Utökad batteritid i bärbara enheter genom effektivt tidhållning i viloläge

För användarna är batteritiden för bärbara och andra elektroniska enheter en avgörande faktor i köpbesluten. För att maximera batteritiden utnyttjar utvecklare vanligtvis den utökade inaktiva tiden för dessa enheter och placerar microcontrollers och andra effektförbrukande komponenter i viloläge med låg effekt tills användarinteraktion krävs. Även i vilolägen med lägsta effekt kräver system dock en noggrann realtidsklocka (RTC) för att upprätthålla aktuell tid och hantera schemalagda händelser.

Även om utvecklare har haft ett antal alternativ för att stödja exakt tidhållning i vilolägen, kan få av dessa alternativ uppfylla nya krav för att minska både strömförbrukning och designstorlek.

Den här artikeln visar hur utvecklare kan använda ett energieffektivt chip i realtidsklockan från Maxim Integrated i kombination med en microcontroller med mycket låg effekt för att förlänga batteritiden i bärbara enheter, IoT-enheter samt effekt- och storleksbegränsade produkter.

Grundläggande tidhållning

Realtidsklockor har en grundläggande funktion i de flesta konstruktioner som behöver interagera med användare eller andra system enligt realtidsklockor och kalendrar. En realtidsklocka kombinerar en kristalloscillatorkrets med en serie register som innehåller datum- och tidsdata som ackumuleras från en nedräkningskedja (figur 1).

Figur 1: I en tidhållarkrets i en grundläggande realtidsklocka driver en kristalloscillator en nedräkningskedja som uppdaterar register med datum och tidsvärden. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Från denna grundläggande design har realtidsklockor utvecklats för att erbjuda en rad funktioner som är utformade för att möta olika behov för exakt tidhållning och funktionell kapacitet. Idag kan utvecklare hitta realtidsklockor med stöd för olika driftspänningar, interna minneskapaciteter och en omfattande uppsättning av funktioner utöver aktuella tid och datum.

I ett växande antal tillämpningar är tidhållningsfunktioner dock inte den enda avgörande faktorn för val av realtidsklockor. Eftersom konstruktörer tillgodoser efterfrågan på mindre, batteridrivna produkter som bärbara enheter, har tidhållningsfunktionens inverkan på den totala effektförbrukningen i systemet fått ökad uppmärksamhet. Eftersom system måste upprätthålla den aktuella tiden även i vilolägen med lägsta effekt, har konstruktörer behövt inse att effektoptimering vid tidhållning har visat sig vara ett kritiskt krav för dessa produkter. Samtidigt måste alla användbara lösningar för tidhållning uppfylla strikta begränsningar för enkel design och små format.

Microcontrollers kompromisser med realtidsklockor

För vissa tillämpningar väljer konstruktörer kanske inte alls att lägga till en separat realtidsklocka, utan förlitar sig helt enkelt på den inbyggda realtidsfunktionen i flera microcontrollers . Alla microcontroller har förstås inte en inbyggd realtidsklocka. De som har det kräver vanligtvis periodisk omkalibrering av realtidsklockans utdata för att uppfylla kraven på noggrannhet i tidhållningen. Förutom behovet av ytterligare maskinvara och programvara för att utföra denna omkalibrering kan klockfel ackumuleras, vilket leder till felaktiga datatidsstämplar innan antalet fel uppfyller tröskelvärdet för omkalibrering.

Även om dessa fel kan korrigeras genom att synkronisera enhetens tid med nätverket, kräver bästa praxis för lågeffektdesign ett minskat antal nätverksanslutningar för att minska tiden då effektslukande radiosändtagare är aktiva. Det är uppenbart att användningen av realtidsklockans funktion integrerad i en microcontroller kan innebära flera kompromisser för utvecklare som arbetar med att bygga noggranna lågeffektkonstruktioner.

Microcontrollers med ultralåg effekt som de i Darwin-familjen från Maxim Integrated löser dessa problem med funktioner och prestanda som är utformade specifikt för drift med låg effekt (se Bygg effektivare smarta enheter: del 1 – Lågeffektdesign med MCU och PMIC). I backup-läget med lägsta effekt med realtidsklockan aktiverad och ingen SRAM-lagring förbrukar till exempel MAX32660 Darwin-microcontrollern från Maxim Integrated med ultralåg effekt cirka 630 nanoampere (nA) med en matningsspänning på 1,8 volt. I backup-läge (och i alla dess driftlägen) står realtidsklockkretsen för 450 nA, vilket är mindre än flera fristående realtidsklockor.

För utvecklare som arbetar med att maximera batteritiden erbjuder MAX32660 ett ännu lägre effektalternativ. Med realtidsklockan inaktiverad i backup-läge med lägsta effekt (ingen SRAM-lagring), använder MAX32660 endast 200 till 300 nA. Den uppenbara skillnaden mellan detta värde och skillnaden mellan realtidsklockans strömförbrukning i aktiverat backup-läge (630 nA) och realtidsklockkretsens strömförbrukning (450 nA) hänför sig till varierande aktivitet i kretsar som är involverade i dessa specifika driftstillstånd. Denna metod innebär förstås att konstruktörer behöver hitta en extern realtidsklocka som kan arbeta mer exakt och vid en lägre strömnivå än microcontrollerns realtidsklocka.

Med Maxim Integrated MAX31341B-realtidsklocka med låg effekt kan utvecklare dra full nytta av de allra lägsta effektlägena som finns i avancerade microcontroller, samtidigt som de uppfyller klockans noggrannhetskrav, trots utökad offlinedrift.

Effektivt tidhållning

Maxim Integrated MAX31341B hanterar det växande behovet av små realtidsklockor med extremt låg effekt i batteridrivna utrymmesbegränsade konstruktioner. Till skillnad från tidigare realtidsklockor förbrukar MAX31341B en minimal nivå på 180 nA under sina grundläggande tidhållning, samtidigt som den integrerar väsentliga funktioner i ett litet WLP (wafer-level-package) av storleken 2 millimeter (mm) x 1,5 mm (figur 2).

Figur 2: Maxim Integrated MAX31341B förbrukar 180 nA ström för tidhållningsfunktionen, samtidigt som den integrerar realtidsklockans samtliga funktioner i ett paket på 2 mm x 1,5 mm. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Utöver exakta datum- och tidsdata erbjuder MAX31341B tidsbaserade varningsfunktioner som används i flera tillämpningar. Styrlogik på ett chip hanterar en nedräkningstimer och ett par larm som kan generera utgångsavbrott genom enhetens ØINTA och ØINTB. Utvecklare kan konfigurera om enheten så att den använder ØINTA som CLKIN-ingång för en extern klocka för att driva realtidsklockans räknare. På samma sätt kan ØINTB användas som CLKOUT för att mata ut en fyrkantvåg vid en programmerbar utgångsfrekvens som anges genom registerinställningar till önskad divide-by-räknare.

Enheten kan också programmeras för att generera avbrott som svar på ingångar på dess digitala D1-ingångsstift eller analoga AIN-ingångsstift. För sin analoga ingång genereras interrupt när signalen på AIN stiger eller sjunker genom ett av fyra programmerade tröskelvärden (1,3 volt, 1,7 volt, 2,0 volt, 2,2 volt). När man arbetar i detta läge kan MAX31341B signalera en värdprocessor, till exempel när realtidsklockans matningsspänning har sjunkit under tröskelvärdet eller har återställts, vilket gör att värden kan vidta lämpliga åtgärder.

AIN-ingången spelar också en viktig roll i effekthanteringskapaciteten hos MAX31341B, som tillhandahåller ett sätt att upprätthålla effekt till enheten om den primära spänningskällan blir otillgänglig eller faller under tröskelvärdet. Med MAX31341B lägger utvecklarna helt enkelt till en extern spänningskälla, exempelvis ett laddningsbart batteri eller en superkondensator till konstruktionen. Motsvarande programvaruinställning är lika enkel, och kräver endast att en bit ska ställas in i enhetens effekthanteringsregister för att konfigurera enheten för automatisk effekthantering.

Vid programmering i detta läge fungerar MAX31341B AIN-stiftet som utgång från en underhållsladdare som innehåller en valbar Zener-diod och ett val av tre inre motståndsbanor för att ställa in önskad laddningsström (figur 3).

Figur 3: Maxim Integrated MAX31341B RTC har en integrerad underhållsladdare som gör det möjligt för utvecklare att programmatiskt konfigurera kedjan och laddningsströmnivån. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Vid normal användning i detta läge förbrukar enheten underhållsladdningsström, vanligtvis på mikroamp-nivå (µA) , från den primära spänningskällan, VCC. Samtidigt övervakar MAX31341B både VCC och reservkällan och använder AIN-porten för att följa reservspänningsnivån. Om VCC faller under den uppmätta spänningen vid AIN, inaktiverar MAX31341B automatiskt underhållsladdaren och växlar strömkällan till reservkällan via AIN.

Utvecklingsstöd

Maxim Integrated stöder konstruktörer som är intresserade av MAX31341B-enhetens maskinvarukonfiguration och programmerbar kapacitet med sin MAX31341EVKIT, ett utvärderingskort och tillhörande programvara. Som illustreras i utvärderingssatsens schema, implementerar utvecklare reservhårdvarans design genom att helt enkelt ansluta MAX31341B direkt till en reservspänningskälla, t.ex. Eatons KW-5R5C334-R superkondensator (figur 4).

Figur 4: Detta avsnitt om Maxim Integrated MAX31341EVKIT-kortets schema visar att för en backup av spänningskällan för tidhållning behöver MAX31341B en direktanslutning från sin AIN till en laddningsbar spänningskälla, som till exempel Eatons superkondensator KW-5R5C334-R, som används på utvärderingskortet. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Utvärderingsprogrammet som körs på en dator ansluten via USB till MAX31341B-realtidsklockans utvärderingskort, har ett antal tungor för att övervaka enhetens tidhållningsresultat och för att ställa in interrupt och register. Med denna programvara kan utvecklare ställa in enheten så att den fungerar i strömsparläge och utforska enhetens möjligheter för att konfigurera underhållsladdningens väg (figur 5).

Figur 5: Programvaran för Maxim Integrated MAX31341B-realtidsklockans utvärderingssats ger en serie menyer för inställning av enhetsregister och programmering av specialfunktioner, som till exempel strömhanteringsläge och dess konfiguration av underhållsladdaren. (Bildkälla: DigiKey)

Såsom visas i schemat i figur 4 är en systemkonstruktion byggd med MAX31341B-realtidsklockan nästan lika enkel som funktionsblockdiagrammet för maskinvarugränssnittet (figur 6).

Figur 6: Utvecklare kan lägga till Maxim Integrated MAX31341B-realtidsklocka i sina systemkonstruktioner med knappt mer än en kristalloscillator, en valfri reservspänningskälla och några passiva komponenter. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Som med reservspänningskällan krävs inga ytterligare komponenter för att integrera den erforderliga externa kristallen. Till skillnad från tidigare realtidsklockor tillåter MAX31341B användning av kristaller med en ekvivalent serieresistens (ESR) på upp till 100 kilohm (kΩ), vilket möjliggör användning av ett större urval av kristaller än med de tidigare enheterna.

På värdsidan ger MAX31341B ett enkelt I²C-seriellt gränssnitt för interaktion med en processor som Maxim Integrated MAX32660 Darwin-microcontroller. Med hjälp av detta gränssnitt behöver programvarukoden som körs på värden endast några få instruktioner för att hantera MAX31341B-operationer och för att få åtkomst till tids- och datumuppgifter sekventiellt eller i en enda "burst".

Med hjälp av MAX32660 och MAX31341B kan utvecklare implementera konstruktioner med ultralåg effekt som kan tillgodose behoven hos flera tillämpningar som förlitar sig på ett exakt tidhållning. I praktiken kan realtidsklockfel som härrör från typiska kristalloscillatorer leda till problem för vissa tillämpningar, särskilt de som ska fungera över stora temperaturområden.

Vid inställning av gaffelkristalloscillatorer som används i typiska realtidsklockkonstruktioner, ökar felfrekvensen, uttryckt som delar per miljon (ppm) när temperaturen sjunker eller stiger i förhållande till temperaturens omsättningspunkt (punkten där ändringen i felfrekvens nollställs). För de flesta kristaller med 32 kilohertz (kHz) ligger temperaturens extremvärde mellan 20 °C och 30 °C. Utanför detta område uppvisar en typisk kristall en temperaturkoefficient mellan -0,02 till -0,04 ppm/°C², vilket resulterar i tvåsiffriga felfrekvenser vid höga och låga temperaturer som användare troligen kommer att stöta på.

Databladet för ECS ECS-.327-6-12-TR-kristallen som används i MAX31341EVKIT-utvärderingskortet anger nominella värden för extremvärdestemperaturen och temperaturkoefficienten på 25 °C respektive -0,03 ppm C². I sin tur följer felfrekvensen för MAX31341B-realtidsklockan dessa egenskaper, såsom visas i figur 7.

Figur 7: Maxim Integrated MAX31341B-realtidsklockans klockfel bestäms av den externa kristalloscillatorns prestanda och sjunker från kristallens temperaturextremvärde med en hastighet som bestäms av kristallens temperaturkoefficient. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Till och med vid en felfrekvens på 20 ppm som visas i mer extrema temperaturer, innebär motsvarande klockfel endast cirka en minut per månad. Effekten av denna felfrekvens kan naturligtvis variera avsevärt för en bärbar personlig fitness-enhet jämfört med, till exempel, en strukturell integritetsmonitor inbäddad i en brygga. För mindre kritiska data kan det vara tillräckligt med periodiska korrigeringar med hjälp av nätverksresurser. För kritiska tillämpningar kan konstruktörer behöva kompensera för realtidsklockfel i tidsstämplar som är associerade med kritiska data eller använda en temperaturkompenserad kristalloscillator (TCXO) som t.ex. SiTimes SIT1552AI-JE-DCC-32.768E, som är specificerad med 5 ppm stabilitet över hela sitt temperaturområde -40 °C till + 85 °C.

Slutsats

Strömförbrukningen under längre inaktiva perioder har visat sig vara en betydande faktor som begränsar batteritiden i små, utrymmesbegränsade enheter som bärbara och andra mobila produkter. Under dessa perioder kräver dessa system i allmänhet kapacitet för att noggrant upprätthålla aktuell tid och datum även när de flesta av dess komponenter går in i vilolägen. Om en ultralågförbrukande microcontroller använder sin integrerade realtidsklockfunktionalitet, kanske den inte klarar att uppnå sin lägsta effektförbrukning.

Med en realtidsklocka från Maxim Integrated, som är specifikt konstruerad för att erbjuda en effektsnål lösning, kan utvecklare behålla exakta tidhållningsfunktioner på nanoampere-nivåer. Som en följd kan andra systemkomponenter vara i sina lägsta driftlägen under inaktiva perioder för att maximera batteritiden i mobila konstruktioner.