Prolungare la durata della batteria dei dispositivi indossabili grazie a una temporizzazione efficiente durante gli stati di inattività

La durata della batteria dei dispositivi indossabili e di altri dispositivi elettronici personali è un fattore determinante da cui dipendono le decisioni di acquisto degli utenti. Per massimizzare la durata della batteria, gli sviluppatori di solito sfruttano i lunghi periodi di inattività di questi dispositivi, mettendo i microcontroller e altri componenti che consumano energia in uno stato di sospensione a basso consumo finché non è richiesta l'interazione con l'utente. Anche negli stati di sospensione a più basso consumo, però, i sistemi richiedono un clock in tempo reale (RTC) accurato per mantenere l'ora sincronizzata con il mondo reale e gestire gli eventi programmati.

Sebbene gli sviluppatori dispongano di diverse opzioni per supportare una temporizzazione accurata negli stati di sospensione, sono poche quelle che riescono a soddisfare i requisiti emergenti che puntano a ridurre sia il consumo che le dimensioni del progetto.

Questo articolo mostra come gli sviluppatori possono utilizzare un chip RTC ad alta efficienza energetica di Maxim Integrated abbinato a un microcontroller a bassissimo consumo per prolungare la durata della batteria di indossabili, dispositivi per Internet delle cose (IoT) e altri prodotti con vincoli di dimensioni e consumi.

Temporizzazione di base

Gli RTC svolgono una funzione fondamentale nella maggior parte dei progetti che devono interagire con gli utenti o con altri sistemi secondo ora e calendario del mondo reale. Il cuore di un RTC è costituito dal circuito di un oscillatore a cristallo con una serie di registri che contengono i dati di data e ora accumulati da una catena di conto alla rovescia (Figura 1).

Figura 1: In un circuito di temporizzazione di base di un RTC, un oscillatore a cristallo pilota una catena di conto alla rovescia che aggiorna i registri contenenti i valori di data e ora. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Partendo da questo progetto di base, i dispositivi RTC si sono evoluti per offrire le numerose caratteristiche richieste per soddisfare le mutevoli esigenze delle applicazioni in termini di precisione di temporizzazione e funzionalità. Oggi, gli sviluppatori possono trovare dispositivi RTC che supportano diverse tensioni di funzionamento, capacità di memoria interna e un'ampia gamma di funzioni che vanno ben oltre l'ora e la data del tempo reale.

In un numero crescente di applicazioni, tuttavia, le capacità di temporizzazione non sono l'unico fattore decisivo per la scelta di un dispositivo RTC. Dato che i progettisti stanno rispondendo alla domanda di prodotti alimentati a batteria più piccoli, come gli indossabili, è cresciuta l'attenzione sull'impatto della temporizzazione sul consumo complessivo del sistema. I sistemi devono mantenere l'ora del mondo reale anche nei loro stati di sospensione ai livelli di consumo più bassi, per cui i progettisti sono consapevoli che l'ottimizzazione della corrente di temporizzazione è diventata un requisito critico per questi prodotti. Allo stesso tempo, per essere utile, qualsiasi soluzione di temporizzazione deve soddisfare vincoli severi di semplicità di progettazione e ingombro.

Compromessi per gli RTC di microcontroller

Per alcune applicazioni, i progettisti potrebbero non scegliere di aggiungere un dispositivo RTC separato, ma affidarsi semplicemente alla funzionalità RTC integrata in molti microcontroller. Ovviamente, non tutti i microcontroller hanno un RTC incorporato. Quelli che ne sono provvisti, in genere richiedono la ricalibrazione periodica dell'uscita RTC per soddisfare i requisiti di precisione della temporizzazione dell'applicazione. Oltre alla necessità di altro hardware e software per eseguire questa ricalibrazione, possono accumularsi errori di clock, per cui si avranno marche temporali errate prima che gli errori raggiungano la soglia di ricalibrazione.

Anche se questi errori possono essere corretti sincronizzando l'ora del dispositivo con la rete, le best practice per progetti a basso consumo richiedono di ridurre al minimo le connessioni di rete per limitare il tempo di attività di ricetrasmettitori radio energivori. Ovviamente, l'uso della funzionalità RTC integrata di un microcontroller può costringere a molti compromessi gli sviluppatori impegnati a realizzare progetti accurati e a basso consumo.

Microcontroller a bassissimo consumo come quelli della famiglia Darwin di Maxim Integrated rispondono a queste preoccupazioni con funzionalità e capacità studiate espressamente per un funzionamento poco energivoro (vedere Creare dispositivi intelligenti più efficaci: Parte 1 – Progettare per il basso consumo con MCU e PMIC). Ad esempio, nella modalità "backup" a più basso consumo con RTC abilitato e nessuna ritenzione SRAM, il microcontroller a bassissimo consumo Darwin MAX32660 di Maxim Integrated consuma circa 630 nA con un'alimentazione di 1,8 V. In modalità backup (e in tutte le sue modalità operative), il circuito RTC assorbe 450 nA, un valore inferiore a quello di molti dispositivi RTC standalone.

Agli sviluppatori intenti a massimizzare la durata della batteria, MAX32660 offre un'opzione con consumi ancora più bassi. Con RTC disabilitato nella sua modalità di backup a minor consumo (nessuna ritenzione SRAM), MAX32660 consuma solo tra 200 e 300 nA. L'apparente discrepanza tra questo valore e la differenza tra la corrente in modalità backup abilitata per RTC (630 nA) e la corrente del circuito RTC (450 nA) si spiega con la diversa attività nei circuiti coinvolti in questi specifici stati operativi. Ovviamente, questo approccio richiede che i progettisti trovino un dispositivo RTC esterno in grado di operare in modo più accurato e con una corrente inferiore a quella dell'RTC del microcontroller.

La disponibilità dell'RTC a basso consumo MAX31341B di Maxim Integrated permette loro di sfruttare pienamente le modalità a bassissimo consumo disponibili nei microcontroller avanzati e, allo stesso tempo, di soddisfare i requisiti di precisione del clock anche in caso di prolungato funzionamento offline.

Temporizzazione efficiente

MAX31341B di Maxim Integrated soddisfa la crescente esigenza di dispositivi RTC di piccole dimensioni e a bassissimo consumo in progetti alimentati a batteria e con vincoli di spazio. Diversamente dai primi RTC, MAX31341B consuma appena 180 nA durante le sue operazioni fondamentali di temporizzazione e integra funzionalità essenziali in un piccolo contenitore a livello di wafer (WLP) di 2 x 1,5 mm (Figura 2).

Figura 2: MAX31341B di Maxim Integrated consuma 180 nA per la temporizzazione e integra tutte le funzionalità RTC in un contenitore di 2 x 1,5 mm. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Oltre a dati accurati su ora e data, MAX31341B offre funzioni di avvisi temporali utilizzate in numerose applicazioni. La logica di controllo su chip gestisce un timer di conto alla rovescia e una coppia di allarmi in grado di generare interrupt in uscita attraverso i pin ØINTA e ØINTB del dispositivo. Gli sviluppatori possono riconfigurare il dispositivo per utilizzare ØINTA come ingresso CLKIN per un clock esterno per pilotare il contatore RTC. ØINTB può essere usato invece come CLKOUT per inviare al contatore di divisione desiderato un'onda quadra alla frequenza in uscita programmabile specificata tramite le impostazioni di registro.

Il dispositivo può essere programmato anche per generare interrupt in risposta agli ingressi sul pin di ingresso digitale D1 o su quello analogico AIN. Per l'ingresso analogico, gli interrupt vengono generati quando il segnale su AIN sale o scende attraversando uno dei quattro valori di soglia programmati (1,3 V, 1,7 V, 2,0 V, 2,2 V). Durante il funzionamento in questa modalità, MAX31341B potrebbe segnalare ad esempio a un processore host quando la tensione di alimentazione RTC è scesa al di sotto della soglia o è stata ripristinata, consentendo all'host di intraprendere l'azione appropriata.

L'ingresso AIN svolge un ruolo importante anche nella capacità di gestione energetica di MAX31341B, il che permette di mantenere l'alimentazione al dispositivo se la sorgente di alimentazione della tensione primaria non è disponibile o scende al di sotto della soglia. Con MAX31341B, è sufficiente che gli sviluppatori aggiungano al progetto hardware una sorgente di tensione esterna come una batteria ricaricabile o un supercondensatore. La configurazione del software corrispondente è altrettanto semplice. Per configurare il dispositivo per la gestione automatica dell'alimentazione basta impostare un bit nel suo registro di gestione energetica.

Quando è programmato in questa modalità, il pin AIN di MAX31341B funge da uscita di una catena di carica di mantenimento che comprende un diodo selezionabile, Zener, e la scelta di tre percorsi del resistore interno per impostare il livello della corrente di carica desiderato (Figura 3).

Figura 3: L'RTC MAX31341B di Maxim Integrated integra una catena di carica di mantenimento che consente agli sviluppatori di configurare programmaticamente la catena e il livello della corrente di carica. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Nel normale funzionamento in questa modalità, il dispositivo assorbe la corrente di carica di mantenimento, tipicamente a livelli di microampere, dalla sorgente di tensione primaria, VCC. Allo stesso tempo, MAX31341B monitora sia la VCC che la sorgente di backup, utilizzando la porta AIN per seguire il livello della tensione dell'alimentazione ausiliaria. Se VCC scende al di sotto della tensione misurata sul pin AIN, MAX31341B disattiva automaticamente la catena di carica di mantenimento e commuta la sua fonte di alimentazione sul backup tramite AIN.

Supporto per lo sviluppo

Maxim Integrated supporta i progettisti interessati alla configurazione hardware e alla capacità programmabile di MAX31341B con la scheda di valutazione MAX31341EVKIT e il relativo software di valutazione. Come illustrato nello schema del kit di valutazione, gli sviluppatori implementano il progetto dell'hardware di backup semplicemente collegando MAX31341B direttamente a una sorgente di tensione di backup, come il supercondensatore KW-5R5C334-R di Eaton (Figura 4).

Figura 4: Questa sezione dello schema della scheda MAX31341EVKIT di Maxim Integrated dimostra che per il backup dell'alimentazione della tensione di temporizzazione a MAX31341B basta un collegamento diretto tra il suo pin AIN e una sorgente di tensione ricaricabile come il supercondensatore KW-5R5C334-R di Eaton utilizzato sulla scheda di valutazione. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Il software di valutazione, in esecuzione su un personal computer collegato tramite USB alla scheda di valutazione RTC MAX31341B, fornisce una serie di pagine per monitorare i risultati di temporizzazione del dispositivo e per impostare interrupt e registri. Con questo software, gli sviluppatori possono impostare il dispositivo affinché operi in modalità di gestione energetica ed esplorare le opzioni del dispositivo per configurare il percorso di carica di mantenimento (Figura 5).

Figura 5: Il software del kit di valutazione RTC MAX31341B di Maxim Integrated offre una serie di menu per impostare i registri del dispositivo e programmare funzioni speciali come la modalità di gestione energetica e la configurazione della sua catena di carica di mantenimento. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Come suggerito nello schema della Figura 4, il progetto di un sistema realizzato con l'RTC MAX31341B è semplice quasi come lo schema a blocchi funzionali dell'interfaccia hardware (Figura 6).

Figura 6: Gli sviluppatori possono aggiungere l'RTC MAX31341B di Maxim Integrated ai loro progetti di sistema con poco più di un oscillatore a cristallo, una sorgente di tensione di backup opzionale e alcuni componenti passivi. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Come per la sorgente di tensione di backup, per l'integrazione del cristallo esterno richiesto non servono componenti aggiuntivi. A differenza dei dispositivi RTC precedenti, MAX31341B consente di utilizzare cristalli con una resistenza equivalente in serie (ESR) fino a 100 kΩ, il che offre una scelta più ampia di cristalli rispetto ai dispositivi precedenti.

Sul lato host, MAX31341B offre una semplice interfaccia seriale I²C per l'interazione con un processore come il microcontroller Darwin MAX32660 di Maxim Integrated. Grazie a questa interfaccia, il codice del software in esecuzione sull'host richiede solo poche istruzioni per gestire le operazioni di MAX31341B e accedere ai valori di data e ora in sequenza o in un singolo burst.

Gli sviluppatori che utilizzano MAX32660 e MAX31341B possono realizzare progetti a bassissimo consumo in grado di soddisfare le esigenze di molte applicazioni che si basano su una temporizzazione accurata. In pratica, gli errori del clock RTC derivanti dai tipici oscillatori a cristallo potrebbero causare problemi per alcune applicazioni, specie per quelle che devono lavorare su ampi intervalli di temperatura.

Negli oscillatori a cristallo a forma di diapason utilizzati nei tipici progetti RTC, il tasso di errore, espresso in parti per milione (ppm), aumenta con la diminuzione o l'aumento della temperatura rispetto al suo punto di turnover (il punto in cui la variazione della percentuale di errore va a zero). Per la maggior parte dei cristalli a 32 kHz, il punto di turnover della temperatura varia tra 20 °C e 30 °C. Al di fuori di questo intervallo, un tipico c[link:darwin] ristallo presenta un coefficiente di temperatura compreso tra -0,02 e -0,04 ppm/°C², il che porta a un tasso di errore a due cifre alle alte e basse temperature che gli utenti potrebbero dover affrontare.

Ad esempio, la scheda tecnica per il cristallo ECS-.327-6-12-TR di ECS usato nella scheda di valutazione MAX31341EVKIT specifica per la temperatura di turnover e il coefficiente di temperatura valori nominali rispettivamente di 25 °C e di -0,03 ppm/°C². Il tasso di errore del clock RTC MAX31341B segue a sua volta queste caratteristiche, come mostrato nella Figura 7.

Figura 7: L'errore del clock RTC MAX31341B di Maxim Integrated è determinato dalle prestazioni dell'oscillatore a cristallo esterno, allontanandosi dal punto di turnover della temperatura del cristallo alla velocità determinata dal coefficiente di temperatura del cristallo. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Anche con un tasso di errore di 20 ppm nel caso di temperature più estreme, l'errore di clock corrispondente è di solo un minuto circa al mese. L'impatto di questo tasso di errore può ovviamente variare in modo significativo per un indossabile di fitness personale rispetto, ad esempio, a un monitor di integrità strutturale incorporato in un ponte. Per dati meno critici, potrebbero essere sufficienti correzioni periodiche utilizzando le risorse di rete. Per le applicazioni critiche, i progettisti potrebbero dover compensare l'errore RTC nelle marche temporali associate ai dati critici, oppure utilizzare un oscillatore a cristallo termostabilizzato (TCXO), come ad esempio SIT1552AI-JE-DCC-32.768E di SiTime, che è specificato con una stabilità di 5 ppm su tutto il suo intervallo di temperatura da -40 °C a +85 °C.

Conclusione

Il consumo di corrente durante periodi prolungati di inattività si è rivelato un fattore importante, in quanto limita la durata della batteria in dispositivi piccoli e con vincoli di spazio come quelli indossabili e altri prodotti mobili. Durante questi periodi, questi sistemi in genere devono poter mantenere accuratamente l'ora e la data correnti anche quando la maggior parte dei loro componenti entrano in stati di sospensione a basso consumo. Sfruttando la sua funzionalità integrata di clock in tempo reale, un microcontroller a bassissimo consumo potrebbe non riuscire a raggiungere il suo livello più basso di consumo.

Progettato espressamente per fornire una soluzione a basso consumo, un dispositivo RTC di Maxim Integrated consente agli sviluppatori di mantenere funzioni di temporizzazione accurate con un assorbimento a livello di nanoampere. Per massimizzare la durata della batteria nei progetti di dispositivi mobili, durante i periodi di inattività altri componenti del sistema possono così rimanere in sospensione nella loro modalità operativa a più basso consumo.