Sempre più in basso si assestano i consumi dei microcontrollori PIC della serie nanoWatt eXtreme Low Power (nanoWatt XLP™, che migliorano ulteriormente la tecnologia originaria nanoWatt, riducendo in modo drastico il consumo statico e offrendo molte soluzioni flessibili per il controllo dei consumi (power management).
La Microchip continua a rendere disponibili prodotti innovativi che sono più piccoli, più veloci, più facili da usare e più affidabili. I microcontrollori PIC® basati su tecnologia Flash (MCU) vengono utilizzati in un’ampia gamma di prodotti di largo consumo, dai rilevatori di fumo all’illuminazione negli ospedali, fino a prodotti industriali, dell’automazione e medici. I PIC caratterizzati da tecnologia nanoWatt implementano diverse importanti caratteristiche che sono diventate nel corso del tempo standard per i microcontrollori PIC. A partire dal rilascio della tecnologia nanoWatt, miglioramenti delle performance e cambiamenti nella tecnologia di produzione si sono tradotti in nuove esigenze di controllo del consumo. Essi migliorano la tecnologia originaria nanoWatt e si dimostrano flessibili verso queste nuove esigenze. La seguente serie di suggerimenti può essere applicata a svariate applicazioni e alla maggior parte dei PIC MCU nanoWatt e dispositivi nanoWatt XLP.
SUGGERIMENTI GENERALI PER IMPIEGHI IN REGIME DI “LOW POWER”
Per ridurre i consumi di quasi ogni applicazione facente uso di MCU PIC, possono essere presi in considerazione i seguenti suggerimenti.
SUGGERIMENTO 1: SPEGNIMENTO DEI CIRCUITI ESTERNI O CONTROLLO MEDIANTE DUTY-CYCLE
Tutte le modalità di basso consumo presenti in un PIC non serviranno a nulla se non si è in grado di controllare il consumo dei circuiti esterni al microprocessore. Tenere acceso anche un solo LED è equivalente a far funzionare la maggior parte dei PIC MCU a 5V @ 20 MHz. Mentre si progetta un circuito, si può decidere quali configurazioni servono veramente, così si può suddividere l’elettronica in modo da spegnere tutta la circuiteria che non è necessaria. Il sistema mostrato nella Figura 1 è molto semplice: appaiono tutte le sue componenti; si tratta di un’applicazione di memorizzazione dati.
Figura 1: Schema elettrico di un’applicazione con PIC16F819
Vengono utilizzati un sensore, una EEPROM, una batteria e un microprocessore come elementi attivi. Ogni due secondi l’applicazione legge un dato proveniente dal sensore, scala il dato di lettura, memorizza il dato scalato nella EEPROM e si pone in attesa di una nuova lettura del sensore. Il sistema presenta, pur nella sua semplicità, l’inconveniente di avere la EEPROM, il sensore e il circuito di bias sempre alimentati. Per minimizzare il consumo di questo circuito sarebbe bene spegnere queste parti del sistema quando non servono. In Figura 2 si può notare come alcuni pin I/O sono stati utilizzati per alimentare la EEPROM e il sensore. Molti dispositivi PIC MCU possono fornire correnti fino a 20 mA da ciascun piedino di I/O, così non è necessario aggiungere componenti per fornire e togliere alimentazione. Nel caso fosse richiesta più corrente di quella fornita dal PIC MCU si può ricorrere ad un MOSFET controllato dal PIC per alimentare il circuito. I dati specifici di ogni singolo dispositivo per tale controllo si possono trovare negli appositi documenti tecnici.
Figura 2: Schema elettrico di un’applicazione con PIC16F819 (circuito modificato)
SUGGERIMENTO 2: CONTROLLO DI CONSUMO (POWER BUDGETING)
Il controllo di consumo è una tecnica che si usa per stimare il consumo di corrente e la durata delle batterie. Essa funziona suddividendo l’applicazione in modi di operazione: si calcola il carico totale imposto da ciascun modo moltiplicando il consumo di corrente di quel modo per l’intervallo di tempo di funzionamento del modo stesso; si sommano i carichi di ciascun modo trovati nella maniera precedente e si media sul periodo di tempo totale dell’applicazione (single application loop) per ottenere la corrente media. La Figura 3 mostra i dati relativi a cinque modi di funzionamento in cui è stata suddivisa l’applicazione considerata nel suggerimento numero uno e il cui circuito è riportato in Figura 2: esso fa riferimento ad un tipico dispositivo nanoWatt XLP e riporta la corrente media.
Figura 3: Dati di “power budgeting” relativi all’applicazione di Figura 2
Calcolo della durata delle batterie
Utilizzando la corrente media trovata nella maniera ricordata è possibile determinare l’intervallo di tempo in cui una batteria può alimentare il circuito relativo all’applicazione considerata. La Figura 4 mostra la durata tipica di batterie calcolata tramite il consumo medio riportato tra i dati di Figura 3. Dopo aver ottenuto i dati di “power budgeting” è possibile stabilire il tipo di batteria più adatto per l’applicazione considerata. Se il consumo è troppo elevato risulta più semplice determinare come si può intervenire per diminuire il consumo.
Figura 4: Durata tipica delle batterie
SUGGERIMENTO 3: CONFIGURAZIONE DELLE PORTE E DEI PIN
Tutti i dispositivi PIC MCU possiedono pin di I/O bidirezionali. Alcuni di questi pin possono essere utilizzati come ingressi di segnali analogici: è importante prestare attenzione al tipo di segnale applicato per avere il consumo minore.
Pin inutilizzati
Se un pin è inutilizzato, può essere lasciato non connesso ma configurato come un pin di uscita (a livello alto o basso) o può essere configurato come un input con una resistenza esterna (di 10 Kohm) collegata a VDD o VSS. Se è configurato come input, solo la corrente di dispersione percorrerà il pin (la stessa corrente sarebbe presente se il pin fosse collegato direttamente a VDD o VSS). Entrambe le opzioni permettono di utilizzare in seguito il pin come input o come output, senza apportare modifiche significative all’hardware.
Figura 5: Circuito di alimentazione del core tramite coin cell
Ingressi digitali
Un pin digitale di input consuma il minimo di corrente quando la tensione di input è vicina a VDD o VSS. Se la tensione di input è vicina alla media tra VDD o VSS, i transistor presenti nel buffer digitale di ingresso funzionano in una regione lineare e consumeranno un certo quantitativo di corrente. Se il pin è configurato come ingresso analogico, il buffer digitale viene spento, riducendo la corrente che percorre il pin.
Ingressi analogici
Gli ingressi analogici sono di elevata impedenza, così consumano poca corrente. Essi consumano meno di un ingresso digitale se la tensione applicata assume valori intermedi a quelli di VDD o VSS.
Figura 6: Circuito di alimentazione del core con tensione non costante
Uscite digitali
Non vi è un consumo addizionale di corrente in un pin digitale d’uscita oltre a quella che percorre il pin per alimentare il circuito esterno. Si deve prestare attenzione agli assorbimenti dei circuiti esterni, per rendere minimi i consumi.
