O projeto de baixo consumo de energia é um sistema que utiliza um conjunto de técnicas e metodologias com o objetivo de otimizar a vida útil da bateria e reduzir a dissipação geral de energia do sistema. Para otimizar a potência existem muitas técnicas de baixo consumo de energia que dependem do nível do projeto selecionado, variando desde a tecnologia de semicondutores até os níveis mais elevados de abstração. Esses níveis de abstração são classificados como níveis de sistema, algoritmo, arquitetura, circuito e processo que discutiremos mais adiante no artigo e examinaremos algumas das informações relacionadas à redução do consumo de energia em sistemas embarcados. Então, em um artigo futuro, discutiremos os recursos do sistema de baixo consumo de energia baseado em microcontrolador e como você pode usá-los para prolongar a vida útil da bateria.
Termos gerais
Antes de prosseguirmos, devemos conhecer estes termos:
Atual. É uma medida da quantidade de carga elétrica transferida por unidade de tempo através de um circuito fechado. A unidade padrão é amperes, que é definido como coulombs (uma unidade de carga) por segundo.
Eu=Q/t
Poder. Energia elétrica (P) é a taxa na qual o trabalho é realizado ou a energia é transformada em um circuito elétrico.
P = VI
Onde V é a diferença de potencial no circuito e I é a corrente elétrica que passa pelo circuito elétrico
Energia. Energia é a capacidade de realizar trabalho. Se a potência for constante ao longo do intervalo de tempo, então a energia pode ser expressa simplesmente como
E = Pt
Se o consumo de energia for constante, o consumo de energia será potência * tempo durante o qual a energia é consumida. A redução do consumo de energia só economizará energia se o tempo necessário para concluir a tarefa não aumentar.
Vamos entender os sistemas embarcados de baixo consumo fazendo um experimento com o brilho do LED. Nosso objetivo aqui é demonstrar como podemos acionar carga com baixa potência usando um MCU.
Configurar
Aqui usamos um Arduino para controlar o brilho do LED. O Arduino fornece PWM (modulação por largura de pulso) que pode emitir periodicamente ALTO e BAIXO. A função PWM, alternando periodicamente entre ALTO e BAIXO em uma taxa especificada, pode ser usada para ajustar o brilho do LED.
Fig: 1 Configuração do experimento
Código explicado
Para criar um sinal PWM, usamos a função analógicoEscrever(x, y)onde x é o pino digital e y é um valor para o “ciclo de trabalho”, entre “0 e 255”, onde 0 indica 0% do ciclo de trabalho e 255 indica 100% do ciclo de trabalho, o que significa que quando a relação PWM atinge 255, é diminuiu até atingir 0 para escurecer o LED gradualmente.
O ciclo de trabalho é a relação entre o tempo que uma carga ou circuito fica LIGADO em comparação com o tempo que a carga ou circuito fica DESLIGADO. Um ciclo de trabalho de 60% é um sinal que fica LIGADO 60% do tempo e DESLIGADO 40%.
Teste 1
Quando a relação PWM é 10 e o Ciclo de Trabalho é 4%.
Fig: 2 Experimente com baixo brilho do LED.
O baixo brilho do LED (10%) utiliza menos corrente de acionamento, o que significa que menos energia é consumida. E em bateria de 100mA com carga de 0,1mA, o tempo de execução será de 1000 horas.
Figura 3. Sinal A com ciclo de trabalho de 10%
Teste 2
Quando a relação PWM é 150 e o ciclo de trabalho é 58%.
Fig: 4 Experimente brilho moderado do LED.
A metade do brilho do LED (58%) utiliza metade da corrente do drive, o que significa que metade da energia é consumida. Em bateria de 100mA com carga de 1,85mA, o tempo de execução será de 54 horas.
Fig.5: Sinal A com ciclo de trabalho de 58%
Teste 3
Quando a relação PWM é 255 e o ciclo de trabalho é 100%.
Fig: 6 Experimente com brilho total do LED.
O brilho total do LED (100%) utiliza toda a corrente da unidade, o que significa que mais energia é consumida. Em bateria de 100mA com carga de 3,16mA, o tempo de execução será de 31 horas.
Fig. 7: Sinal A com ciclo de trabalho de 100%
A corrente é proporcional ao brilho do LED. Portanto, a corrente é menor se o brilho do LED for menor, o que implica que baixo consumo de energia será igual a baixo consumo de energia.
Por que precisamos de um design de baixo consumo de energia?
Os sistemas incorporados precisam ser energeticamente eficientes durante a operação para garantir uma longa vida útil da bateria, reduzir o consumo de energia da rede elétrica e evitar a geração excessiva de calor. A maior duração da bateria de um produto também pode levar a menores custos de manutenção, uma vez que visitas dispendiosas para substituição de baterias ocorrem com menos frequência. Além disso, dispositivos portáteis como telefones celulares, consoles de jogos e sistemas eletrônicos alimentados por bateria exigem circuitos microeletrônicos projetados com dissipação de energia ultrabaixa. Por exemplo, soluções de medição como a leitura automática de medidores (AMR) exigem maior vida útil da bateria e portabilidade, pois precisam ser fixadas em cada medidor. Eles devem funcionar cerca de 8 a 10 anos após a instalação.
Níveis de otimização de energia
O design de baixo consumo de energia de qualquer sistema é uma combinação de fabricante, software e hardware otimizados. Nessas combinações, a redução de potência pode ser implementada em diferentes níveis de abstração de projeto: sistema, arquitetura, algoritmos, circuito e nível de processo. As decisões de projeto mais eficientes derivam da escolha e otimização de arquiteturas e algoritmos nesses níveis. Vamos discutir brevemente esses níveis nos quais a redução de energia pode ser incorporada:
Fig. 8: Níveis de Fluxo de Projeto
- Nível do Sistema: Este nível inclui as técnicas de otimização de energia que podem ser feitas no momento da fabricação dos CIs e também no nível do hardware. Por exemplo, o particionamento de projeto é a prática de dividir um sistema em chip (SoC) em pequenos blocos, o que é feito por parte do fabricante. Isso permite que os usuários gerenciem com eficiência projetos de semicondutores como um conjunto relacionado de blocos funcionais. Os projetos de semicondutores são gerenciados de forma mais eficiente como conjuntos relacionados de blocos funcionais.
- Nível Algorítmico: Nesta técnica, o número de operações que requerem maior potência é reduzido, o que basicamente faz parte do Software. Esta abordagem reduz o número de operações e, portanto, reduz o número de recursos de hardware. Por exemplo, a maioria dos algoritmos DSP (processamento de sinal digital) envolve várias operações de multiplicação. A multiplicação é a operação que mais consome energia em tais algoritmos e pode ser substituída por operações shift-add (este método adiciona o multiplicando X a si mesmo Y vezes, onde Y denota o multiplicador) para reduzir a potência.
- Nível Arquitetônico: As medidas no nível da arquitetura incluem gerenciamento inteligente de energia de vários blocos do sistema, utilização de pipeline e paralelismo, projeto de estruturas de barramento e escalonamento de tensão. Neste nível, a redução de energia pode ser feita tanto no lado do hardware quanto no lado do software. Por exemplo, o consumo de energia nos circuitos CMOS é proporcional à capacitância. Ao projetar a PCB, podemos minimizar o comprimento do barramento através do posicionamento ideal do módulo, o que reduzirá a capacitância.
- Nível de Design de Lógica/Circuito: Este nível inclui as técnicas de otimização de energia que podem ser feitas no momento da fabricação de ICs, hardware e também de software. Por exemplo, o dimensionamento do transistor é o processo de redução ou aumento da largura do canal do transistor no momento da fabricação. Quanto menores forem os transistores, mais transistores cabem em um chip e mais rápido e eficiente o processador pode ser. Outro exemplo é usar um design personalizado no lado do hardware em que os componentes de um circuito usado são mais estáticos do que dinâmicos.
- Nível de Processo: Este nível inclui as técnicas de otimização de energia que podem ser feitas apenas no lado do hardware do sistema. Por exemplo, tensões de alimentação múltipla estão sendo usadas em diferentes blocos funcionais do núcleo para economizar energia. Outro exemplo, reduzir a tensão de alimentação de 5,0 para 3,3 volts (uma redução de 44%) reduz o consumo de energia em cerca de 56%.
** Discutiremos isso em detalhes em um artigo futuro.
Modelagem de poder
Modelagem de potência é uma técnica ou procedimento para estudar a potência gerada, perdida e distribuída em um sistema. Ajuda no registro de dados anteriores de fluxo de energia e na preparação de planos futuros e design de sistema. Na modelagem de potência, a Dissipação Total de Potência (PT) pode ser amplamente dividida no seguinte:
Fig. 9: Modelo de Dissipação de Energia
Dissipação de energia estática (PS): Energia consumida durante o modo de espera. (Quando o microcontrolador está no modo de suspensão, mas o LDO (Low Drop Out) está ativo e consome energia)
Fig. 10: Dissipação de energia estática
Dissipação Dinâmica de Potência (PD): Dissipação de potência durante uma comutação de sinal na entrada da célula durante e descarga das capacitâncias do circuito. A capacitância chaveada é a principal fonte de consumo dinâmico de energia e surge da carga e descarga de capacitores nas saídas dos circuitos.
Fig. 11: Dissipação Dinâmica de Potência
Dissipação de energia por curto-circuito (PSC): É a fonte secundária de consumo dinâmico de energia onde a energia é dissipada por uma conexão de curto-circuito instantâneo entre a tensão de alimentação e o terra no momento em que o portão muda de estado, o que pode causar dissipação de mais de 20% da energia total.
PT = PS + PD + PSC
Fig. 12: Dissipação de energia por curto-circuito
Aplicações de sistemas embarcados de baixo consumo
Isso inclui o seguinte:
- Dispositivos de baixa manutenção
- Relógios de pulso digitais
- Rastreador de condicionamento físico
- Quiosques interativos
- Faróis
- Câmeras
- Celulares
- Sistemas autônomos de Internet das Coisas (IoT)