Los microcontroladores avanzados ofrecen ventajas a las aplicaciones gracias a su bajo consumo

El bajo consumo se considera a menudo un aspecto fundamental en un producto ecológico, pero la naturaleza del bajo consumo rara vez se detalla o se cuantifica.

Los requisitos del microcontrolador de bajo consumo variarán dependiendo de la aplicación y de cómo se utilizará el microcontrolador en la aplicación. Su uso puede clasificarse en tres áreas principales:

• Modo de mínimo consumo – Se usará en aplicaciones como termostatos alimentados mediante batería. El modo de mínimo consumo define el nivel más bajo de energía disponible para controlar el visualizador LCD. Esta reducción en el consumo de energía permite prolongar la vida de la batería.

• Corriente activa consumida – Para aplicaciones como un contador de electricidad, el nivel y la naturaleza del bajo consumo se refiere a la corriente activa consumida por el sistema durante su funcionamiento.

• Aplicaciones determinadas por el tiempo – Hay sistemas que exigen mantener la fecha y la hora, con independencia de que haya una fuente de alimentación principal del sistema, como un contador de electricidad si hay un fallo del suministro.

Al diversificarse los requisitos de las aplicaciones, los diseñadores buscan microcontroladores con modos de consumo más flexibles para adaptarse lo máximo posible al funcionamiento del sistema.

En el pasado, los microcontroladores tenían un modo activo para el funcionamiento del dispositivo; modos Idle (parado) o Doze (adormecido) para reducir o eliminar el consumo de la CPU en conmutación CPU mientras permite el funcionamiento de los periféricos; y el modo Sleep (dormido) que permite un funcionamiento limitado de los periféricos con un mínimo consumo de energía. Se han añadido nuevos modos de bajo consumo para incrementar la flexibilidad a los microcontroladores avanzados en una tendencia hacia procesos de silicio más avanzados que minimizan el coste y reducen la corriente activa. Para demostrar algunos de los modos operativos disponibles en los actuales microcontroladores avanzados, este artículo examinará cómo se emplean estos nuevos modos operativos de bajo consumo en diversas aplicaciones.

Los ejemplos se crean mediante una herramienta de software Battery Life Estimator (BLE), es decir, de estimación de la vida de la batería, y un microcontrolador de 16 bit para ofrecer una comparación entre varios modos de consumo, cuando se implementan en diferentes aplicaciones. BLE de Microchip es una herramienta de software gratuita que permite a un diseñador estimar la vida de la batería en su sistema y determinar qué modo operativo se adapta mejor a su aplicación. La funcionalidad de la familia PIC24FJ128GA310 incluye nuevos modos de bajo consumo y un controlador de visualizador LCD, como demuestran los siguientes ejemplos.

Los termostatos se han hecho más complejos, necesitan visualizar más información y cubren diversas áreas geográficas. Como resultado de ello se necesita una importante capacidad de memoria de programa Flash integrada para almacenar los complejos menús en varios idiomas.

En general, se necesitan procesos avanzados para producir microcontroladores con grandes memorias a precios competitivos. Con el avance de los procesos semiconductores, existen tendencias para una reducción de corrientes operativas (activas) y un incremento de la corriente de fuga del transistor. El incremento de la corriente de fuga es más visible en las especificaciones de corriente para modos de baja consumo como el modo Dormido. Las corrientes en modo Dormido de los microcontroladores avanzados suelen ser del orden de 3 a 5 µA, mientras que una aplicación típica de un termostato apenas consiste en controlar un visualizador LCD durante la mayor parte del tiempo. El visualizador LCD segmentado se suele controlador en modo Dormido que permite el funcionamiento de los periféricos (en este caso, el controlador LCD) mientras la CPU y la mayoría de los periféricos están desconectados. El termostato se despertará periódicamente y entrará en modo activo – lectura de temperatura, actualización del visualizador y quizás la señalizar la puesta en marcha del calentador, ventilador o unidades de CA. Dado que durante el 99% del tiempo solo se emplea el modo Dormido, la corriente en este modo es un aspecto en el cual las mejoras pueden beneficiar enormemente la vida de la batería del sistema.

Para proporcionar microcontroladores que consuman una corriente inferior a 1 µA, muchos suministradores han presentado nuevos modos Deep Sleep (dormido profundo) de bajo consumo. Los valores típicos de la corriente en el modo dormido profundo son de 10 a 15 nA y estos dispositivos pueden activar un reloj/calendario en tiempo real (Real Time Clock Calendar, RTCC)  con una corriente añadida de 400 nA. Una opción consiste en desconectar todo el dispositivo – con la excepción de una pequeña cantidad de memoria, un reloj en tiempo real y, posiblemente, un temporizador supervisor – para lograr corrientes extremadamente bajas. Sin embargo, estos modos dormidos profundos no permiten el funcionamiento de los periféricos o mantener la RAM de datos en el dispositivo. La pérdida del contenido de la RAM exige que el dispositivo ejecute una rutina de reinicio antes de reanudar la ejecución del programa cuando se despierta del modo dormido profundo.

Se puede encontrar una alternativa en los nuevos modos de bajo consumo, como el modo dormido de baja tensión (Low-Voltage Sleep) que mantiene los datos RAM con una corriente típica de 330 nA y permite el funcionamiento de otros periféricos de bajo consumo. Este modo dormido de baja tensión mantiene la RAM del dispositivo y disminuye la corriente dormida al reducir la salida del regulador integrado. Al disminuir la tensión de alimentación a la lógica de dispositivo y limitar los periféricos activos, la corriente dormida del microcontrolador se puede reducir de 3,7 µA a 330 nA. Dentro del modo dormido del microcontrolador, periféricos como los controladores de LCD, temporizadores y el RTCC pueden funcionar con una mínima corriente adicional. El modo dormido de baja tensión permite que el dispositivo vuelva a un estado activo en menos de la mitad de tiempo que tarda en despertarse del modo dormido profundo. Entonces el dispositivo comienza a ejecutar la siguiente instrucción en lugar de iniciar la secuencia habitual de reinicio al despertar del modo dormido profundo.

 Tal como muestra la Figura 1, la pantalla principal de la herramienta BLE indica el microcontrolador y su tensión de funcionamiento, la batería y los modos operativos. El resultado del modelo Termostato es una vida estimada de 11 años y 88 días.

La herramienta BLE modela el tiempo que gastará un microcontrolador en cada modo operativo y cuánta energía consumirá el dispositivo en cada modo. La Figura 1 visualiza el BLE, que se utiliza para ajustar varios parámetros clave del sistema y para proporcionar el resultado de la vida estimada y la corriente media del sistema. Primero se seleccionan el microcontrolador y la tensión de funcionamiento del sistema. Esto permite que BLE recoja los parámetros de especificación apropiados. Se selecciona una batería o par de baterías, en este caso 2 baterías alcalinas de tipo AAA. También pueden seleccionarse la tensión de funcionamiento prevista para el sistema y la temperatura de funcionamiento para obtener la especificación más apropiada que utilice el modelo que estima la vida de la batería. Finalmente se definen los modos operativos que utilizará el sistema. En el caso de nuestro termostato, se utilizarán dos modos.

Para modelar el tiempo en que el termostato solo visualiza la pantalla LCD se crea un modo operativo denominado “Display LCD”. El modo operativo Display LCD utiliza un modo dormido de baja tensión para proporcionar el modo de menor consumo a partir del cual se puede controlar el LCD. Se ajusta la herramienta BLE para modelar el modo dormido de baja tensión durante 29,5 segundos en el bucle de 30 segundos que se emplea para modelar la vida operativa del dispositivo. También se emplea un segundo modo operativo “Update Temp and LCD” para modelar el tiempo que tardará el microcontrolador en monitorizar la temperatura, actualizar la pantalla LCD y comunicarse con las unidades de climatización.

La Figura 2 muestra el nuevo modo dormido de baja tensión y la implementación de un modo operativo en la herramienta BLE (pantalla “Add/Modify Mode”). Desde esta pantalla, un diseñador puede ajustar la configuración sobre la duración, que ahora está ajustada en 29,5 segundos. En la entrada “Additional System Current” los diseñadores pueden añadir un consumo de corriente estimado para las corrientes que rodean el microcontrolador. En este caso se ha añadido una corriente del sistema de 4 µA para representar la corriente consumida por el visualizador LCD y también se ha añadido una corriente de 

1 µA para representar la corriente que necesitan las resistencias internas de polarización del LCD. A continuación se selecciona el modo de energía, en este caso el modo dormido de baja tensión, así como los periféricos necesarios. Para proporcionar un modelo preciso de la corriente del sistema se han seleccionado el controlador de LCD, BOR, WDT y RTCC. La corriente total del sistema consumida por el microcontrolador es de 1,88 µA, que se suma a nuestra corriente del sistema de 5 µA para llegar hasta los 6,88 µA que necesita el sistema en modo dormido de baja tensión.

Como muestra la figura 2, la pantalla de edición de modo de la herramienta BLE permite que el diseñador asigne un nombre y especifique las condiciones de cada modo de energía utilizado.La pantalla principal de BLE indica que se consume una media de 6,88 µA mientras el dispositivo está en modo dormido de baja tensión y justo por encima de 327 µA durante el corto tiempo en que el dispositivo se encuentra en estado activo, para una corriente media inferior a 6,9 µA. La vida estimada de la batería para el sistema es de casi 12 años, es decir, casi 5 años más que la vida media de las baterías. En la Figura 3 se muestra un análisis similar utilizando el modo dormido en lugar de modo dormido de baja tensión; el resultado es una corriente media de aproximadamente 10,5 µA y una reducción de tres para la vida de la batería.Como muestra la figura 3, la estimación de la vida de la batería basada en el uso del modo dormido ofrece una reducción de tres años en la vida de la batería con el modo dormido estándar.

Una aplicación que permite realizar comparaciones con un microcontrolador es un sistema que emplearía la mayor parte del tiempo en modo activo, como un contador de electricidad. Los contadores de electricidad actuales emplean todo su tiempo en uno u otro estado. El modo operativo normal se emplea cuando hay energía eléctrica disponible. En este modo operativo “normal”, el microcontrolador está activo y mide constantemente la tensión y la corriente, y luego calcula la potencia que pasa a por el contador. El contador también debe monitorizar potenciales manipulaciones, controla un visualizador LCD y es posible que se comunique con la infraestructura de lectura de contadores.

Mientras funciona el contador de electricidad, puede parecer que la energía es abundante. En realidad, la energía es el producto que suministra la compañía eléctrica, que es cliente final del fabricante del contador. La compañía eléctrica suministra energía a millones de abonados e la más pequeña cantidad de energía perdida afecta a su negocio. 

De hecho, la mayoría de los contadores deben trabajar por debajo de una asignación de 10 VA, según lo establecido por la IEC. 

Cuando se tienen en cuenta las posibles variaciones de línea, tolerancias de componentes y márgenes de diseño del sistema, el resultado final es una asignación de corriente de unos 10 mA para el microcontrolador del sistema cuando se utiliza una fuente de alimentación capacitiva.

Algunos de los contadores de electricidad de bajo coste actuales utilizan microcontroladores de 8 bit que suelen consumir más de 10 mA cuando trabajan a máxima velocidad en modo activo. Para ajustarse a la energía asignada al sistema, se exige muchas veces a los diseñadores que trabajen con el microcontrolador a una frecuencia más baja. Muchos de los actuales microcontroladores de 16 bit aprovechan los procesos avanzados y técnicas de diseño para suministrar unas corriente operativa típica a partir de 150 µA/MHz y pueden trabajar al máximo de  16 MIPS consumiendo un máximo de 6,9 mA. La menor corriente operativa permite que el diseñador pueda optar entre reducir la velocidad operativa del microcontrolador o añadir otras funciones manteniendo el sistema entro de la energía asignada.

Como los contadores de electricidad están en estado activo durante la mayor parte del tiempo, también constituyen un ejemplo de aplicación que puede aprovechar los modos de consumo más bajo (Vbat). 

La funcionalidad de Vbat ofrece una patilla dedicada que se suministra con una fuente de alimentación de reserva, como una batería LTC o un supercondensador. 

Cuando cae la fuente primaria del sistema, como sucede durante un fallo de suministro, la alimentación del RTCC pasa automáticamente a la patilla Vbat de reserva. El RTCC es importante en un contador de energía si hay un corte de suministro ya que la facturación por el tiempo de uso está cada vez más extendida. Mientras funciona con Vbat, el RTCC permite que una batería de LTC dure decenas de años, permitiendo así un funcionamiento casi indefinido de la alimentación de reserva. 

El uso de una funcionalidad Vbat con RTCC no se limita a los contadores de energía. Muchas aplicaciones, como el termostato mostrado antes, pueden emplear el RTCC para mantener la hora si falla el suministro o al cambiar la batería. Vbat, con un condensador o batería, pueden recorrer un largo camino hacia la eliminación de esas molestas luces parpadeantes que se originan como resultado de un fallo de suministro.

La evolución de los microcontroladores de bajo consumo en un mundo cada vez más concienciado sobre el consumo energético conduce hasta los microcontroladores de aplicación general caracterizados por una elevada flexibilidad. Los avances en la tecnología de procesos y las técnicas de diseño han permitido lograr microcontroladores de 16 bit con corrientes activas a partir de 150 µA/MHz. Se ha añadido flexibilidad a la cadena de gestión de energía mediante nuevos modos de bajo consumo como el modo dormido de baja tensión y Vbat, que permiten el funcionamiento de los microcontroladores de aplicación general en un abanico de aplicaciones cada vez más amplio. 

Como resultado de ello los diseñadores pueden acceder a microcontroladores adaptables y potentes que permitirán mayor eficiencia energética y unas aplicaciones finales de manejo más práctico.