Rychle do cílové rovinky – Spotřeba proudu u navigačních přístrojů

Kde to je? Tak na tuhle otázku přinášejí odpověď navigační přístroje –a je jedno, jestli se jedná o zboží nebo nákladní auta, obraz, cíl cesty autem anebo geocachingový poklad. Pro všechny platí: klíčové jsou tady moduly GSM a GPS –a to jak po stránce funkční či ekonomické, tak i příkonu. Spotřeba proudu není důležitá pouze u navigačních přístrojů napájených bateriemi, ale kvůli značnému kolísání napájecích zdrojů a velkým proudovým špičkám je kritickým faktorem i u síťově napájených přístrojů. Jak vysoká je spotřeba proudu, na to nelze paušálně odpovědět. Proto provedla firma Rutronik řadu měření spotřeby proudu v různých provozních režimech.

Výsledek těchto měření: příkon modulů se opravdu hodně liší v závislosti na provozním stavu a dosahuje hodnoty od 1 μA v režimu stop až do 2 A a více v přenosovém (komunikačním) režimu. Tomu odpovídají i odlišné průměrné hodnoty pro každou aplikaci –podle toho, v kterých režimech ta která aplikace převážně pracuje. Například sledovací systém pro kontrolu polohy obrazu vyžaduje jen několik málo mikroampér. Nachází se totiž téměř neustále v klidovém režimu a spojení navazuje jenom v případě, že se spustí alarm. Aplikace u GPRS třídy 10 dosahuje průměrné spotřeby 480 mA a výstupního výkonu 2 watty.

Protože příkon vykazuje velmi silné výkyvy nahoru a dolů, pomáhá průměrná hodnota jen za určité podmínky. Některé komponenty musí být dimenzovány na maximální hodnoty. A jen pokud jsou známa data pro jednotlivé režimy, dá se spotřeba přístroje skutečně optimalizovat. A tato data nyní firma Rutronik doložila řadou naměřených hodnot. Maximální hodnoty byly zaznamenávány paměťovým osciloskopem. Měřicí odpor 100 mΩbyl sériově zapojen k modulu GPRS Telit GL865-Quad. „Strukturu měření jsme vědomě zvolili tak, abychom dostali pokud možno všeobecně platné hodnoty, které poskytují pro všechny vývoje přístrojů dobrý základ pro rozhodnutí,“vysvětluje Harald Naumann, Field Application Engineer Wireless z firmy Rutronik. Výsledky:

Obr. 1 RL78 70 μA/ MHz

Obr. 2 RL78 odebírá 0,70 μA v režimu 32 kHz

Obr. 3 RL78 odebírá 0,52 μA v režimu stop

1 μA: v režimu stop

U efektivně navržených aplikací se nachází samovybíjení baterie již nad příkonem v režimu stop. Mikrokontroléry jako například Renesas RL78, které jsou optimalizovány na extrémně nízkou spotřebu proudu, potřebují 70 μA/MHz a pouhých 0,52 μA v režimu stop. Modul GPRS je přitom odpojen pomocí galvanického oddělení. Mikrokontrolér a samovybíjení rozhodující měrou určují maximální provozní dobu aplikace.

1,5 mA:

GPRS modul v režimu Idle pro příjem SMS anebo hovoru, dat (CSD) nebo faxu. Vytvořit spojení GPRS tady není možné.

21 mA:

v přijímacím režimu GPRS a spojení se serverem na internetu.

230 mA: s GPRS třídy 8 během přenosu

Přenos faxu, hovoru a dat anebo spojení GPRS ve třídě 8 vyžaduje v pásmech GSM 850/900 v nejvyšších stupních výkonu v průměru až 230 mA.

360 mA: během přenosu s GPRS třídy 10

V režimu GPRS třídy 10 přenáší modul GPRS data ještě rychleji, a díky tomu se zdvojnásobuje průměrný proud modulu až na 360 mA.

1 A

V pásmech GSM 1 800 a 1 900 stoupá maximální proud až na 1 A. Data GPRS jsou přenášena jako datové balíčky (pakety).

2 A

Maximální proud při využití GSM 850 nebo 900 dosahuje hodnoty 2 A. Tento proud může být dosažen jak při odesílání, tak přijímání SMS, ale i díky handover mezi dvěma základními stanicemi. Proto se doporučuje dimenzovat pomocný kondenzátor v blízkosti modulu na maxima 2 A. Dále je nutné dávat pozor na zdánlivý odpor (impedanci) baterií, resp. měniče DC/DC.

Více než 2 A

Mnohé moduly GSM zvyšují proud na hodnotu vyšší než 2 A, aby kompenzovaly špatné antény. Protože pokud je ztráta v anténě příliš velká, vyžaduje základní stanice od modulu vyšší odesílaný výkon. Kvůli tomu méně kvalitní antény zvyšují spotřebu proudu. Proto by měli vývojáři sázet u návrhu na kvalitní antény, aby byly udrženy nízké hodnoty příkonu.

„Tato měření ukazují, jak velké ve skutečnosti tyto rozdíly jsou,“říká pan Naumann, expert na wireless. „Nakonec je možná každá hodnota mezi 1 μA a 2 A. Naše měření krom jiného objasňuje, kolik energie spotřebuje samotné zařazení do sítě GSM.“Obr. 4 zobrazuje spotřebu proudu po zapnutí navigačního přístroje a zadání PINu. Zaznamenat lze několik maxim 2 A, po krátké pauze následují další maxima téže hodnoty. Ta souvisejí s hledáním základní stanice, pokud u první stanice nejsou k dispozici žádné volné kapacity. Jak je popsáno, dosahují maxima hodnoty 2 A a průměrná spotřeba 230 mA. V pokusném navázání spojení bylo po dobu celé 4,5 sekundy naměřeno maxima 2 A, to znamená 230 mA ×4,5 s = 1035 mAs. Pokud je k navázání spojení potřeba pouze jedna sekunda, vychází už jenom 250 mA ×1 s = 230 mAs.

Obr. 4 Spotřeba proudu u navázání spojení – maxima proudu nad jednu sekundu, čtyři sekundy a déle

Provozní režimy modulů GPS

Dále následují různé příklady stavů u provozování modulů GPS. Z mnoha úsporných režimů proudu zmiňme jako příklad pouze režim SiRFaware™. Spotřeba proudu, ale i dosažená přesnost stoupá s počtem používaných kanálů GPS. Počet GPS satelitů, které lze přijímat, je omezen zakřivením zemského povrchu. Nejnovější moduly jsou schopny přijímat současně pět různých satelitních systémů. V Evropě je to v současné době GPS a Glonass, v dohledné době se k nim pak přidá ještě Galileo.

58 mW s GPS

58 mW / 3,8 V = 15 mA nebo 70 mW / / 3,8 V = 18,4 mA. Aby byla spotřeba proudu udržena na pokud možno co nejnižší úrovni, je důležité snížit dobu pro první určení polohy. A-GPS (Assisted GPS) dokáže tuto dobu výrazně zkrátit. Vývojáři, kteří používají moduly GPS od Fastrax, získávají bezplatný přístup na server Fastrax A-GPS. S jeho pomocí mohou urychlit navigaci a minimalizovat příkon svých přístrojů.

500 μA pro SiRFaware™

Pro aplikace, které vyžadují často aktuální polohu GPS, se doporučuje použít SiRFaware™. Tato technologie upozaďuje efemeridní data (data astronomických tabulek). Paralelně s tím se synchronizují hodiny reálného času. Přitom se spotřebuje průměrně 500 μA. To znamená výraznou úsporu v porovnání se spotřebou proudu u delších dob lokalizace bez použití SiRFaware™.

150 mW s GPS/Glonass

Pro aplikace, které musí dodávat spolehlivá data i v kritických situacích, není rozhodujícím kritériem efektivita energie. U nich bývá mnohdy lepší cestou vyšší spotřeba proudu. Ta stoupá při použití kombinovaného modulu GPS/Glonass, jako u Fastrax IT600, s počtem kanálů, které tento modul aktivně používá pro satelitní příjem. Zároveň se však zlepšuje určení polohy. Paralelně lze přijímat až 32 kanálů. V Paříži se podařilo přijmout při jednom testu 21 kanálů ve stejnou dobu. Protože IT600 dokáže přijímat i Galileo, bude s tímto později zavedeným satelitním systémem dobře vyčerpáno 32 kanálů. Celkem může Fastrax IT600 zpracovávat vedle amerického systému GPS, ruského Glonass, budoucího evropského systému Galileo rovněž i japonský systém QZSS, čínský Compass a všechny systémy SBAS.

Výběr modulu GPS, resp. modulu GNSS (Global Navigation Satellite System), konceptu A-GPS, resp. A-GNSS, a správného úsporného energetického režimu rozhodující měrou ovlivňuje příkon a dobu stand-by navigačního přístroje. „Tohle je všechno možné, jen ne triviální věc, protože neexistuje ani jeden jediný správný modul GPS, ani jeden jediný pravý koncept spotřeby energie,“říká Harald Naumann. Vývojáři by si měli před navržením přístroje položit celou řadu otázek: Bude stačit modul GNSS, který podporuje GPS, nebo bude nutný hybridní modul GPS/Glonass/Galileo? Má smysl používat A-GPS? Jsou účelná rozhraní pro gyrometr, senzor zrychlení, snímače tlaku, magnetometr anebo tacho? Neměl by být nejdříve vyvinut odpovídající prototyp, aby bylo možné otestovat, které senzory nejlépe napomáhají navigaci? Pomůže některý z pěti úsporných energetických režimů, a pokud ano, který z nich? Které antény jsou nejlépe vhodné? Jsou-li zodpovězeny všechny tyto otázky, je třeba objasnit ty samé faktory i pro modul GSM/GPRS: Bude stačit GSM? Bude nutný GPRS? Je vhodný USSD kvůli snížení spotřeby energie? Jak lze najít SAR, jak evropský R&TTE, americký FCC nebo PTCRB, evropský ATEX (ATmosphère Explosible,) anebo brazilský Anatel? Který koncept spotřeby energie nebo jakou baterii použít? Při komplexním hledání rozhodnutí se vývojáři dostanou bez dostatečného know-how hodně rychle na scestí. V tento moment jsou schopni pomoci zkušení specialisté distributora, aby se zákazníci při navrhování svých přístrojů dostali rychle a bezpečně do „cílové rovinky“.