnología de semiconductores hasta los niveles más altos de abstracción. Estos niveles de abstracción se clasifican como niveles de sistema, algoritmo, arquitectura, circuito y proceso que discutiremos más adelante en el artículo y examinaremos parte de la información relacionada con la reducción del consumo de energía en sistemas integrados. Entonces, en un artículo futuro, discutiremos las características del sistema de bajo consumo basado en microcontrolador y cómo puede usarlos para extender la vida útil de la batería.

Términos generales
Antes de continuar, debemos conocer estos términos:
Actual . Es una medida de la cantidad de carga eléctrica transferida por unidad de tiempo a través de un circuito cerrado. La unidad predeterminada es amperios, que se define como culombios (una unidad de carga) por segundo.
I=Q/t

Fuerza. La potencia eléctrica (P) es la velocidad a la que se realiza trabajo o se transforma energía en un circuito eléctrico.
P = VI
Donde V es la diferencia de potencial en el circuito e I es la corriente eléctrica que pasa por el circuito eléctrico.

Energía . La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Si la potencia es constante durante el intervalo de tiempo, entonces la energía se puede expresar simplemente como
E = Punto

Si el consumo de energía es constante, el consumo de energía será potencia * tiempo durante el cual se consume energía. Reducir el consumo de energía sólo permitirá ahorrar energía si el tiempo necesario para completar la tarea no aumenta.

Entendamos los sistemas integrados de bajo consumo haciendo un experimento con el brillo del LED. Nuestro objetivo aquí es demostrar cómo podemos controlar la carga con baja potencia utilizando una MCU.

Para configurar
Aquí usamos un Arduino para controlar el brillo del LED. Arduino proporciona PWM (modulación de ancho de pulso) que puede emitir periódicamente ALTO y BAJO. La función PWM, que cambia periódicamente entre ALTO y BAJO a una velocidad específica, se puede utilizar para ajustar el brillo del LED.

Fig: 1 Configuración del experimento

Código explicado
Para crear una señal PWM, utilizamos la función analógica Write(x, y) donde x es el pin digital e y es un valor para el "ciclo de trabajo", entre "0 y 255", donde 0 indica 0% del ciclo de trabajo y 255 indica un ciclo de trabajo del 100%, lo que significa que cuando la relación PWM llega a 255, se reduce hasta llegar a 0 para atenuar el LED gradualmente.

El ciclo de trabajo es la relación entre el tiempo que una carga o circuito está ENCENDIDO en comparación con el tiempo que la carga o circuito está APAGADO. Un ciclo de trabajo del 60 % es una señal que está encendida el 60 % del tiempo y apagada el 40 %.

Prueba 1
Cuando la relación PWM es 10 y el ciclo de trabajo es 4%.

Fig: 2 Pruebe con un brillo LED bajo.

El bajo brillo del LED (10%) utiliza menos corriente de accionamiento, lo que significa que se consume menos energía. Y con una batería de 100 mA con una carga de 0,1 mA, el tiempo de funcionamiento será de 1000 horas.

Figura 3. Señal A con ciclo de trabajo del 10%

Prueba 2
Cuando la relación PWM es 150 y el ciclo de trabajo es 58%.

Fig: 4 Experimente un brillo LED moderado.

La mitad del brillo del LED (58%) utiliza la mitad de la corriente del variador, lo que significa que se consume la mitad de la energía. Con una batería de 100 mA con una carga de 1,85 mA, el tiempo de funcionamiento será de 54 horas.

Fig.5: Señal A con ciclo de trabajo del 58%

Prueba 3
Cuando la relación PWM es 255 y el ciclo de trabajo es 100%.

Fig: 6 Pruebe con brillo LED completo.

El brillo total del LED (100 %) utiliza toda la corriente de la unidad, lo que significa que se consume más energía. Con una batería de 100 mA con carga de 3,16 mA, el tiempo de funcionamiento será de 31 horas.

Fig. 7: Señal A con ciclo de trabajo del 100%

La corriente es proporcional al brillo del LED. Por tanto, la corriente es menor si el brillo del LED es menor, lo que implica que un bajo consumo de energía equivaldrá a un bajo consumo de energía.

¿Por qué necesitamos un diseño de bajo consumo de energía?
Los sistemas integrados deben ser energéticamente eficientes durante el funcionamiento para garantizar una larga duración de la batería, reducir el consumo de energía de la red y evitar la generación excesiva de calor. La mayor duración de la batería de un producto también puede generar menores costos de mantenimiento, ya que las costosas visitas de reemplazo de la batería ocurren con menos frecuencia. Además, los dispositivos portátiles como teléfonos móviles, consolas de juegos y sistemas electrónicos que funcionan con baterías requieren circuitos microelectrónicos diseñados con una disipación de energía ultrabaja. Por ejemplo, las soluciones de medición como la lectura automática de medidores (AMR) requieren mayor duración de la batería y portabilidad, ya que deben conectarse a cada medidor. Deberían funcionar durante unos 8 a 10 años después de la instalación.

Niveles de optimización de energía
El diseño de bajo consumo de cualquier sistema es una combinación de fabricante, software y hardware optimizados. En estas combinaciones, la reducción de potencia se puede implementar en diferentes niveles de abstracción del diseño: nivel de sistema, arquitectura, algoritmos, circuito y proceso. Las decisiones de diseño más eficientes se derivan de la elección y optimización de arquitecturas y algoritmos en estos niveles. Analicemos brevemente estos niveles en los que se puede incorporar la reducción de energía:

Fig. 8: Niveles de flujo del proyecto

  1. Nivel del sistema: este nivel incluye técnicas de optimización de energía que se pueden realizar en el momento de la fabricación de circuitos integrados y también a nivel de hardware. Por ejemplo, la partición de diseño es la práctica de dividir un sistema en chip (SoC) en pequeños bloques, lo cual realiza el fabricante. Esto permite a los usuarios gestionar de forma eficiente los diseños de semiconductores como un conjunto relacionado de bloques funcionales. Los diseños de semiconductores se gestionan de manera más eficiente como conjuntos relacionados de bloques funcionales.
  2. Nivel Algorítmico: En esta técnica se reduce el número de operaciones que requieren mayor potencia, lo cual es básicamente parte del Software. Este enfoque reduce la cantidad de operaciones y, por lo tanto, reduce la cantidad de recursos de hardware. Por ejemplo, la mayoría de los algoritmos DSP (procesamiento de señales digitales) implican varias operaciones de multiplicación. La multiplicación es la operación que consume más energía en tales algoritmos y puede reemplazarse por operaciones de desplazamiento y suma (este método suma el multiplicando X a sí mismo Y veces, donde Y denota el multiplicador) para reducir la energía.
  3. Nivel arquitectónico: las medidas a nivel arquitectónico incluyen la gestión inteligente de la energía de varios bloques del sistema, la utilización y el paralelismo de las tuberías, el diseño de estructuras de bus y el escalado de voltaje. En este nivel, la reducción de energía se puede realizar tanto en el lado del hardware como en el del software. Por ejemplo, el consumo de energía en los circuitos CMOS es proporcional a la capacitancia. Al diseñar la PCB, podemos minimizar la longitud del bus mediante la ubicación óptima del módulo, lo que reducirá la capacitancia.
  4. Nivel de diseño lógico/de circuitos: este nivel incluye las técnicas de optimización de energía que se pueden realizar en el momento de fabricar circuitos integrados, hardware y también software. Por ejemplo, el dimensionamiento del transistor es el proceso de reducir o aumentar el ancho del canal del transistor en el momento de la fabricación. Cuanto más pequeños sean los transistores, más transistores caben en un chip y más rápido y eficiente puede ser el procesador. Otro ejemplo es el uso de un diseño personalizado en el lado del hardware donde los componentes de un circuito utilizado son más estáticos que dinámicos.
  5. Nivel de proceso: este nivel incluye las técnicas de optimización de energía que solo se pueden realizar en el lado del hardware del sistema. Por ejemplo, se utilizan múltiples voltajes de suministro en diferentes bloques funcionales del núcleo para ahorrar energía. Como otro ejemplo, reducir el voltaje de suministro de 5,0 a 3,3 voltios (una reducción del 44%) reduce el consumo de energía en aproximadamente un 56%.

**Discutiremos esto en detalle en un artículo futuro.

Modelado de potencia
El modelado de energía es una técnica o procedimiento para estudiar la energía generada, perdida y distribuida en un sistema. Ayuda a registrar datos de flujo de energía pasados ​​y a preparar planes y diseños de sistemas futuros. En el modelado de energía, la disipación total de energía (PT) se puede dividir en términos generales en lo siguiente:

Fig. 9: Modelo de disipación de energía

Disipación de energía estática (PS) : energía consumida durante el modo de espera. (Cuando el microcontrolador está en modo de suspensión pero LDO (Low Drop Out) está activo y consume energía)

Fig. 10: Disipación de energía estática

Disipación de potencia dinámica (PD) : disipación de potencia durante la conmutación de señal en la entrada de la celda durante la descarga de capacitancias del circuito. La capacitancia conmutada es la principal fuente de consumo de energía dinámica y surge de la carga y descarga de capacitores en las salidas del circuito.

Fig. 11: Disipación de potencia dinámica

Disipación de energía por cortocircuito (PSC) : es la fuente secundaria de consumo de energía dinámica donde la energía se disipa mediante una conexión de cortocircuito instantánea entre el voltaje de suministro y tierra en el momento en que la puerta cambia de estado, lo que puede causar una disipación de más de 20% de la energía total.
PT = PS + PD + PSC

Fig. 12: Disipación de energía por cortocircuito

Aplicaciones de sistemas integrados de bajo consumo
Esto incluye lo siguiente:

  1. Dispositivos de bajo mantenimiento
  2. Relojes de pulsera digitales
  3. Rastreador de actividad física
  4. Quioscos interactivos
  5. faros
  6. Cámaras
  7. Celulares
  8. Sistemas autónomos de Internet de las cosas (IoT)

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