Cada vez es más importante comprender bien el perfil de consumo de energía de los diseños integrados. Por ejemplo, hay sensores del IdC/IIdC que deben funcionar con batería durante años, así que es esencial saber el tiempo que el dispositivo puede estar en modo de espera sin perder la capacidad de responder inmediatamente ante una interrupción.
En este artículo, analizaremos la demanda energética de un dispositivo típico conectado de forma inalámbrica, así como los problemas a los que se enfrentan los ingenieros al medir el consumo y predecir con exactitud la vida de la batería.
¿Cuánta energía consume este sistema integrado?
El uso del IdC/IIdC se está extendiendo, algo que se puede ver tanto en la diversidad de sus aplicaciones como en el grado de implementación en ubicaciones remotas y, como consecuencia, el uso de baterías para alimentar dispositivos periféricos se ha convertido en el estándar. Desde el punto de vista del diseño, las baterías son un modo muy práctico de alimentar un sistema. Sin embargo, determinar la capacidad que deben tener las baterías para alimentar un dispositivo durante un tiempo determinado es algo complejo. Las pilas de botón individuales son suficientes para que un sensor de potencia ultrabaja funcione por muchos años, pero, al final, también deben reemplazarse. Los costes correspondientes de trabajo y desplazamiento son mucho más altos que los de la propia batería, así que mantener cientos de estos dispositivos es insostenible. Una ayuda importante son las baterías recargables y las técnicas de recolección de energía, como los paneles fotovoltaicos, pero aumentan el tamaño del dispositivo.
Un factor determinante para predecir la vida de la batería y la capacidad necesaria es comprender a cabalidad el perfil de consumo de energía del dispositivo. Este perfil es un valor dinámico, con altos y bajos, y no una simple lectura ambiental. Debido a sus procesos químicos, algunas baterías tienen una menor capacidad de recuperación que otras ante demandas de pico de potencia, así que necesitamos saber la causa de estos picos.
Tras identificar la causa de los picos de energía y de la corriente inactiva en segundo plano, algunos de los métodos para reducirlos son las técnicas de software, como poner el microcontrolador en modo de espera y cambiar el plazo de las tareas.
La medición del consumo de energía en un diseño integrado
Si intentamos medir un sensor inalámbrico IIdC conectado durante su funcionamiento con un polímetro digital, obtendremos el consumo de corriente medio, pero eso no nos aporta una idea exacta de lo que está ocurriendo. Si queremos más información sobre los rangos de corriente, podemos consultar la ficha técnica de uno de los típicos microcontroladores inalámbricos de baja potencia que se encuentran en los dispositivos del IdC. Estos se componen de dos bloques principales (el microcontrolador, o MCU, y el transceptor inalámbrico), y la mayoría de proveedores permiten desactivar las funciones de radio sin afectar al MCU. Un ejemplo de esto es el SoC inalámbrico y con Bluetooth EFR32BG22 Series 2 de Silicon Labs. El pico de consumo de corriente es de 8,2 mA, y ocurre cuando el transmisor ofrece una salida de 6 dBm. Cuando el SoC está en modo de suspensión EM4, el consumo baja a solo 0,17 µA. Se trata de un rango dinámico de consumo de corriente muy amplio (50:1) y rápido (puede cambiar en cuestión de microsegundos), así que se es evidente que se trata de un problema complejo. Las interfaces periféricas, las GPIO y las correspondientes funciones del dispositivo IdC también consumen energía, lo que demuestra que necesitamos una estrategia global.
Normalmente, para medir la corriente de un dispositivo colocamos una resistencia de derivación (shunt) de un valor óhmico bajo y de gran tolerancia (suele ser del 1 %) en la línea de alimentación del sistema integrado. Al medir la tensión en esta resistencia, podemos calcular la corriente que pasa por esta. El valor de la resistencia debe ser el adecuado para que este método funcione: si es demasiado alto, será una carga de tensión demasiado grande y reducirá la tensión de entrada al microcontrolador; si es demasiado bajo, será difícil medir corrientes muy reducidas.
El concepto de «power debugging» (depuración del consumo) apareció por primera vez en el sector del diseño integrado hace más de diez años. Ya se pueden obtener sondas de depuración estándar J-TAG con una función de medición de corriente. Son compatibles con muchas IDE y cadenas de herramientas integradas populares, pero no suelen ofrecer el rango dinámico ni la granularidad de medición que exigen los sistemas integrados actuales.
El Qoitech Otii Arc es uno de los modelos que logra una medición precisa y en tiempo real del consumo energético de un dispositivo.
Medición de corriente integrada con alto rango dinámico y en tiempo real
El Qoitech Otii Arc (véase la imagen 1) es una unidad portátil y compacta con una fuente de alimentación programable y un analizador. Dispone de una completa aplicación de software con la interfaz de usuario para el Otii Arc y está disponible para todos los sistemas operativos comunes. El Otii Arc puede mostrar y registrar corrientes en tiempo real con una precisión de nanoamperios, y tiene una frecuencia máxima de muestreo de 4 ks/sec. Este enorme rango dinámico en la medición de corriente (de nanoamperios a 5 A) es el mejor del sector y lo convierte en la opción ideal para los diseños de sistemas integrados.
El Otii Arc se puede alimentar por USB o con un conversor CC externo. La salida de tensión al dispositivo bajo ensayo (DUT) se puede programar de 0,5 a 5 V CC en pasos de 1 mV. El Otii ofrece una salida de corriente constante de 2,5 A con un pico de hasta 5 A. Requiere el uso de una fuente de alimentación externa para valores de corriente más grandes, disponible desde un puerto USB.
El Otii Arc dispone de una interfaz UART, dos entradas GPIO, dos salidas GPIO y dos pines de detección de tensión. Con la interfaz UART, los mensajes de depuración del DUT aparecen junto a las mediciones de corriente en tiempo real. Gracias a esta función de la UART, el desarrollador puede destacar tareas o puntos de observación en el código a fin de indicar funciones de aplicaciones específicas. Los mensajes de la UART permiten sincronizar el código de la aplicación con la medición en tiempo real de la corriente. Puede ver un ejemplo de esto en la imagen 2.
El software de Otii Arc permite registrar y almacenar las sesiones en tiempo real. Esta es una función muy práctica para comparar el efecto de las mejoras en el código o el hardware durante la creación de prototipos en el desarrollo de sistemas integrados. Con los pines de la GPIO, es posible ver los pines de estado del DUT en tiempo real en la pantalla del Arc, lo que contribuye todavía más al éxito del proceso de depuración.
Con los pines de detección, es posible medir las otras líneas de alimentación del DUT o configurar una supervisión de cuatro hilos en la tensión de alimentación principal. El Otii Arc también tiene un sumidero de corriente programable para facilitar la descarga de una batería y registrar su perfil. Tras esto, el Otii puede emular el perfil almacenado de la batería con su tensión de salida primaria. Para usar estas funciones, es necesario obtener una licencia de software opcional para las herramientas de batería.
En la imagen 3 se puede ver una pila de botón CR2032 conectada al Otii Arc para crear el perfil de descarga de la batería. Los ajustes del perfil para la prueba de la batería están en la imagen 4. Es posible fijar la carga de corriente y la duración en configuración alta y baja, y también se puede determinar el número de iteraciones que se repiten durante un ciclo.
La configuración de corriente alta (imagen 4) es de 40 mA, y la de corriente baja es de 100 µA. El tiempo de cada zona de corriente y tiempo de ciclo corresponde a un periodo de descarga de 30 días.
Con la ayuda de un Otii Arc, los desarrolladores de sistemas integrados pueden obtener muchos más detalles sobre la cantidad de energía que consume el prototipo y sobre los tiempos relacionados. Esto les ayuda a administrar los modos de espera del microcontrolador y la desactivación de las funciones periféricas, pero también les permite descubrir otras iniciativas para ahorrar energía. Un ejemplo de esto es la decisión sobre el protocolo inalámbrico que se va a utilizar. La mayoría de sensores IdC inalámbricos y periféricos deben enviar un nivel muy bajo de datos, como la temperatura y la humedad, cada quince minutos. Debido a la naturaleza de algunos protocolos inalámbricos, trazados de red o métodos de seguridad de datos, un mensaje de 40 bytes se puede convertir fácilmente en un paquete de varios kilobytes.
Un informe técnico reciente de Qoitech detalla la relación entre el protocolo inalámbrico y el consumo de energía. En la imagen 5 se puede ver el resumen de una serie de pruebas llevadas a cabo en un módulo inalámbrico NB-IoT (internet de las cosas de banda estrecha) con diferentes protocolos y ajustes de seguridad.
Cómo analizar en cuestión de minutos el consumo de energía en un dispositivo IdC
Resulta muy difícil determinar la vida de la batería en un sistema IdC integrado. Si no logramos medir con precisión la energía consumida, las predicciones no pasarán de ser una simple aproximación. Las fichas técnicas de los SoC inalámbricos son un buen indicativo, pero no tienen en cuenta la naturaleza dinámica de procesos como el establecimiento de un enlace inalámbrico o el envío de datos. Los picos en el consumo energético también tienen un impacto en el rendimiento a largo plazo de la batería, así que es esencial obtener un modelo del comportamiento más probable de esta.
El Qoitech Otii Arc, ya disponible en Mouser, puede controlar la alimentación, analizar el consumo en tiempo real y sincronizar el código de depuración, todo en una sola unidad compacta, así que se convertirá pronto en una herramienta indispensable para cualquier desarrollador.
Mark Patrick, Mouser Electronics
