Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества

8 ноября

системы безопасностиучёт ресурсовуправление питаниеммедицинапотребительская электроникаинтернет вещейMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемыдискретные полупроводникипассивные ЭК и электромеханикасредства разработки и материалы

Вера Ефремова (г. Екатеринбург)

При разработке устройств с батарейным питанием важно выбирать компоненты не просто с малым потреблением, но и с предельно малым током покоя. При этом следует обратить внимание на линейку nanoPower производства компании Maxim Integrated. В статье рассмотрено их применение на примере системы датчиков беспроводной оконной сигнализации.

В последнее время в связи с ростом числа портативных устройств и развитием интернета вещей (IoT) от устройств требуется большая функциональность и максимально возможное время автономной работы без замены батареи либо перезаряда аккумулятора. При этом ужесточаются требования к размеру и весу устройств.

Наиболее распространенные технологии накопления энергии в батареях достигли своего критического предела по энергоемкости, поэтому увеличение емкости автономного источника питания для повышения времени автономной работы устройства неминуемо ведет к увеличению его габаритных размеров и веса. Необходимы новые технические решения, позволяющие снизить энергопотребление устройств, работающих в автономном режиме.

Одним из параметров электронного компонента, непосредственно влияющим на его энергоэффективность, является так называемый ток покоя Iq (Quiescent current). Это ток, который потребляет устройство, находящееся в спящем режиме. Компоненты nanoPower имеют экстремально низкий ток покоя (порядка нескольких десятков и сотен наноампер), поэтому их использование позволяет значительно сократить энергопотребление и продлить время автономной работы устройства.

Факторы, влияющие на энергопотребление устройства и время жизни батарей

Чтобы эффективно снизить расход энергии проектируемого устройства, нужно  определить, какие факторы вносят основной вклад в энергопотребление.

Рассмотрим типичный сценарий работы IoT-устройств.

После изготовления устройства обычно попадают на склад и находятся там в выключенном состоянии до момента покупки и установки по месту применения. Срок нахождения на складе может исчисляться месяцами, поэтому важно, чтобы за это время не произошло значительного расхода заряда батареи.

После того как устройство куплено и установлено, его включают, и большую часть времени оно находится в режиме ожидания, периодически просыпаясь для выполнения каких-либо действий или передачи данных в облако.

При расчете энергопотребления устройства разработчики учитывают величину тока в активном и спящем режимах, а также в режиме ожидания. Несомненно, ток устройства в активном режиме играет большую роль в общем энергопотреблении, однако чем больше устройство проводит в режиме сна и гибернации, тем больший вклад в общее энергопотребление вносит ток покоя (Iq), поскольку именно он является основным источником энергопотребления в этих режимах.

Время жизни батарейки зависит как от энергопотребления, так и от того, насколько полно расходуется ее запас энергии. Важным параметром здесь является напряжение отсечки – напряжение, при котором устройство уже не будет работать.

Как продлить время жизни батарей?

Итак, мы выяснили, что на срок работы устройства от батарей оказывает влияние в основном расход энергии активного и спящего режимов, а также напряжение отсечки устройства. Следовательно, необходимо понизить энергопотребление в этих режимах, а также снизить напряжение отсечки, чтобы устройство наиболее полно использовало ресурс батареи.

Снижение энергопотребления достигается, прежде всего, правильным выбором компонентов. Для уменьшения токов потребления в активном и спящем режимах используйте в ваших решениях малопотребляющие микроконтроллеры, датчики, приемопередатчики, эффективные источники питания и прочие компоненты, произведенные по улучшенной КМОП-технологии. При выборе компонентов обязательно обращайте внимание на величину тока покоя Iq.

Для снижения напряжения отсечки устройства можно использовать повышающие импульсные преобразователи. Это позволяет устройству работать даже тогда, когда батарея практически разряжена и напряжение на ней падает до низкого уровня.

Однако если преобразователь выбран неудачно, этот подход может привести к более высокому току покоя, и, как следствие, быстрому истощению батареи.

При выборе преобразователя необходимо обратить внимание на следующие параметры:

  • Ток покоя Iq. Чем меньше этот параметр, тем лучше преобразователь сохраняет батарейку устройства в режиме сна.
  • Истинное отключение. Особенность применения повышающих импульсных преобразователей состоит в том, что при выключенной микросхеме по цепи нагрузки продолжает протекать ток. Полное отключение выхода преобразователя от входа при его выключении позволяет сохранить драгоценную емкость батареи и продлить срок хранения готовой продукции на складе благодаря крайне малому току отключения, который составляет порядка 0,5 нА. Кроме того, если такая функция встроена в преобразователь, то это исключает необходимость использования внешних компонентов, повышающих стоимость и требующих места на плате.
  • Диапазон входного напряжения. Широкий диапазон входного напряжения позволяет работать при практически разряженной батарее.
  • КПД преобразователя показывает, какая часть энергии при преобразовании идет на питание нагрузки, а какая уходит в потери. Параметр определяется для VIN, VOUT, и IOUT. Чем выше его значение – тем лучше для продолжительности жизни батареи. Значение более 90% на микроамперном уровне является идеальным.

Компоненты nanoPower

При выборе электронных компонентов для устройств с батарейным питанием либо устройств, для которых важно максимально снизить собственное энергопотребление, например, для электросчетчиков, стоит обратить внимание на серию nanoPower производства компании Maxim Integrated. Компоненты nanoPower отличаются ультрамалым током покоя – менее микроампера. Использование компонентов данной серии позволяет сократить энергопотребление в спящем режиме и увеличить срок службы батареи устройства. Компоненты nanoPower представлены в корпусах малого размера, что позволяет добиться уменьшения габаритов разрабатываемого устройства, а наличие дополнительных функций сокращает количество необходимых внешних компонентов.

В линейке представлены следующие типы компонентов:

  • Идеальные диодные переключатели MAX40203 имеют падение напряжения в прямом направлении, меньшее чем у диодов Шоттки.
  • Импульсные повышающие DC/DC-преобразователи MAX17220/21/22/23/24/25 имеют пиковую эффективность 95%, потребляют 300 нА в режиме покоя и обладают встроенным режимом True ShutdownTM. Эти преобразователи идеально подойдут для носимой электроники, маломощных беспроводных коммуникационных устройств, портативных устройств с батарейным питанием и многих других применений.
  • Импульсные понижающие DC/DC-преобразователи MAX38640 с пиковой эффективностью 96% и током отключения всего 5 нА. Их применение позволяет экономить место на плате, уменьшая габариты изделия, а также увеличить срок службы батареи для устройств с малым энергопотреблением.
  • Операционные усилители MAX40007/18, компараторы MAX40000/1 и MAX40002/3/4/5 имеют малое потребление и компактный размер, благодаря чему идеально подходят для портативной электроники – сотовых телефонов, медиаплееров, ноутбуков и других устройств.
  • Супервизоры питания MAX16056/57/58/59 потребляют всего 125 нА. Напряжение сброса устанавливается производителем в диапазоне 1,575…4,625 В с шагом примерно 100 мВ. MAX16056 и /58, в отличие от MAX16057 и /59, имеют на борту сторожевой таймер. Супервизоры данной линейки могут применяться в глюкометрах, mp3-плеерах, сотовых телефонах и других портативных устройствах с батарейным питанием.
  • Супервизоры питания MAX16072/73/74 имеют ультрамалое потребление (0,7 мкА) и миниатюрные размеры. Напряжение сброса также устанавливается производителем в диапазоне 1,58…3,08 В с шагом примерно 100 мВ. Эти микросхемы могут применяться в сотовых телефонах, цифровых камерах, mp3-плеерах и других портативных устройствах.
  • Часы реального времени MAX31342 потребляют всего 150 нА в режиме отсчета времени, имеют широкий диапазон возможных значений для внешних кристаллов, встроенную нагрузку для осцилляторов и малые размеры. Данные микросхемы могут быть использованы в медицинских приборах, платежных терминалах, портативных устройствах и других применениях.
  • Микроконтроллеры DARWIN специально созданы для развивающегося направления IoT. Формально они не относятся к компонентам nanoPower, но благодаря малому потреблению могут обеспечить выигрыш в энергопотреблении при совместном применении с компонентами nanoPower.

Линейка компонентов серии nanoPower постоянно пополняется.

Использование компонентов nanoPower на примере системы беспроводной оконной сигнализации

Давайте порассуждаем о том, как может выглядеть типичное беспроводное устройство с батарейным питанием.

Для управления устройством обычно используется микроконтроллер, к которому может быть подключен супервизор питания, например, MAX16056/57/58/59 или MAX16072/73/74, чтобы избежать нестабильной работы устройства при снижении питания до уровня менее критического.

На микроконтроллер поступают сигналы с датчиков. Исходя из типа датчика и поставленных перед ним задач, выбирается способ его подключения. Пороговые датчики подключаются к дискретным входам микроконтроллера. Датчики с аналоговым выходом могут быть подключены через компаратор (можно использовать серии MAX40000/1 или MAX40002/3/4/5) к дискретным входам либо к АЦП через операционный усилитель, например, MAX40007 или MAX40018. АЦП может быть встроенным в микроконтроллер либо внешним. Датчики с дискретным выходом подключаются к цифровому интерфейсу микроконтроллера.

Кроме того, к микроконтроллеру могут быть подключены часы реального времени для фиксации событий, например, MAX31342.

Питание устройства может производиться от LDO-стабилизаторов напряжения, импульсных повышающих (MAX17220/21/22/23/24/25) или понижающих преобразователей (MAX38640) в зависимости от требуемого напряжения питания и напряжения батарейки. Может использоваться комбинация импульсного и LDO-преобразователя. Кроме того, для передачи собранных и обработанных данных и прочего информационного обмена по беспроводному каналу может быть установлен трансивер.

Для всех основных узлов такого устройства можно подобрать компоненты из линейки nanoPower, что позволит добиться малого энергопотребления и, как следствие, более длительной работы от батареи.

В качестве примера применения компонентов nanoPower рассмотрим беспроводную систему оконной сигнализации, состоящей из подсистемы удаленных датчиков и центральной консоли, типичная реализация которой представлена на рисунке 1 в виде функциональной схемы.

Для питания удаленных сенсорных подсистем используется батарейка 1,5 В типа «таблетка» и повышающий импульсный преобразователь. Подсистема удаленных датчиков большую часть времени находится в спящем режиме, при этом повышающий преобразователь и трансиверы находятся в выключенном состоянии. Когда срабатывает магнитный датчик, подсистема пробуждается (подтягивающий резистор R и транзистор T), и сигнал тревоги посылается на умный трансивер, имеющий в своем составе микропроцессорное ядро, для обработки и последующей передачи на центральную консоль.

Рис. 1. Функциональная схема магнитной системы оконной сигнализации

Рис. 1. Функциональная схема магнитной системы оконной сигнализации

Пока удаленный датчик находится в режиме глубокого сна, он должен потреблять как можно меньше энергии. Во время регулярных пробуждений и редких сеансов связи он может потреблять короткие импульсы тока до 100 мА.

Приемопередатчик центральной консоли со стационарным питанием связывается по беспроводному каналу с каждой подсистемой в здании. Его трансивер соединяется по UART с центральным процессором, отвечающим за управление всей системой.

Пусть емкость батарейки составляет 150 мА⋅ч, а требуемое время автономной работы – 2 года. Тогда работа системы должна быть построена таким образом, чтобы средний ток потребления составлял около 8,5 мкА: 8,5 мкА x 24 часа х 365 дней x 2 года = 150 мА⋅ч. Не так уж и много.

Используя обычные малопотребляющие компоненты для этого решения, можно было бы добиться энергопотребления около 1 мкА в глубоком сне, однако это отнимало бы 12% от общего времени автономной работы. Чтобы снизить энергопотребление до приемлемого уровня, каждый компонент датчика должен работать намного лучше. Идеальным решением было бы добиться энергопотребления порядка 100 нА, тогда потери времени работы уменьшились бы до более приемлемых 1,2%. Столь строгие требования нам помогут удовлетворить радиочастотный ISM-трансивер MAX7037 sub-1GHz, имеющий сверхмалое потребление, и повышающий преобразователь MAX1722x.

MAX7037 – это высокопроизводительный четырехканальный приемопередатчик со встроенным микроконтроллером 8051, Flash-памятью и интерфейсом для подключения датчика. Напряжение питания может варьироваться в пределах 2,1…5,5 В, что позволяет устройству работать от различных источников энергии, таких как солнечные элементы, электромеханическая или термоэлектрическая энергия. Потребление в режиме сна составляет всего 100 нА.

В структурной схеме на рисунке 1 MAX7037 занимает место каждого блока «ТРАНСИВЕР + µC». Аппаратно реализованные процедуры приема и передачи формируют высокоэффективную систему для беспроводной отказоустойчивой многоканальной связи.

Повышающий преобразователь MAX1722x тоже идеально подходит для данного применения. При минимальном входном напряжении 400 мВ он может извлечь всю энергию из батареи 1,5 В.

Таким образом, применение компонентов nanoPower в рассматриваемой системе позволяет снизить ток покоя устройств и значительно, – более чем на два месяца, – увеличить время жизни батареи.

Заключение

Мы рассмотрели, из чего складывается энергопотребление устройства, и выяснили, насколько важно для устройств с батарейным питанием выбирать не просто малопотребляющие компоненты, но и обращать внимание на их ток покоя. Многообразие компонентов nanoPower позволяет подобрать элементную базу для проектируемых устройств, позволяющую значительно снизить их энергопотребление и размеры.

Дополнительные материалы:

Статьи:

  1. Учет тока покоя при разработке источников питания
  2. Кофе, nanoPower и строительные блоки для новой «умной энергии»
  3. Увеличение длительности автономной работы портативных устройств Интернета вещей
  4. Используем параллельное соединение нескольких MAX40200 в качестве идеального диода

Новости:

  1. MAX77801 — новый buck-boost регулятор для питания от батареек
  2. MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей

 

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX40203EVKIT# (MAX)
MAX40203ANS+T (MAX)
MAX40203AUK+ (MAX)
MAX40203AUK+T (MAX)
MAX17222ELT+ (MAX)
MAX1722EZK+T (MAX)
MAX1722EZK+ (MAX)
MAX17220ELT+T (MAX)
MAX38640AELT+ (MAX)
MAX38640AENT+ (MAX)
MAX38640BELT+ (MAX)
MAX38640AENT+T (MAX)
MAX40000ANT12+T (MAX)
MAX40001ANT22+T (MAX)
MAX40001EVKIT# (MAX)
MAX40002ANS12+T (MAX)
MAX16010TAA+T (MAX)
MAX16063TG+ (MAX)
MAX16059ATT26+ (MAX)
MAX1606EUA+ (MAX)