O componente crítico de um produto de baixo consumo é o desenvolvedor

produto de baixo consumo

O processador Arm® Cortex®-M33 é uma escolha popular para desenvolvedores de soluções com tecnologia sistemas sem fio que buscam extrair cada microwatt da capacidade restrita de energia de seus projetos IoT. Isso porque oferece alto desempenho consumindo muito pouca energia.

A Arm é um fornecedor de propriedade intelectual (IP) que vende seu know-how de processador para fabricantes de chips que implementam o design em seu próprio hardware, seja como um processador autônomo ou embarcado como parte de um System-on-Chip (SoC). A eficiência final do design, é claro, depende da implementação do hardware, mas de acordo com o datasheet da Arm para o Cortex-M33, não é irracional esperar um consumo de energia de cerca de 10 microwatts por megahertz enquanto o processador trabalha. E isso não compromete o desempenho; este é um dispositivo muito poderoso. (Para os técnicos, o Cortex-M33 possui 4,02 CoreMark/megahertz).

Os componentes oferecidos para suportar um processador embarcado em um projeto com rede sem fio de baixo consumo trazem níveis semelhantes de eficiência. Por exemplo, considere o rádio em um SoC com Bluetooth® LE ou Zigbee. Não faz muito tempo que esses dispositivos consumiam várias dezenas de miliwatts ao enviar ou receber dados pelo link sem fio. Essa é uma quantia enorme quando você tem apenas uma pequena quantidade de energia e uma expectativa de uso do usuário para meses de duração da bateria. Os SoCs sem fio de curto alcance de última geração de hoje fazem muito mais com menos, oferecendo maior alcance e rendimento do que a geração anterior de produtos, consumindo apenas alguns miliwatts. Por meio de avanços de projeto, material e fabricação, o consumo de energia de processadores, memória, rádios, conversores analógico-digitais (ADCs), reguladores lineares (LDOs) e o resto é uma fração do que era apenas alguns anos atrás. Isso permitiu aos desenvolvedores a oportunidade de estender significativamente a vida útil da bateria de seus produtos ou reduzir seu formato usando células menores.

E, ainda assim, peça a dois engenheiros para projetar uma solução para uma determinada aplicação a partir da mesma quantidade de chips de baixa potência, e os projetos resultantes terão uma duração de bateria completamente diferente. E não por apenas alguns por cento. Não é incomum que um projeto seja metade da eficiência do outro para aproveitar ao máximo a energia da bateria. A diferença se resume à habilidade e experiência do desenvolvedor. E isso torna a pessoa por trás do produto a peça mais importante em seu consumo de energia.

O que um desenvolvedor de produtos de baixo consumo habilidoso sabe que é novidade, que as outras pessoas envolvidas no projeto não sabem? Tudo se resume à seleção de hardware, boa codificação, teste e “processador dormindo” (e muito sono…).

Periféricos são primordiais

Desenvolvedores experientes sabem que não são apenas os principais dispositivos como processador, rádio e memória que determinam o consumo de bateria, os periféricos também são importantes. Quando a duração da bateria é medida em meses, mesmo um passivo humilde pode economizar dias de energia, se o mesmo for ineficiente.

Não é novidade que boas escolhas de projeto incluem periféricos com demandas de baixa energia e correntes quiescentes. Mas também é importante pensar em como o dispositivo será usado. Por exemplo, considere um acelerômetro embarcado; se a aplicação precisar apenas saber quando foi invertido, é uma boa prática garantir que seja a única vez que o acelerômetro informa sua posição, em vez de transmitir continuamente cada pequeno movimento.

Também é necessário cuidado para selecionar componentes com a mínima dissipação de potência. Por exemplo, reguladores de tensão buck/boost e LDOs emanam um pouco de calor durante a operação, por isso é importante selecionar o mais eficiente e ainda atender às necessidades da aplicação. Essa abordagem deve se estender às partes menos óbvias do circuito. Por exemplo, quando um divisor de tensão é usado para diminuir a tensão de um ADC, ele deve ser projetado de modo a dissipar a quantidade mínima de energia através do resistor shunt. Outra falha comum é projetar pulldowns de sinal de modo que puxem a tensão para o terra, mas não minimizem o leakage de corrente (corrente de fuga). Isso é um consumo persistente de energia da bateria e tem um impacto significativo a longo prazo.

Um bom código economiza energia

Uma vez que o circuito esteja projetado e montado, é importante que todos os elementos funcionem sempre com o menor nível de consumo de energia possível. Isso não quer dizer que as coisas devam ser desligadas com frequência, porque os ciclos de inicialização podem levar muito tempo e podem, assim, comprometer a experiência do usuário. Mas a maioria dos componentes modernos de baixo consumo de energia tem vários modos de espera e de estado “em suspenso” onde o consumo de energia é insignificante, mas a latência de inicialização é baixa. O desenvolvedor habilidoso usa esses recursos para garantir que os componentes não gastem energia, a menos que realmente precisem.

Além disso, o engenheiro experiente verificará seu código em busca de triggers ou interrupções que possam gerar consumo de energia desnecessário. Para facilitar suas vidas, esses engenheiros geralmente estruturam seu código para torná-lo simples de ler. Isso torna mais rápido identificar as linhas de código que, por exemplo, acionam periféricos quando não são estritamente necessários ou não os colocam em modo suspenso (sleep) depois de executarem sua tarefa.

Uma vez que os erros de código óbvios tenham sido eliminados, o desenvolvedor habilidoso examina o código em busca de características mais sutis, como o processador entrando em um loop de espera não computacional – queimando energia enquanto efetivamente não alcança nada – quando poderia ser colocado em sleep mode. Um segundo problema é um subsistema que adormece como pretendido, mas é frequentemente despertado quando não é estritamente necessário. Por exemplo, um cronômetro pode ser configurado para ativar o processador para que ele possa ler alguns dados do sensor, mesmo que a aplicação não precise das informações naquele momento.

Outro erro comum cometido pelo desenvolvedor menos experiente é esquecer de desabilitar o log de eventos que é útil durante o desenvolvimento e depuração, mas não é necessário em campo. O perigo é que os produtos saiam da fábrica e passem a vida no campo ligando periféricos para registrar informações que nunca serão usadas. Mas o que será usado é a carga da bateria.

Verifique o que está acontecendo

Testar o consumo médio de corrente de um produto final é uma maneira simples de estimar a vida útil da bateria. Mas provavelmente não contará a história completa. Dispositivos sem fio bem projetados mudam continuamente entre os modos ativo e de baixa potência, e ciclos de trabalho baixos são muito comuns. Isso significa que um teste curto de corrente média pode perder eventos de pico de consumo infrequentes que ainda podem ter um impacto significativo na vida útil da bateria.

A melhor maneira de obter uma visão completa é examinar detalhadamente o consumo de energia a longo prazo usando um analisador de energia completo. Dessa forma, o desenvolvedor pode identificar claramente os picos de energia transitórios que são comuns aos projetos sem fio de baixa potência e garantir que cada um corresponda a uma atividade estritamente necessária. A desvantagem dessa técnica é que os analisadores de energia são muito caros, muito pesados ​​e muito bem guardados pelos engenheiros-chefes.

Existem algumas opções de equipamentos mais portáteis – e consideravelmente mais baratas – para fornecer uma visão razoavelmente detalhada do consumo de energia de um dispositivo sem fio. Um exemplo é o Power Profiler Kit II da Nordic. Por menos de US$ 100, o desenvolvedor pode usar essa ferramenta de teste para verificar o consumo de energia de seu produto e compará-lo com o comportamento esperado usando um criador de perfil de energia on-line gratuito executando um simulador. A estimativa pode ser cruzada com os resultados do Power Profiler Kit para destacar quaisquer anomalias que podem ser inspecionadas minuciosamente para encontrar sua causa.

Conclusão

Os dispositivos de baixo consumo de amanhã farão com que os de hoje pareçam monstros gananciosos por consumo de energia. Mas com os desafios atuais da cadeia de suprimentos, levará algum tempo até que estejam prontamente disponíveis. A boa notícia é que os desenvolvedores não precisam ficar parados. É improvável que mesmo o engenheiro mais habilidoso tenha acertado tudo na primeira vez. Isso faz com que uma revisão dos produtos existentes valha a pena, pois é muito provável que revele algumas melhorias úteis na economia de energia que podem ser repassadas aos usuários.

Artigo escrito por Steven Keeping e publicado no blog da Mouser Electronics: The Critical Component in Low Power Products is the Designer

Traduzido por Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics

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