Ток потребления: КАК УЗНАТЬ ТОК ПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИБОРА

Тестирование тока потребления автосигнализаций в режиме охраны

• Статьи
• Тесты автосигнализаций, охранных и противоугонных устройств

05.10.2021, автор: Подолеев Роман

---

Практически все автовладельцы сталкивались с такой проблемой, когда в самый неподходящий момент автомобиль не заводится из-за разряженного аккумулятора. Причины разрядки могут быть самые разные: естественный износ из-за возраста батареи, утечка тока при замыкании проводки, плохой контакт, оставленные включенные электроприборы и другие. Кроме этого, не стоит забывать о потреблении тока автосигнализацией в режиме охраны. Предлагаем вашему вниманию видеоролик, в котором эксперты Угона.нет замеряют ток потребления популярных охранно-телематических систем в различных условиях приема GSM-связи.

В эксперименте участвуют сигнализации:

• AGENT MS Pro;
• Pandect X-1800L; 
• ПРИЗРАК 8L;
• StarLine S96 v2;
• SCHER-KHAN M30.

  

Для всех сигнализаций эксперимент проводился на автомобиле Hyundai Tucson с АКБ емкостью 80 А/ч. Для чистоты эксперимента вначале измерили ток потребления штатной охранной системы, который оказался в пределах 15-20 mA и учитывался при дальнейших расчетах. 

 

Измерение токов потребления сигнализаций в условиях хорошего приема GSM-сигнала

Принцип эксперимента заключается в измерении и записи значений тока потребления сигнализацией с помощью специального программного обеспечения PowerGraph при различных условиях приема GSM-сигнала (время тестирования — 40 минут). Для каждого телематического комплекса строится график зависимости тока потребления во времени.

В таблице приведены значения измеренных токов потребления в сравнении с заявленными производителями охранных систем, а также расчетное время разряда аккумулятора в условиях хорошего приема сигнала сотового оператора.

 

Измерение токов потребления сигнализаций в условиях плохого приема GSM-сигнала

Вторая часть эксперимента подразумевает измерение токов потребления в условиях плохого приема GSM-сигнала, например, в подземном паркинге. Результаты измерений резко отличаются по сравнению с предыдущими показателями. Значения потребления тока возрастают до 80 mA за счет множественных неудачных попыток соединений с телеметрическим сервером в условиях отсутствия сотовой связи.

Итоговые значения тока потребления и расчетного времени разряда АКБ второго этапа тестирования приведены в таблице.

Для предупреждения разряда аккумуляторной батареи рекомендуется настраивать автозапуск по снижению напряжения бортовой сети или оповещение владельца о снижении уровня заряда батареи. Надеемся, что наш эксперимент был полезен как для автолюбителей, так и производителей автосигнализаций.

Автор: Подолеев Роман

Микросхемы с подпороговыми рабочими напряжениями питания – революционный подход к снижению тока потребления / Хабр

Последнее время в своей работе постоянно сталкиваюсь с задачами по снижению потребления разрабатываемых микросхем. Наиболее популярными на текущей момент решениями являются динамическое управление тактированием и напряжением питания. Т.е. если для решения текущей задачи не требуется тот или иной блок микросхемы, то для него отключается тактирование, снижается или вовсе отключается напряжение питания. Такие гранды как Texas Instruments и Renesas пока меряются пи…. потреблением своих микроконтроллеров на уровне 100 мкА/МГц. При этом история показывает, что первую роль в этом направлении очень часто играли стартапы. Так в период примерно с 2008 год по 2012 безусловным лидером в этом направлении была норвежская стартап-компания Energy Micro, которая в 2013 году была приобретена компаний Silicon Labs за примерно $170 миллионов. Последнее время появилось несколько новых стартапов уверяющих, что их решения позволят снизить потребление в разы. Так компания Ambiq Micro заявляет, что их микроконтроллер на базе ARM Cortex-M4F будет потреблять всего 30 мкА/МГц. В целом основная идея все та же – снижение напряжения питания, но в данном случае напряжение питания снижено ниже уровня порога транзистора.

Потребляемая микросхемой энергия обусловлена двумя причинами:
— статический ток утечки в транзисторах даже в том случае если они не переключаются.
— динамический ток, требующийся для перезарядки емкости цепей когда происходят переключения.
Для обычных схем при работе динамический ток преобладает, особенно для высоких уровней питающего напряжения, которые сейчас используются. Зависимость токов потребления от напряжения питания показаны на следующем рисунке.

Так как динамический ток потребления пропорционален квадрату напряжения питания, то именно снижение напряжения питания является основным ключом к снижению общего потребления микросхемы (при этом мы имеет обратный, но не такой драматический эффект роста статического тока потребления). Например, если сравнить обычную схему с 1,8В питанием и схему работающую в около пороговой области на 0,5В, то динамическое потребление снижается в 13 раз. А для схемы работающей на под пороговом напряжении 0,3В потребление может быть снижено в 36 раз.

Традиционный дизайн цифровых микросхем предполагает два состояния транзистора – «открыт» и «закрыт» — и это основа концепции реализации цифровой логики. Аналоговые разработчики могут оперировать с транзисторами в режиме усиления, т.е. на уроне порогов. Использование подпороговых напряжений означает, что транзистор никогда не будет «открыт». И таким образом «логической единице» будет соответствовать практически не отличимое от «закрытого» состояние транзистора. А это означает, что для реализации микросхем по такой схеме требуются новые подходы и решения.

Подпороговые решения известны уже несколько десятилетий.

Разработка схем с подпороговыми напряжениями питания не являются чем то сверхновым. Еще в 70-х года швейцарские часовщики заметили потенциал использования транзисторов в подпороговом режиме. Эта идея используется для кардиостимуляторов и RFID меток, но пока кроме этого более нигде активно не применялась. После затишья, которое длилось несколько десятилетий, данная тема снова обрела академический интерес в конце 90-х начала 2000-х годов.

К этому времени стало очевидным значение тока потребления в коммерческой электронике и начались исследования различных методов в области снижения токов потребления. Учредители Ambiq были частью данных академических исследований, когда работали в Университете штата Мичиган. Основным направлением их исследований была коммерциализация данной технологии.

Возникает вопрос, почему если возможность работать с подпороговыми напряжениями питания были известна с 70-х годов, то она до сих пор не применяется. Возможно, что недостатки этого подхода не позволяют применить его в обычных условиях. Проще говоря: «Если это так просто, то почему все не делают так ?» Ответ прост: «Потому что это очень не просто». В этой технологии нет фатальных недостатков, но переход к методам работы с подпороговыми напряжениями питания не тривиален. Можно так же спросить, что изменилось с 70-х годов, когда появились первые подпороговые коммерческие устройства. В первую очередь изменились масштабы. Старые разработки использовали максимум несколько десятков транзисторов работающих в подпороговом режиме и такая схема могла быть рассчитана и оптимизирована вручную.

Сейчас микросхемы содержат миллионов транзисторов. Рассчитать такую схему вручную невозможно и для их разработки приходится использовать стандартные программные инструменты, которые ориентированы в первую очередь на работу со стандартной надпороговой логикой. И адаптация стандартных инструментов и подходов для работы с подпороговым напряжением питания позволили компании Ambiq коммерциализировать эту технологию.

Проблемы подпорогового режима

Адаптация стандартных надпороговых подходов для разработки схем с подпороговым напряжением питания имеют несколько ключевых проблем.

Плохие модели транзисторов

Модель транзистора эта основа основ всего в разработке современной микроэлектронике. Все симуляторы, все абстракции и автоматизации всего процесса разработки завязаны на точность модели транзистора.

Большинство современных моделей транзисторов сфокусированы на его работу при высоких напряжениях питания, т. е. они достаточно точно описывают его поведение при питании значительно выше порога. Но при питании от 0В до порога эти модели не работают вовсе или выдают неадекватные данные.

Логические переключения и шумы

В подпороговом режиме для обнаружения изменение тока через транзистор при переходе из «открытого» в «закрытое» состоянии и обратно требуется большая чувствительность. И хотя токи изменяются в геометрической прогрессии от изменения напряжения, но они все равно остаются чрезвычайно малыми. В подпороговом режиме ток через «открытый» транзистор всего в 1000 раз больше тока «закрытого» транзистора, в то время как для обычного режиме это соотношение превышает несколько миллионов. Таким образом, внешним шумам значительно легче исказить работу схемы.

Чувствительность к условиям эксплуатации

Подпороговый режим работы транзистора также гораздо более чувствителен к отклонениям процесса изготовления и условий окружающий среды. Например, при отклонении процесса изготовления кристаллов в медленную сторону ток через транзистор будет в 10-100 раз меньше чем при типовом процессе. С учетом того что и так соотношение токов «открытого» и «закрытого» составляют порядка тысячи такое изменение не может быть проигнорировано.

Перепады температуры так же оказывают огромное влияние на токи транзисторов. При этом изменения токов в подпороговом режиме на порядки превосходят изменения токов в обычном режиме. Таким образом, при разработке схемы с использованием подпороговых напряжений питания разработчикам требуется дополнительные усилия, что бы схема была работоспособна в различных условиях эксплуатации.

Инфраструктурные проблемы

Современное процесс производства микросхем основан на использовании надпороговых напряжений питания, и перестают работать при применение под пороговой технологии. Это связано с различными проблемами, например, тестовые установки и измерительные приборы с помощью которых контролируются процессы изготовления не обладают достаточной точностью, требуемой для работы с под пороговыми напряжениями питания. Эти измерительные приборы позволяют измерять микроамперы, а нужно нано- и даже пикоамперные диапазоны.

Даже набор характеристик схем на подпороговом напряжении питания должен быть переосмыслен по отношению к традиционным схемам. Типичный набор свойств не может быть достаточным, что бы доказать, что схема с подпороговом напряжением питания будет работать полностью правильно во всех режимах эксплуатации.

Решение от Ambiq

Разработанная Ambiq SPOT технология позволяет лучше понять поведение транзистора в этих условиях. Ambiq охарактеризовала некоторый выбранный набор транзисторов из обычной технологии изготовления для работы в подпороговом режиме. При этой характеризации были обмерены большое число однотипных транзисторов для получения качественных статистических данных разброса параметров, это необходимо для того что бы обнаружить и понять различные эффекты, вызванные отклонением процесса изготовления, влиянием окружающей среды.

После того как были получены качественные модели транзисторов на их основе была разработана библиотека стандартных цифровых ячеек, которые смогут работать в подпороговом режиме. Данная библиотека так же тщательно исследована и охарактеризована. При разработке библиотеки стандартных ячеек приходилось решать две взаимоисключающие задачи — приходилось делать схемы с крайне высокой чувствительностью, и при этом минимизировать собственное потребление ячейки.

Разработка аналоговых схемы требуют дополнительных усилий. В то время как разработка цифровых ячеек для подпорогового режима была во многом построена по переработке уже существующих решений, то для разработки аналоговых блоков требуется другие схемотехнические решения, которые принципиально отличаются для тех, которые обычно применяются. При разработке схем с подпороговым уровнем питания нет общих подходов, подходящих для всех случаев. В некоторых случаях реализовать схему на подпороговом режиме транзисторов не удавалось, и приходилось использовать транзисторы в обычном режиме с обычным питанием, и применение таких схем в малых количествах не сильно сказывается на общем потреблении. Хорошим примером этого служит энергонезависимая память, в которой хранятся настройки и калибровочные коэффициенты пока устройство выключено. При включении питания схема начинает работать в режиме с питанием выше порога. После того как настройка завершена и калибровочные коэффициенты переписаны в настоечные регистры питание снижается до подпорогового уровня, а энергонезависимая память больше не используется. В случаях когда требуется повышенная производительность и подпорогового напряжения уже не хватает для обеспечения требуемой скорости, напряжение может быть поднято до порогового уровня или даже выше. Очевидно, что в этом случае растет и потребление. Так же для стабильной работы схемы приходится динамически отслеживать внешние факторы, например, такие как температура, и в зависимости от них перестраивать режимы работы подпороговых схем, для обеспечения их качественной работы.

Много усилий было потрачено на то, что бы технология работы в подпороговых режимах обеспечивала работоспособность в рамках стандартных процессов изготовления кристаллов. Специальные процессы изготовления кристаллов могли бы облегчить жизнь, но они значительно удорожили изготовление. Технология Ambiq работает в тех процессах, которые уже хорошо известны и проверены и широко применяются.

Процесс разработки основан на специальной библиотеке охарактеризованной для специальных условий работы в подпороговых режимах. Этот процесс во многом повторяет те задачи которые стоят при разработке схемы для 28-нм процесса. Ambiq просто сделала тоже самое для более простых и доступных технологий, что позволило значительно снизить потребление.

Очень большое внимание было уделено задачам тестирования схем. Так как обычное измерительное оборудование не может с достаточной точностью измерить потребление микросхемы. Так же отбраковочное тестирование микросхем требует большей тщательности, нежели это принято для обычных микросхем, так как требуется измерить микросхему в большем числе комбинаций внешних условий.

В целом все этапы разработки микросхем были переосмыслены и изменены для обеспечения работоспособности схемы в подпороговом режиме и снижения тока потребления. Разработка схем по новой технологии требует, что бы они были проверены, что они работают в течении длительного времени жизни. Для разработчиков аппаратуры надежность микросхем является не менее важным параметром на ряду с потреблением. По этому микросхемы от Ambiq были подвержены целой серии испытаний на надежность, в том числе в условиях экстремальных воздействий внешних факторов. В том числе были проведены другие стандартные испытания, например на устойчивость к статическому электричеству. Все испытания доказали, что микросхемы обладают необходимой надежностью.

Заключение

В настоящее время компания Ambiq уже выпустила серию микросхем часов реального времени с потреблением не более 55 нА. И планирует начать выпуск микроконтроллеров серии Apollo c предельно низким уровнем потребления 30 мкА/МГц.

Основные характеристики микроконтроллеров Apollo:

• Сверх малое потребление в активном режиме 30 мкА/МГц
• Сверх малое потребление в спящем режиме 100 нА (RTC включен)
• Высокопроизводительное ядро ARM Cortex-M4F
• Тактовая частота до 24 МГц
• Память программ до 512 Кбайт Flash
• Память данных до 64 Кбайт
• АЦП 10 бит, 13 каналов со скоростью до 1 Мвыб/с
• Стандартный набор периферии I2C, SPI, UART
• Напряжение питания от 1,8В до 3,8В
• Компактные корпуса 64 выводной BGA и 42 выводной CSP

Сравнение микроконтроллера Apollo с другими микроконтроллерами:

Сравнение проводилось на тесте Coremark.

По материалам:

Объяснение энергопотребления

• Ресурсы:
• Умный дом и автоматизация зданий
• Беспроводное подключение для Интернета вещей
• Промышленный Интернет вещей

Ресурсы ▼

Говорить о энергопотреблении — все равно, что столкнуться с минным полем заблуждений, предубеждений и маркетинговых словечек. Определить, что все утверждения означают на самом деле, не всегда простая задача.

Потребляемая мощность, измеряемая в ваттах (обычно в милливаттах, мВт), является правильным термином для приложений с низким энергопотреблением, но слишком часто вместо него используется потребляемый ток, измеряемый в амперах (обычно миллиамперах, мА). Поскольку мощность — это просто рабочее напряжение, умноженное на ток, это тривиально для операций с фиксированным напряжением, но его становится сложнее оценить при использовании аккумуляторов, которые разряжаются, а напряжение меняется с течением времени и в зависимости от условий нагрузки.

  Посетите нашу страницу ресурсов, посвященную беспроводному подключению

Потребляемая мощность часто не имеет значения

Обычно потребление энергии, измеряемое в джоулях (обычно в микроджоулях, мкДж), определяет, сколько энергии фактически уходит из батареи для завершения работы. конкретная задача. Энергопотребление будет интегралом от потребляемой мощности за время, необходимое для выполнения операции. Опять же, со статическими сигналами это будет простое умножение потребляемой мощности и времени, но с переменными сигналами это потребует более сложного анализа.

Потребляемая мощность наиболее актуальна при использовании источника питания с ограничением по току, например, литий-ионной батарейки типа «таблетка». Популярные в небольших гаджетах с датчиками и интеллектуальных устройствах, эти батареи могут обеспечивать пиковый ток всего в несколько мА без повреждения. Пытаясь нарисовать более высокий пик, вы рискуете навсегда уменьшить емкость батареи, что также может повлиять на выходное напряжение. Пиковое энергопотребление не будет проблемой для приложений, где ток достаточен для поддержки пика.

Подробнее: Важность среднего энергопотребления для срока службы батареи

Дьявол кроется в деталях

В технических описаниях продуктов обычно указывается энергопотребление для различных модулей и условия работы MCU (блока микроконтроллера). Цифры легко измерить, и они документировались таким образом на протяжении десятилетий. Но только в последнее время мы начинаем видеть цифры энергопотребления устройств.

Частично проблема заключается в том, что измерить уровни статического или пикового тока несложно. Все стандартное квалификационное оборудование поддерживает это, и в прежние дни это приносило больше пользы. Также легко понять, что для работы процессора, последовательной шины или другого аппаратного модуля, такого как радио, вам нужно добавить определенное количество мА к вашему общему количеству.

Вам не нужно путешествовать далеко назад во времени, чтобы найти устройства, разработанные таким образом, чтобы такая информация позволяла получить разумную оценку энергопотребления для данного сценария. Вы можете оценить потребление энергии для поддержания ЦП в бодрствующем состоянии в течение заданного времени или потребление энергии для отправки или получения данных через UART или с использованием радио.

В современных микроконтроллерах количество одновременно доступных функций очень быстро увеличивается до ошеломляющего количества, поэтому невозможно охватить все эти комбинации в таблице данных. Это делает все более и более важным иметь возможность легко измерить эти сценарии.

Низкое энергопотребление благодаря цифровым вентилям

Цифровые вентили стали дешевле благодаря ежегодному внедрению геометрии процесса сжатия, что приводит к появлению более сложных энергосберегающих конструкций. Например, способ, которым в прошлом проектировались большинство микроконтроллеров с распределением тактовой частоты по всему устройству, теперь заменен решениями с более точным стробированием тактовой частоты.

Это очень помогает снизить энергопотребление, но затрудняет документирование энергопотребления таким образом, чтобы можно было оценить энергопотребление. Поскольку энергопотребление устройства становится все более динамичным, оно будет меняться в зависимости от того, что активно в любой момент времени. Устройства с более агрессивным дизайном по энергоэффективности будут иметь более динамичное энергопотребление.

Реальный пример

Внутри семейства микросхем Nordic Semiconductor nRF52 и nRF53 функциональные блоки, такие как регуляторы, генераторы и цифровая логика, запускаются и останавливаются в фоновом режиме по мере необходимости. Потребляемая мощность постоянно меняется, поэтому нет «статического» показателя для измерения.

При использовании ведущего устройства TWI потребление энергии может варьироваться от одной цифры мкА между передачей данных до нескольких сотен мкА при передаче данных. Если мастер должен ждать, пока данные будут готовы от внешнего блока, энергопотребление перейдет на другой уровень, и части TWI отключатся, пока он находится в режиме ожидания.

Сложность прогнозирования энергопотребления возрастает, но в то же время значительно повышается энергоэффективность.

Одним из способов оценки энергопотребления этих систем является создание небольших программ для тестирования, а затем их профилирование с помощью подходящих инструментов для создания модели, соответствующей вашим требованиям. Nordic Semiconductor Online Power Profiler использует данные, собранные в результате реальных измерений для работы радио, а затем извлекает из них данные для оценки энергопотребления.

Вот пример показаний такого измерения nRF52832 (щелкните, чтобы увеличить)

 

В следующем посте я более подробно рассмотрю, как оптимизировать энергоэффективность в интеллектуальных устройствах.

 

Эта статья была впервые опубликована в октябре 2017 года

 

 

Темы: Bluetooth с низким энергопотреблением

Автор: Пол Кастнес

Пол Кастнес присоединился к Nordic в марте 2015 года. Он имеет 18-летний опыт работы на рынке встроенных систем, работая в нескольких областях. Это включает в себя проектирование ИС, проверку системы, производственные испытания и спецификацию устройства на заводе. Он провел 6 лет в качестве менеджера по работе с ключевыми клиентами в отделе продаж для азиатского рынка в Токио, Япония. В последние годы он руководил программами обучения по всему миру, а также обеспечивал поддержку ключевых клиентов в регионе EMEA. Сейчас его основное внимание уделяется обучению и пользовательскому опыту, уделяя особое внимание простоте использования всех элементов, участвующих в процессе проектирования подключенных устройств.

Поиск в блоге

Поиск

Блог Get Connected

Этот блог предназначен для тех, кто впервые знакомится с подключенным миром Интернета вещей (IoT), независимо от того, являетесь ли вы старшим руководителем, занимаетесь разработкой продуктов или просто любопытствуете.

Наша цель — информировать вас, держать вас в курсе и помогать вам понимать возможности и проблемы IoT для вашей отрасли.

Если вы разработчик, вы можете ознакомиться с нашими блогами и руководствами для разработчиков в DevZone 9.0013

Посетите www.nordicsemi.com

Последние сообщения

Темы

Потребляемый ток

I ON_IDLE1	Система включена, 0 КБ ОЗУ приложения, пробуждение по любому событию					1,3		UA
I ON_IDLE1, LDO	Система включена, 0 КБ ОЗУ приложения, пробуждение по любому событию, регулятор = LDO					3. 3		UA
I ON_IDLE2	Система включена, пробуждение по любому событию					1,3		UA
I ON_IDLE2,LDO	Система ВКЛ, пробуждение по любому событию, регулятор = LDO					3. 4		UA
I ON_IDLE3	Система включена, пробуждение по любому событию, включен компаратор сбоя питания					1,3		UA
I ON_IDLE3,128 МГц	Система включена, пробуждение по любому событию, включен компаратор сбоя питания, часы = HFINT128M					785		UA
I ON_IDLE4	Система включена, пробуждение по входу GPIOTE (режим событий, LATENCY=LowLatency)					48		UA
I ON_IDLE4_LP	Система включена, пробуждение по входу GPIOTE (режим событий, LATENCY=LowPower)					1,3		UA
I ON_IDLE5	Система включена, пробуждение по событию GPIOTE PORT					1,3		UA
I ON_IDLE6	Система включена, 0 КБ ОЗУ приложения, пробуждение по RTC (запуск от часов LFXO)					1,5		UA
I ON_IDLE7	Система включена, пробуждение по часам RTC (работает от часов LFXO)					1,5		UA
I ON_IDLE8	Система включена, 0 КБ ОЗУ приложения, пробуждение по RTC (работает от часов LFXO), питание 5 В на VDDH, выход VREGH = 3,3 В					1,7		UA
I ON_IDLE7	Система включена, сетевое ОЗУ 0 КБ, пробуждение по сети RTC (работает с часов LFXO)					1,5		UA
I ON_IDLE8	Система включена, сетевое ОЗУ 64 КБ, пробуждение по сети RTC (запуск от часов LFXO)					1,7		UA
I ON_IDLE9	Система включена, 0 КБ ОЗУ приложения, пробуждение по RTC (запуск от часов LFRC)					2. 1		UA
I ON_IDLE10	Оба ядра в системе включены, пробуждаются при любом событии. VREQH=Отключено.					1,3		UA
I ON_IDLE10_VREQH	Оба ядра в системе включены, пробуждаются при любом событии. VREQH=Включено.					1,4		UA
I ВЫКЛ0	Система выключена, 0 КБ ОЗУ приложения, пробуждение при сбросе					1,0		UA
I OFF0,LDO	Система выключена, 0 КБ ОЗУ приложения, пробуждение при перезагрузке; регулятор = LDO					1,4		UA
I ВЫКЛ1	Система выключена, 0 КБ ОЗУ приложения, пробуждение по LPCOMP					0,9		UA
I ВЫКЛ2	Система выключена, пробуждение при сбросе					0,9		UA
I ВЫКЛ3	Система выключена, 0 КБ ОЗУ приложения, пробуждение при сбросе, питание 5 В на VDDH, выход VREGH = 3,3 В					1. No related posts. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт 2019 © Все права защищены. Карта сайта