В статье описаны основные принципы снижения энергопотребления в современных портативных устройствах. На примере интеллектуального драйвера подсветки дисплея показано, как увеличить энергоэффективность системы и, в то же время, обеспечить выполнение различных функций управления дисплеем, а также упростить конструкцию печатных плат. Статья представляет собой перевод [1].
Продолжается бурное развитие портативных электронных устройств. Каждое новое поколение этих продуктов включает в себя все больше функций. Требования к периферийным блокам этих устройств становятся все более универсальными, т.к. источники питания, порты и интерфейсы человек-машина используют одинаковые принципы.
Как добиться низкого энергопотребления полнофункциональных устройств
С увеличением количества функций и ростом производительности этих систем возрастает необходимость управления мощностью рассеяния по нескольким причинам.
1. С ростом функциональной плотности этих устройств растет также рассеиваемая мощность. Успехи технологии производства полупроводников позволяют отчасти смягчить данную тенденцию, но только этого недостаточно.
2. Несмотря на расширение функциональности этих устройств, рынок требует уменьшить их габариты, что также увеличивает плотность рассеиваемой мощности. Возникают ограничения, связанные с требованиями к интерфейсу человек-машина и определяемые стандартами, которые регулируют механическую и электрическую надежность приборов.
3. С уменьшением габаритных размеров устройств уменьшается также доступное пространство для размещения источников питания. Несмотря на успехи в развитии технологий батарей, особенно литиево-ионных, ограничение доступного пространства не позволяет OEM-производителям существенно увеличить емкость элементов питания.
Подходы OEM-производителей к снижению энергопотребления продуктов также претерпели изменения. Можно выделить несколько уровней стратегии компаний в этой области. Стратегия первого уровня заключается в увеличении эффективности подсистемы управления мощностью, включая минимизацию потерь в DC/DC-преобразователях, LDO-стабилизаторах, а также схемах управления и защиты батарей.
Данный подход зависит в основном от способности вендоров полупроводниковых приборов производить компоненты и интегральные схемы, которые рассеивают меньше мощности, чем другие подобные устройства. В результате инженеры OEM-компании вынуждены идти на компромисс между энергоэффективностью компонентов, их стоимостью и размером корпуса.
Несмотря на то, что эта стратегия поначалу была довольно эффективна, рынок компонентов, по большей части, уже реализовал возможности в данном направлении. Как и в случае с аналоговыми и аналого-цифровыми микросхемами, компоненты, появившиеся в итоге применения данной стратегии, не получили того значительного преимущества при переходе на новые технологические нормы и масштабировании кристалла, какое приобрели цифровые схемы.
Стратегия второго уровня заключается в отключении питания части системы или микросхемы, которая не используется в текущий момент времени. Эта стратегия была особенно эффективна для крупных потребителей энергии, таких как РЧ-устройства или блоки подсветки дисплея, но также позволяет увеличить время работы устройства на одной зарядке путем отключения даже такой умеренной нагрузки как звуковая подсистема, порты ввода/вывода или энергонезависимая конфигурационная память. Например, выпускающиеся в настоящее время мобильные телефоны имеют 20 и более отдельных областей питания.
Помимо снижения рассеиваемой мощности за счет переключения в дежурный режим наиболее мощных схем, данный подход помогает уменьшить рассеиваемую мощность в статическом режиме, когда система отключает тактируемую часть схемы. Поскольку технология изготовления интегральных схем постоянно совершенствуется в направлении уменьшения минимальных размеров элементов, эта стратегия успешно заменила метод управления тактового сигнала для снижения токов потребления в статическом режиме.
Данная стратегия зависит от совместных усилий разработчиков системной архитектуры, программистов и поставщиков ASIC. Несмотря на достигнутые успехи, этот подход был в некоторой степени ограничен ростом числа дополнительных функций, реализуемых в приложении. Он вынуждал разработчиков использовать все более мощные и энергоемкие вычислительные ресурсы. Например, сотовые телефоны перешли с процессоров ARM-7 на ARM-9 и ARM-11 для увеличения ресурсов контроллера широкополосного доступа и решения вспомогательных задач. Подобная тенденция наблюдается и в отношении других портативных устройств.
Стратегия третьего уровня направлена на снижение энергии, используемой различными функциональными блоками без ущерба для производительности. Один из таких методов заключается в применении интеллектуального управления функциями, которые, например, не требуют значительных вычислительных ресурсов процессора широкополосного доступа или процессора приложений.
Эта стратегия позволяет процессору передавать многие свои функции полуавтономным периферийным контроллерам. В результате необходимость использования полных вычислительных ресурсов процессора уменьшается, и его переход из дежурного в рабочий режим происходит значительно реже. Примером такого подхода служит интеллектуальный драйвер подсветки дисплея.
Роль микроуправления для подсветки дисплея
Пользователям портативных электронных устройств важно, чтобы экран дисплея обеспечивал отчетливое отображение информации в широком диапазоне условий внешнего освещения. В современных портативных устройствах для реализации этого используется фотодиод или фототранзистор, который измеряет уровень внешнего освещения как входной параметр для управления драйвером подсветки.
Фотодатчику требуются цепи формирования сигнала: постоянное смещение для возбуждения датчика, схемы усиления и аналого-цифрового преобразования или, как минимум, один или два уровня порогового детектирования. Главный процессор контролирует выходной сигнал фотодатчика с периодичностью цикла преобразования данных через аналоговые порты ввода/вывода кристалла или внешние схемы. Это происходит с частотой от одного до нескольких циклов преобразования в секунду. Затем контроллер считывает результаты преобразования и определяет один из трех уровней освещенности, соответствующих условиям дневного освещения, хорошо освещенного помещения и тусклого освещения, например в гостиной, ресторане или ночном клубе.
Далее процессор формирует управляющие сигналы для драйвера подсветки, который обеспечивает один из трех возможных уровней тока для питания цепочки светодиодов. Это и есть одна из форм микроуправления, т.е. центральный энергоемкий процессор передает часть своих функций другим блокам системы с меньшими эксплуатационными расходами. Такой подход обеспечивает тройную выгоду: снижение энергопотребления, уменьшение числа компонентов и упрощение разводки печатной платы. Ниже перечислены основные преимущества этой стратегии.
Выигрыш 1: интеллектуальные драйверы разгружают процессор
Измерения показывают, что интеллектуальный драйвер подсветки ADP5520 обеспечивает экономию энергопотребления при управлении от микроконтроллера и, в то же время, работает автономно при управлении подсветкой дисплея. Драйвер ADP5520 содержит асинхронный повышающий преобразователь, программируемый блок управления подсветки, в зависимости от интенсивности внешнего освещения, конечный автомат и конфигурируемый расширитель порта, который обеспечивает дополнительную экономию ресурсов системы.
Повышающий преобразователь способен управлять токами шести белых последовательно соединенных светодиодов, падение напряжения на которых составляет 24,5 В при управляющем токе 30 мА. Блок измерения интенсивности внешнего освещения обеспечивает преобразование уровней сигналов датчика света и, работая совместно со встроенным конечным автоматом и повышающим контроллером, 128 уровней тока через светодиод в диапазоне 0…30 мА.
При выполнении процессором только сервисных функций контроля освещенности, ADP5520 обеспечивает 15-% увеличение времени работы на одной зарядке батареи при тестировании, моделирующем различные варианты эксплуатации сотового телефона (см. рис. 1). Включение этапа измерения уровня внешней освещенности в процесс управления, используемый драйвером ADP5520, улучшает время работы в дежурном режиме на одной зарядке на 50%, по сравнению с исходным режимом работы. Приведенные кривые характеризуют варианты эксплуатации сотового телефона, в которых не требуется работа РЧ-блока, например, такие как игры, просмотр и составление текстовых сообщений или режим фотоаппарата.
 |
| Рис. 1. Интеллектуальный контроллер подсветки экономит энергию за счет разгрузки главного процессора. Контроль уровня внешней освещенности дополнительно повышает энергоэффективность системы |
Часто разработчикам необходимо реализовать функцию постепенного изменения яркости дисплея вместо переключения уровня подсветки. Для выполнения этой задачи требуется активное взаимодействие блоков управления подсветкой с процессором, что значительно увеличивает его загрузку по сравнению с включением/отключением подсветки. Интеллектуальный драйвер светодиодов ADP5520 способен реализовать различные законы изменения тока светодиода, включая линейный, квадратичный и кубический, что в еще большей мере снижает загрузку процессора (см. рис. 2). Драйвер конфигурируется с помощью дискретных значений времени увеличения и уменьшения яркости в диапазоне 300 мс…5,5 с. Встроенный таймер регулировки яркости со сбросом программируется на один из 15 интервалов в диапазоне 10…120 с.
 |
| Рис. 2. Интеллектуальный драйвер светодиодов ADP5520 способен реализовать несколько кривых изменения яркости подсветки без участия процессора |
Выигрыш 2: интеллектуальные драйверы обеспечивают низкочастотные функции
Кроме энергосбережения, интеллектуальные драйверы способны реализовать другие функции управления периферией, не требующие высокой производительности. Например, ADP5520 содержит конфигурируемый расширитель порта, который обеспечивает восемь линий ввода/вывода.
В данном устройстве две линии ввода/вывода можно объединить с третьим специализированным выводом в качестве независимого источника тока для светодиодов, который обеспечивает программируемую регулировку яркости подсветки, включение/отключение и режим мерцания (см. рис. 3). Остальные выводы можно запрограммировать в качестве кнопок клавиатуры или как линии ввода/вывода общего назначения.
 |
| Рис. 3. Две линии ввода/вывода драйвера ADP5520 можно запрограммировать в качестве источника тока для индикаторных светодиодов. Вместе со специальным источником тока каждый из этих выводов обеспечивает ток не менее 14 мА и реализует простое включение/отключение или 64-шаговую регулировку яркости подсветки |
Эти дополнительные драйверы обеспечивают ток 0…14 мА и 64-шаговую регулировку яркости. Как и основной источник тока, вспомогательные драйверы обеспечивают управление включением/отключением или плавную регулировку яркости подсветки по линейному или нелинейному законам.
Выигрыш 3: применение интеллектуальных драйверов уменьшает число проводников на плате
Интерфейс I2C реализован для передачи конфигурационных данных от процессора к интеллектуальному драйверу и обратной пересылки в процессор данных состояния; для информации с портов ввода/вывода или сигнала о нажатии на клавишу в ADP5520. Это дает возможность упростить топологию печатной платы в портативных электронных приборах за счет уменьшения числа компонентов и проводников между периферией и контроллером.
Экономия числа межсоединений еще больше в случае, когда в сотовом телефоне используется поворотный или ползунковый механизм сопряжения, который разделяет дисплей, индикаторы и клавиатуру от процессора. В этом случае интеллектуальный драйвер светодиодов со встроенным расширителем порта может существенно уменьшить размеры и стоимость гибкого кабеля, соединяющего части устройства (см. рис. 4).
 |
| Рис. 4.Расширение порта драйвера ADP5520 позволяет уменьшить число линий, соединяющих драйвер с процессором, для реализации простого интерфейса. Такой подход обеспечивает снижение затрат при передаче сигналов через поворотный или ползунковый механизм сопряжения частей устройства (например, в сотовом телефоне) |
Литература
1. Ken Marasco. Smart drivers reduce energy use and PCB clutter in portable electronic systems//www.planetanalog.com.