Suggerimenti per Ridurre al Minimo il Consumo Energetico Nel Sistema Integrato

Per anni ho dimenticato di spegnere le luci e i ventilatori della mia casa. Anche se all’inizio non credevo neppure che l’uso continuo di questi dispositivi potesse aumentare significativamente il mio consumo di elettricità, alla fine mi sono liberato di questa cattiva abitudine e ho iniziato a spegnere ogni più piccolo interruttore. Dopo tutto prestare attenzione ai consumi energetici riduce le bollette mensili ed è anche positivo per l’ambiente.

Purtroppo ridurre al minimo il consumo energetico in un sistema integrato richiede molto più lavoro che spegnere alcuni interruttori. La giusta strategia di progettazione deve essere implementata molto prima di iniziare a disegnare il circuito. Sia che il dispositivo utilizzi energia solare sia che includa una batteria ogni dettaglio è importante quando si tratta di ridurre al minimo il consumo energetico del sistema integrato. 

Pianificare il bilancio energetico del dispositivo

Come esperto hardware è naturale sentirsi entusiasti quando si affronta un nuovo progetto. Tuttavia, invece di affrettarsi a reperire il microcontrollore più potente disponibile, si dovrebbe capire prima la natura dell'applicazione e scoprire eventuali vincoli in materia di consumo energetico. Anche se non si sta progettando un dispositivo a batteria ad energia solare, un design orientato al risparmio energetico è preferibile per rimanere al passo con la concorrenza.

Per ottimizzare il bilancio energetico del dispositivo iniziate ponendo un limite ragionevole al consumo energetico del vostro progetto e lavorate a ritroso. Scegliete microcontrollori e altri componenti che hanno funzioni di risparmio energetico o semplicemente consumano meno energia. Se scegliete i componenti sbagliati l'implementazione di misure di risparmio energetico in fase di progettazione potrebbe essere più difficile. 

Ridurre al minimo il consumo energetico nel vostro progetto

Occorrono sia ingegneri hardware che firmware per implementare funzioni efficienti di risparmio energetico in un sistema integrato. Ecco alcuni suggerimenti per ridurre al minimo il consumo energetico totale del progetto:

1. Utilizzare la modalità “deep-sleep”

In alcune applicazioni esterne, basate sul sistema fotovoltaico, l'utilizzo di un potente microcontrollore per soddisfare determinate specifiche diventa inevitabile. Ad esempio un distributore automatico di biglietti per veicoli all'aperto deve stampare un biglietto o scansionare una carta di credito rapidamente, prima di conservare i dati nella sua memoria non volatile.

Sulla base di queste funzioni un microcontrollore high-end a 32 bit rappresenta l'opzione migliore. Tuttavia un microcontrollore così potente consuma anche più corrente quando tutte le periferiche sono accese. Ciò comporta la necessità di una batteria di maggiore capacità se il microcontrollore è continuamente in funzione a piena potenza.

Un modo per evitare che il microcontrollore assorba la massima potenza è quello di metterlo in modalità "deep sleep" quando è inattivo. In modalità deep sleep i microcontrollori spesso consumano una piccola frazione della corrente massima, di solito dell’ordine dei nano-ampere. Gli ingegneri firmware possono poi utilizzare le interruzioni per risvegliare il microcontrollore in base alle necessità.

^{Utilizzate la modalità di deep sleep per il microcontrollore.}

2. Utilizzare il regolatore di commutazione

A volte si verificano inutili sprechi di energia elettrica sotto forma di calore. Questo è vero quando si utilizza nel progetto un regolatore lineare. Per i dispositivi ad energia solare i tipici circuiti di alimentazione richiedono che la tensione della batteria sia ridotta. Un regolatore di tensione lineare è, in questo caso, la soluzione più economica.

I regolatori lineari, tuttavia, non sono noti per la loro efficienza, in quanto dissipano la differenza tra le tensioni sotto forma di calore. Quando il dispositivo è alimentato da una batteria la dissipazione di calore comporta l'assorbimento di corrente supplementare dalla batteria. In questo caso si può optare per l'utilizzo di un regolatore a commutazione.

Anche se la commutazione dei regolatori e dei componenti associati aumenta il costo unitario complessivo, questa è una strategia più efficace rispetto all'uso di regolatori lineari. Una minore dissipazione di calore significa una batteria più duratura, utile nei casi in cui il dispositivo deve funzionare senza luce solare. Nelle applicazioni sensibili alla potenza ogni milliwatt risparmiato può fare un'enorme differenza.

3. Spegnere i componenti non utilizzati

Mettere il microcontrollore in modalità deep-sleep è una tecnica brillante per ridurre il consumo energetico totale. Ma altri componenti, come i circuiti integrati logici (IC) o i circuiti integrati di comunicazione, possono comunque consumare una corrente significativa anche quando il microcontrollore è in modalità deep-sleep.

Questo problema può, per fortuna, essere ridotto al minimo. Invece di avere un unico regolatore di tensione sul PCB è possibile utilizzare due regolatori per alimentare separatamente il microcontrollore e gli altri componenti. Questo metodo permette al microcontrollore di spegnere l'alimentazione di altri componenti prima di entrare in modalità deep-sleep.

^{Interrompete l'alimentazione ai componenti non utilizzati.}

Inoltre ciò assicura che il consumo energetico in stato di inattività provenga solo dal microcontrollore e dall'ingresso necessario a risvegliarlo dalla modalità deep sleep. Utilizzando l'analizzatore PDN Analyzer^™ di Altium Designer^® potete assicurarvi che le tracce di alimentazione siano sufficienti e non causino ulteriori perdite di potenza. Un solido software di progettazione PCB può aiutare in ogni fase della progettazione.

Vi occorrono ulteriori consigli su come ridurre il consumo energetico del vostro dispositivo? Consultate un esperto di Altium.