Jak navrhnout energeticky šetrné systémy? Pomohou integrované kontroléry on/off

V článku si ukážeme, jak mohou navrhované produkty díky kontrolérům on/off a také integrovaným řešením pro zajištění čerstvé baterie fungovat v provozu, ale i ve výrobě ještě efektivněji.

Speciální pozornost bude věnována integrovaným kontrolérům on/off od společnosti Analog Devices a jejich přednostem, pokud jde o funkce pro úsporu energie, malé rozměry a vysokou odolnost vůči ESD.

Pár slov úvodem

Pandemie urychlila zavádění hybridních systémů, které jsou silně závislé na on-line prostředcích, takže se bez elektroniky nakonec zkrátka neobejdeme. V kontextu nepřetržitého úsilí firem zabývajících se elektronikou o trvalou udržitelnost kromě toho ještě výrazněji vzrostl i význam efektivity takových systémů – viz také Agendu 2030 pro udržitelný rozvoj Organizace spojených národů [1]. Potřebujeme proto nutně řešení, která podporují energetickou účinnost, a to nejen během jejich provozu, ale rovněž i ve výrobě [2].

Energeticky účinní díky kontrolérům on/off

Při naplňování cílů spojených s udržitelností je klíčové efektivně nakládat s dostupnými zdroji [1]. Lze toho dosáhnout různými způsoby, jednoduše už jen tím, že vypneme nepoužívané elektronické obvody, které pak zbytečně nespotřebovávají energii. Další efektivní metoda pak spočívá v účinném a také spolehlivém návrhu, který počítá s mechanismy pro úsporu výkonu.

K dosažení zmiňovaných cílů nám skvěle pomohou kontroléry on/off, obzvláště pak ty, které mohou zaručit čerstvou baterii. Takové kontroléry pak od baterie za předpokladu, že se nepoužívají, odpojí veškeré obvody a pomohou tím prodloužit její výdrž a také šetřit energií [3]. Prodlužuje se tím nejen doba, po kterou lze dané produkty skladovat, ale snižuje se též nežádoucí vybíjení článků. Minimalizujeme zde totiž spotřebu v pohotovostním režimu a vyhneme se i zbytečnému plýtvání proudem.

V dalším textu si ukážeme, jak zmíněné kontroléry přispívají k úspoře energie na základě provozního režimu, integrovaných funkcí a také své odolnosti.

Omezte plýtvání energií s režimy Standby a Sleep

U spotřební elektroniky se běžně setkáváme s potřebou nabít nebo vyměnit vybitou baterii před tím, než bude možné skladovaný produkt použít. To jen dokládá nehospodárné nakládání s dostupnou energií, což na druhou stranu nebude příjemné ani pro samotného uživatele.

Abychom zmíněný problém vyřešili, použijeme u efektivně pracujících zařízení napájených z baterie nízkopříkonové obvody nebo prvky zajišťující čerstvou baterii. V posledně zmiňovaném případě se bude jednat o funkce kontrolérů on/off, které zabraňují vybíjení baterie tím, že ji nechají odpojenou od dalších obvodů až do doby, než přijde signál pro jejich aktivaci, třeba na základě stisku tlačítka – viz také obr. 1 [3], [4]. Takové fungování zapojení pak obvykle označujeme jako přepravní mód nebo režim standby, přičemž režim standby je obecnějším termínem, zatímco přepravní mód bude jasně odkazovat na dobu předcházející prvnímu použití produktu.

I když ale použijeme obvody zajišťující čerstvou baterii, stále zde nemáme záruku, že nebude docházet k odčerpávání jejího náboje s následnými dopady na účinnost systému. Do jaké míry bude k něčemu takovému docházet, závisí na výkonové spotřebě obvodu (standby). Pokud ale zvolíme součástky s minimální vlastní spotřebou, lze nastíněný problém hezky vyřešit. Jak plyne z obr. 1, můžeme např. osadit kontroléry pro tlačítka s funkcí pro zajištění čerstvé baterie, jako jsou třeba nové obvody MAX16169 [9] s proudovým odběrem v režimu standby v řádu nanoampér.

Obr. 1 Sledovací zařízení s GPS a systém zajišťující čerstvou baterii

Jakmile se použije tlačítko, baterie bude připojena k zátěži. Dle obr. 1 se článek např. spojí s mikrokontrolérem (MCU) a moduly SD (secure digital) či GPS (global positioning system). K dalšímu prodloužení výdrže baterie lze navíc využít funkce spánkového režimu obvodů MAX16163 a MAX16164 [10], [11]. Periodicky tak bude docházet k zapínání a vypínání systému po předem stanovenou dobu. Součástky se proto mohou v rámci systému cyklicky probouzet, dokončit své úkoly a pak se znovu vrátit do režimu spánku. Zmíněná funkce je užitečná zejména pro bezdrátové monitorovací aplikace typu internetu věcí (IoT), kde obvody pracují s přestávkami [5]. Pokud snížíme výkonovou spotřebu v režimu standby, zlepší se nám i celková účinnost. Obr. 2 nám ukazuje, jak dochází v režimu spánku ke snížení odběru, což signalizuje stav SLEEP_TIMER, zatímco u baterie připojené k systému (viz obr. 1) zase figuruje ACTIVE_STATE.

Obr. 2 K proudové spotřebě v režimu spánku

Integrovaná řešení vedou k zeštíhlení

Nejlepší postupy zahrnují při výrobě s využitím DPS uvážlivé nakládání s dostupnými prostředky [6]. Jedná se o „zeštíhlující“ kroky vedoucí u napájecího zdroje k použití menšího počtu drobnějších a také lehčích součástek [2]. Lze toho dosáhnout výběrem obvodů nabízejících v rámci jediného pouzdra hned několik funkcí, takže se nám zmenšuje velikost zastavěné plochy na desce a hned nato ušetříme rovněž energii potřebnou k výrobě koncového produktu. Na obr. 3 kupříkladu vidíme, jak lze u obvodů MAX16150 [12] a MAX16169 kombinovat funkce spínače zátěže s potlačováním zákmitů u tlačítek, zatímco obvody MAX16163 / MAX16164 dále nabízí funkci časování. Stojí za zmínku, že prvky MAX16150 a MAX16169 mají srovnatelné blokové diagramy.

Obr. 3 Blokové diagramy obvodů MAX16169 a MAX16163/MAX16164

Ale nejen to. Obr. 4 nám ukazuje, jak integrované řešení zlepšilo tradiční přístup k režimu hlubokého spánku a přepravnímu módu, kdy obvykle využíváme hodiny reálného času, spínač zátěže a kontrolér pro tlačítko. Integrované provedení MAX16163 / MAX16164 nejen že snížilo rozměry řešení o 60 %, ale při zachování stejného rozsahu funkcí ještě prodlouží výdrž baterie o 20 % [5].

Obr. 4 Řešení z diskrétních součástek vs. integrované řešení využívající obvody MAX16163/MAX16164 [5]

Vysoká odolnost vůči ESD a zvýšená robustnost na systémové úrovni

Pro zajištění spolehlivosti v náročných podmínkách je klíčové zapracovat v rámci integrovaného obvodu struktury vytvářející ochranu pro případ elektrostatických výbojů (ESD). Obvody musí pracovat nepřetržitě a stabilně, takže se neobejdou bez přiměřené ochrany proti vnějším přechodovým jevům [7]. Vývojáři zde proto přichází do styku s metodami pro testy ESD – modelem lidského těla (HBM) v případě testování na úrovni součástek, resp. modelem IEC 61000-4-2 u zkoušek na systémové úrovni [8].

Testovací metody pro ESD na úrovni součástek zde máme proto, abychom zaručili, že IO ustojí výrobní proces. HBM v takovém případě simuluje scénář, kdy se elektricky nabité lidské tělo dotýká IO a dochází k vybíjení s průchodem potenciálně ničivého ESD přes IO do země. Testování ESD na systémové úrovni bude zase zajišťovat, že technika v reálném světě „přežije“ přechodové jevy za různých provozních podmínek; skloňována je rovněž ochrana před bleskem. Abychom těmto požadavkům vyhověli, musí vyvíjený produkt podstoupit důkladné testování na ESD poplatně standardu IEC 61000-4-2, kdy také simulujeme skutečné přechodové podmínky. Metody pro testování ESD spojené jak s HBM, tak též IEC 61000-4-2 sice pokaždé simulují elektricky nabitou osobu a výboje směřující do elektronického systému, nicméně standard IEC 61000-4-2 se bude od ESD na úrovni součástek nejednou lišit [8].

Tab. 1 Srovnání úrovní špičkového proudu v případě metod pro testování ESD (HBM a IEC 61000-4-2)

Jak plyne z tab. 1, špičkový proud je při testech s HBM 5,6krát nižší než v případě pulzního průtoku u testů dle IEC 61000-4-2. Pokud jde o počet výbojů, testy na úrovni součástek s HBM uvažují pouze jeden kladný a jeden záporný, zatímco IEC 61000-4-2 na systémové úrovni již vyžaduje minimálně 10 pozitivních a 10 negativních k tomu, aby IO vyhověl [8]. Pokud tedy chtějí vývojáři splnit požadavky z pohledu IEC 61000-4-2, měli by zvolit součástky s mnohem vyššími hodnotami dle HBM. Pro ilustraci systém s HBM ESD na úrovni +15 kV, jako je třeba obvod MAX16150, může vyhovět IEC 61000-4-2 pro ±2 kV. Podobně i součástky s HBM ESD +40 kV, např. MAX16163 / MAX16164 a také nové MAX16169, pomohou při dosažení ±6 kV dle IEC 61000-4-2.

Rostoucí úrovně ESD naznačují větší odolnost v drsnějším prostředí. Zlepšuje se nám proto nejen spolehlivost systému, u kterého se výpadky v provozu omezily na minimum, ale snižuje též i pravděpodobnost poruchy, tedy časté výměny produktu. Kontroléry on/off a obvody pro zajištění čerstvé baterie od ADI nabízí struktury pro ochranu před ESD na všech vývodech a při manipulaci či osazování proto chrání před elektrostatickými výboji. Na vstupu spínače máme navíc implementovánu další úroveň ochrany. Vysoké úrovně zmíněných prvků, spojené s výboji ESD a modelem HBM, přispívají k tomu, že navrhované systémy vyhoví dle IEC 61000-4-2.

Závěr

Snahy o dosažení energetické šetrnosti u produktů pro zákazníky nijak nepolevují. Klíčové zde bude použití součástek, které pomohou snížit energetické ztráty již v továrně během výroby a následně též i v běžném provozu. V článku jsme si ukázali, jak kontroléry on/off pro tlačítka a produkty zajišťující čerstvou baterii od firmy ADI pomáhají zamezit mrhání energií na základě režimu standby a spánkového módu. Díky integrovaným funkcím šetří energii ve výrobě a také místem na DPS, zatímco vyšší úrovně spojené s ESD zvyšují dále robustnost při používání.

Odkazy:

[1] Transforming Our World: the 2030 Agenda for Sustainable Development. Organizace spojených národů.

[2] Anthony Schiro a Stephen Oliver. Wide Bandgap Power to Electrify Our World for a Sustainable Future. IEEE Power Electronics Magazine, roč. 11, č. 1, březen 2024.

[3] Preserve and Seal in Battery Freshness. Analog Devices, Inc., červenec 2020.

[4] Supervisory Circuits Keep Your Microprocessor Under Control. Analog Devices, Inc., duben 2022.

[5] Suryash Rai. How to Greatly Improve Battery Power Efficiency for IoT Devices. Analog Devices, Inc., březen 2023.

[6] Design for Sustainable Consumer Electronics: PCB Materials and Supply Chain Management. Cadence PCB Solutions.

[7] Sang-Wook Kwon, Seung-Gu Jeong, Jeong-Min Lee a Yong-Seo Koo. Design of Destruction Protection and Sustainability Low-Dropout Regulator Using an Electrostatic Discharge Protection Circuit. Sustainability, červen 2023.

[8] Anindita Bhattacharya. Is ±2kV HBM ESD Protection Enough for IoT Devices? Semtech, červen 2023.

[9] Obvody MAX16169, https://www.analog.com/en/products/max16169.html

[10] Obvody MAX16163, https://www.analog.com/en/products/max16163.html

[11] Obvody MAX16164, https://www.analog.com/en/products/max16164.html

[12] Obvody MAX16150, https://www.analog.com/en/products/max16150.html