Tutorial sobre cómo conseguir el menor consumo de un sistema usando un RTC
En este tutorial, veremos cómo conseguir el menor consumo de un sistema usando un RTC externo del fabricante Micro Crystal. El IoT, al abrir nuevas aplicaciones y funciones, puede incrementar el consumo de energía, lo cual exige una evaluación sistemática de la demanda energética. Aunque los dispositivos siempre encendidos deben ser de bajo consumo, los módulos de reloj en tiempo real (RTC) pueden ser una solución eficaz, ya que algunos modelos avanzados consumen solo 60 nA y permiten reducir la demanda total de corriente en más del 90% al activar el controlador solo cuando es necesario. Además, el tutorial destacará los puntos críticos donde puede haber fugas de corriente y sugerirá medidas para mitigar su impacto.
Tabla de Contenidos
1. Introducción
El IoT, Internet de las cosas, abre un sinfín de nuevas aplicaciones y genera hambre de más funciones que supervisar o controlar. Lo malo es que esto suele ir acompañado de un mayor consumo de energía. Este es el punto de partida para una comprobación sistemática de la demanda de energía. Los distintos bloques de funciones consumen corrientes máximas específicas. Afortunadamente, no todas las funciones necesitan estar funcionando continuamente al máximo rendimiento. El objetivo es desconectar todo lo que no se necesite en cada momento.
El dispositivo, siempre encendido, debe consumir muy poca energía. ¿Por qué no considerar un módulo de reloj en tiempo real (RTC)?
Los módulos RTC más avanzados consumen tan sólo 60 nA en pleno funcionamiento. Un RTC de este tipo hace un seguimiento de la hora del día y tiene la capacidad de encender periódicamente el controlador del sistema para comprobar si se ha producido alguna acción. Se ha demostrado que a menudo es posible reducir la demanda total de corriente en más de un 90%.
En este tutorial no sólo se señalarán los puntos neurálgicos y sensibles de las aplicaciones en las que podría filtrarse corriente adicional, sino que también propone medidas para reducir el impacto.
2. Bajo consumo ≠ baja potencia
Hoy en día todo dice ser de bajo consumo (Low Power). Es probable que la próxima generación de una aplicación consuma un poco menos de energía y ya lleve la etiqueta LP.
Pongámonos en contexto: para los sistemas que funcionan con batería, el consumo real de corriente debe considerarse en relación con la capacidad de la batería.
2.1. Consumo de corriente
Los wearables, los portátiles y muchas aplicaciones del espacio IoT se ven obligados a utilizar la menor cantidad de energía posible. Utilizar una tensión de alimentación baja es un buen punto de partida, ya que la mayoría de las disipaciones tienen características óhmicas: Reducir la tensión en un factor de 1,5 (por ejemplo, 5,0 –> 3 V) reducirá la potencia a la mitad. El camino a seguir es seleccionar y optimizar los circuitos para que consuman menos energía.
La comparación de distintos elementos ilustra la magnitud del consumo de corriente individual:
La unidad microcontroladora (MCU) no necesita estar funcionando continuamente.
3. Comparativa LED, LCD pasivo, MCU de bajo consumo, RTC, RTC de bajo consumo
Supuesto: Tensión de alimentación de 3,0 V
Tabla 1: Comparación del consumo de corriente de los componentes
Puede consultar las especificaciones del modelo RV-3028-C7 en el siguiente enlace.
3.1. Capacidades de las baterías
Las baterías de iones de litio (o baterías Li) son muy populares gracias a varios parámetros:
- La tensión de alimentación es relativamente alta con 4,2 …3,9 V, ideal para alimentar funciones con picos de potencia
- Tienen alta capacidad por volumen y también alta capacidad por peso
- Respetable alto número de ciclos de carga / descarga
- Se ofrecen con varias capacidades, por ejemplo, varios 1000 mAh
El uso de una segunda batería es ideal para mantener el sistema vivo todo el tiempo. Los parámetros clave son:
- Baja fuga y por lo tanto pequeña autodescarga
- Ideal para alimentar un RTC de baja potencia y funciones de memoria
Como baterías de reserva, las baterías de celda tipo moneda gozan de gran popularidad:
por ejemplo, la pila primaria Li 2032, CR2032 MFRR, es
- Tamaño reducido: Ø 20 mm, grosor 3,2 mm
- Tensión de alimentación constante: 3,0 V
- Capacidad: 225 mAh
- Bajo coste: unos céntimos en grandes volúmenes
- Gran número de proveedores: Renata, Duracell, Varta….
- Alta disponibilidad
3.2. Tiempo de funcionamiento
Exploremos el consumo de corriente a lo largo del tiempo en un ejemplo.
Ejemplo: Módulo de monitorización remota inalámbrica.
La acción:
El sensor se comprueba periódicamente, en caso de cambios se ejecutan correcciones en el sistema de control y en caso de grandes desviaciones se transmiten los valores a la estación base.
Implementación A: En un caso típico, la acción se produce en puntos aleatorios en el tiempo a).
La acción b) consume la mayor cantidad de corriente.
El microcontrolador c) está funcionando todo el tiempo para estar preparado a tiempo para captar la acción necesaria.
El RTC, integrado en el microcontrolador d), permite marcar el tiempo de las acciones.
El sobre resume todas las corrientes e).
Implementación B: Con la ayuda del módulo RTC de BAJO CONSUMO, el microcontrolador sólo se enciende periódicamente para muestrear si es necesaria alguna acción c’), el tiempo restante se pone en modo de reposo (hibernación). Por tanto, la corriente media c») se reduce al mínimo técnico posible.
En los casos reales, es probable que el tiempo de acción (encendido) sea de corta duración, una fracción ínfima del periodo de tiempo total, por lo que el ahorro f) representa la mayor parte.
Figura 1: Perfiles de consumo actual con casos de uso
4. Distribución de la energía para un bajo consumo a nivel de sistema
Considerar la arquitectura de distribución de energía en una fase temprana del diseño demostró ser una buena práctica. Las líneas de alimentación deben tenderse de modo que los distintos bloques funcionales puedan desconectarse por completo.
4.1. Ejemplo genérico de un proceso en el que 2 sensores controlan la temperatura (sensor nº 1) y el nivel de agua (sensor nº 2)
a) Lo ideal es que todos los sensores se activen continuamente, pero ¿es esto crucial? Un análisis más detallado de cada uno de los bloques permite reducir el consumo energético. Por ejemplo, alargando el tiempo entre muestreos.
b) Sensor nº 1: sólo necesita leerse una vez por minuto mientras la temperatura sea <55 °C; por encima de 55 °C debe comprobarse con más frecuencia, normalmente cada 10 segundos.
c) Sensor nº 2: el nivel de agua no puede cambiar rápidamente, por lo que basta con comprobarlo cada 15 minutos.
d) Comunicaciones: El módulo se comunicará una vez al día a una hora fija o emitirá una alarma inmediata cuando un parámetro supere los límites críticos.
4.2. Puntos críticos a tener en cuenta
Después de desconectar una alimentación, hay que comprobar todas las líneas con respecto a las corrientes de fuga. Los conmutadores FET estándar pueden tener fugas del orden de varios µA. Las líneas de comunicación con configuración de drenaje abierto también son una fuente potencial de corriente desperdiciada. Asegúrese de que los pull-ups están conectados a la alimentación del controlador. Los diodos utilizados para conmutar de conmutación deben ser del tipo Schottky de baja fuga.
Las salidas de frecuencia de prueba deben estar desconectadas y configuradas para un consumo de energía mínimo.
5. Control de los niveles de actividad
El consumo de energía más bajo del sistema se alcanza cuando:
✓ Sólo un dispositivo de consumo ultrabajo permanece encendido todo el tiempo, controlando el despertar periódico y llevando un registro preciso de la hora.
✓ Todos los demás bloques están apagados
✓ Si no es posible apagar los bloques, hay que ponerlos en modo de reposo o en el modo de menor consumo.
Esto significa que en muchos casos, más del 95% del tiempo, el único circuito alimentado es el módulo RTC.
Figura 2: Ilustración de los niveles de actividad
6. Selección del elemento clave: el módulo RTC
Los módulos RTC son superiores a los RTC de propósito general con Xtal separado, especialmente cuando se utilizan en IoT y en aplicaciones de potencia crítica.
La integración del circuito RTC con el cristal de 32 kHz en un módulo mejora varios parámetros clave:
✓ Mayor precisión, ya que los cristales se adaptan al oscilador y se ajustan en consecuencia. La tolerancia a temperatura ambiente se limita a ±2 a ±20 ppm, frente a un RTC con cristal externo en el que se obtiene una tolerancia de ±30 … 35 ppm de tolerancia se obtiene debido a la coincidencia se extiende.
✓ El factor de forma es mucho menor, tiene aproximadamente el mismo tamaño que un cristal en un encapsulado estándar: 1,5 x 3,2mm
✓ Dado que el circuito oscilador se encuentra en un encapsulado herméticamente cerrado y no hay contactos de alta impedancia accesibles desde el exterior, soporta condiciones ambientales adversas como la humedad y el polvo contaminante. La proximidad del cristal y el circuito RTC reduce la susceptibilidad al acoplamiento de señales espurias.
✓ El diseño del encapsulado garantiza un excelente seguimiento de la temperatura. Este comportamiento es la base para compensar con precisión las características parabólicas de temperatura del cuarzo. Se puede esperar una tolerancia de ± 3 ppm correspondiente a menos de 2 segundos / semana de -40°C a +85°C.
✓ También se dispone de funciones adicionales como Timestamp o interruptor integrado para batería de reserva.
✓ El módulo RTC autónomo es capaz de actuar como watchdog totalmente independiente para supervisar el software durante la ejecución.
✓ El módulo RTC autónomo y su función están disponibles con la cualificación AEC-Q200, lo que aumenta la fiabilidad del diseño del sistema.
Tabla 2: Módulos RTC ideales para ahorrar energía a nivel de aplicación
7. Conclusión
Hay muchas aplicaciones que requieren una gran potencia de cálculo a la vez para digerir los datos y realizar la tarea especial durante un tiempo muy corto. Después, el sistema puede volver al modo de reposo.
Añadiendo un módulo RTC dedicado de bajo consumo, para programar los despertares, se reduce el consumo de energía al mínimo.
Como se muestra en la Tabla 3 y la Figura 3, se puede observar que la combinación del microcontrolador con un módulo RTC de bajo consumo aumenta el rendimiento del sistema:
✓ Presupuesto de energía más bajo
✓ Ahorro en el coste de la fuente de alimentación de reserva (requiere una batería más pequeña)
✓ Mayor precisión horaria (RTC compensado en temperatura y calibrado en fábrica con cuarzo integrado)
✓ Función de vigilancia autónoma
✓ Función de gestión de la alimentación sin componentes añadidos (carga lenta, conmutación de reserva)
Tabla 3: El reloj de tiempo real externo reduce al mínimo el consumo de corriente del sistema
Figura 3: Gráfico comparativo entre el uso interno y externo del RTC
Puede consultar la nota de aplicación original del fabricante Micro Crystal en el siguiente enlace.