Power management mikrokontrolérových aplikácií

Aplikácie s mikrokontrolérmi sú v elektronickej praxi aktuálne už vyše 30 rokov a v poslednom období zaznamenávajú nebývalý rozmach. Power management (PM) je v systémoch riadených mikrokontrolérmi špecifický z hľadiska napájacích i napájaných obvodov. Spĺňať musí viacero požiadaviek na funkcionalitu a spoľahlivosť:

• stabilita výstupného napätia v celom rozsahu nominálneho prúdového zaťaženia,
• zvládanie impulzných a krátkodobých prúdových špičiek,
• ochrana proti preťaženiu, prípadne tepelná poistka.

Doplnkovými funkcionalitami sú predovšetkým:

• možnosť automatickej voľby zdroja napájania,
• automatické prepnutie do režimu kombinovaného napájania obvodov a nabíjania akumulátora,
• generovanie status signálu, spracovanie riadiacich signálov a ďalšie funkcionality inteligentného PM.

Konkrétne obvodové riešenia obsahujú stabilizačné a ochranné prvky volené s ohľadom na predpokladaný prevádzkový režim. Pri najjednoduchších riešeniach je zdroj napájania nemenný alebo manuálne volený, či už v pracovnom režime alebo v prípade programovania mikrokontroléra. Filtrácia napájacieho napätia je riešená čoraz častejšie už iba vysokokapacitnými keramickými kondenzátormi s dielektrikom X7R alebo Y5V.

Automatická voľba zdroja napájania nadobúda obvodovú komplexnosť podľa rozsahu napájacích napätí a zložitosti integrovanej logiky. Minimálna konfigurácia obsahuje iba jediný ochranný prvok, ktorým je ochranná poistka. Častejšie je ním však Schottkyho dióda z nasledujúcich dôvodov – voči alternatívnemu zdroju je v závernom smere a voči aktuálnemu v priepustnom. Schottkyho typ je volený kvôli menšiemu úbytku napätia (cca 0,2 V) v porovnaní s klasickou polovodičovou diódou (cca 0,7 V), resp. kvôli veľmi malému odporu v priepustnom smere. Pochopiteľne, tieto obvodové riešenia predpokladajú rozsah napájacích napätí v medziach pracovných napätí samotného mikrokontroléra (obr. 1). Univerzálnejšie je zapojenie so stabilizáciou napätia externého zdroja, pri ktorom je potom rozsah vstupného napätia obmedzený iba parametrami stabilizačného obvodu (obr. 2).

Komplexnejšie mikrokontrolérové moduly obsahujú pre voľbu zdroja napájania komparačnú logiku spriahnutú so spínacím prvkom na báze poľom riadeného tranzistora typu MOSFET s kanálom P. Mikrokontrolérom riadené obvody často vyžadujú odlišné napájacie napätie ako riadiaci obvod, spravidla 3,3 V, čo je pri nevýkonových obvodoch spravidla riešené lineárnym stabilizátorom, napríklad 1 A obvodom AMS1117-3.3 v puzdre SOT-223 alebo 0,5 A obvodom XC6206P332MR v puzdre SOT-23. Takéto obvodové riešenie využíva množstvo mikrokontrolérových modulov na báze ATmega (obr. 3).

Inteligentnejší power management obsahuje integrovaný konfigurovateľný obvod automaticky multiplexujúci zdroje napájania podľa nastavených požiadaviek (autoswitching power multiplexer) (obr. 4). Takým obvodom je napríklad TPS2115, ktorý umožňuje multiplexovať dva napájacie zdroje, na výstupe obsahuje spínacie MOSFET tranzistory s rDS = 84 mΩ zaťažiteľné do 1 A a zahŕňa množstvo ochranných funkcionalít, ako napríklad nastaviteľný prúdový limit. Používanou platformou je Microsoft .NET Gadgeteer pre rapid prototyping, v ktorej je obvodom power managementu vyhradený 10-pinový Socket D (obr. 5).

Iný prístup k power managementu obvodov s kombinovaným napájaním je v prípade, ak je jedným zo zdrojov, často primárnym, akumulátor, dnes spravidla na báze Li-Ion článku. V najjednoduchšom prípade je okrem jeho nabíjania nevyhnutné odpojiť ho od napájaného systému, pretože nabíjací obvod nemôže riadiť nabíjací profil zaťaženého Li-Ion akumulátora. Takýto prístup je obvyklý v prípade mobilných zariadení, kde po pripojení USB rozhrania je okrem možnosti dátového prenosu nabíjaný akumulátor. Špecifikum tohto prístupu je zjavné vzhľadom na životný cyklus Li-Ion článkov, z ktorého vyplýva závislosť ich životnosti od charakteru nabíjacích cyklov. Zohľadnenie tohto aspektu zahŕňajú komplexnejšie mobilné zariadenia, ako sú notebooky, pri ktorých je možné prostredníctvom nainštalovanej natívnej aplikácie zvoliť, v akom štádiu vybitia akumulátorovej batérie má inteligentný PM v prípade pripojeného sieťového adaptéra aktivovať nabíjanie.

Samostatnými kapitolami sú mikrokontrolérové systémy s možnosťou bezdrôtového nabíjania a systémy napájané tzv. zberačmi energie – „energy harvesting“. Pri systémoch s bezdrôtovým nabíjaním je využívaná funkcionalita bezdrôtovej komunikácie prostredníctvom toho istého hardvérového vybavenia ako pre nabíjanie (obr. 6). Príkladom sú obvodové riešenia STWBC/STWLC od STMicroelectronics alebo na báze BQ51xx od Texas Instruments určené pre rôzne mobilné aplikácie.

Systémy spadajúce do kategórie „energy harvesting“ zahŕňajú možnosti konverzie jedného alebo viacerých zdrojov mikroenergetického (micro/nanopower) charakteru pre napájanie mikrosystému (obr. 7). Viaceré kľúčové koncerny majú vo svojom portfóliu komplexné riešenia pre takéto systémy. Niektoré autonómne aplikácie sú riešené ako bezbatériové využívajúce zber a uchovanie energie vo forme náboja v mikrokapacitných prvkoch.

Hardvérová výbava pokročilého PM zahŕňa:

• elektronické poistky (e-fuses) s opakovateľným preťažením, programovateľnými funkcionalitami a ich parametrami (STM STEFxx, TI TPS2592xx),
• elektronické odpojovače (power breakers) s programovateľnými časovými konštantami a výkonovým obmedzením,
• prúdové obmedzovače (current limiters) s programovateľným prúdovým obmedzením a blokovaním v prípade podpätia (undervoltage lockout).

Súčasné prístupy power managementu sledujú nasledovné kľúčové trendy:

• „energy-saving“ pre systémy napájané akumulátorovými článkami,
• vysoká výkonová hustota pre vysokú integráciu systémov,
• „low-standby-power“, t. j. možnosť režimu s veľmi nízkym odberom v pokojovom režime,
• prechod od analógového PM k inteligentnému digitálnemu PM.

Posledný spomenutý trend súvisí so zavádzaním monitorovania napájania a jeho riadenia nielen pri inicializácii, ale aj počas prevádzky, naprogramovaného podľa algoritmu tak, aby systém reflektoval na prevádzkové i chybové udalosti. Digitálny PM umožňuje inteligentný manažment napájania s nasledujúcimi vlastnosťami:

• monitorovanie a riadenie napájania prostredníctvom digitálneho rozhrania, spravidla PMBus,
• datalogging diagnostických údajov pre možnosť analýzy chybových stavov alebo zlyhania,
• presné riadenie napájania nezávislé od okolitých vplyvov,
• prenos prevádzkových a chybových informácií na grafické používateľské rozhranie,
• možnosť odstavenia systémov s poruchovým stavom pre ochranu pred zlyhaním celého systému,
• sekvencovanie štartu a vypnutia skupín napájaných zariadení.