Mejore la duración de la batería en los dispositivos vestibles mediante un cronometraje eficiente durante los estados de inactividad

Para los usuarios, la duración de la batería de los dispositivos vestibles y de otros dispositivos electrónicos personales es un factor crítico a la hora de decidir una compra. Para maximizar la vida útil de la batería, los desarrolladores suelen aprovechar el tiempo extendido de inactividad de estos dispositivos, colocando los microcontroladores y los otros componentes que consumen energía en un estado de reposo de bajo consumo hasta que se requiera la interacción con el usuario. Sin embargo, incluso en los estados de reposo de más bajo consumo, los sistemas requieren un reloj en tiempo real (RTC) preciso para mantener el tiempo de reloj de pared y administrar los eventos programados.

Aunque los desarrolladores han tenido una serie de opciones para admitir un cronometraje preciso en los estados de reposo, pocas de esas opciones satisfacen los requisitos emergentes de reducir tanto el consumo de energía como el tamaño del diseño.

Este artículo explica cómo los desarrolladores pueden utilizar un chip de RTC con un consumo eficaz de energía de Maxim Integrated combinado con un microcontrolador de muy bajo consumo para extender la vida útil de la batería de los dispositivos vestibles, de los dispositivos de Internet de las cosas (IoT) y de otros productos con limitaciones de tamaño y de consumo.

Cronometraje básico

Los RTC cumplen una función fundamental en la mayoría de los diseños que deben interactuar con los usuarios o con otros sistemas de acuerdo con los relojes y los calendarios del mundo real. En su núcleo, un RTC combina un circuito oscilador de cristal con una serie de registros que contienen datos de fechas y de horarios obtenidos de una cadena de cuenta regresiva (Figura 1).

Figura 1: En un circuito básico de cronometraje de un RTC, un oscilador de cristal controla una cadena de cuenta regresiva que actualiza los registros que contienen valores de fechas y de horarios. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

A partir de este diseño básico, los dispositivos de RTC han evolucionado para ofrecer una gama de características diseñadas con el fin de satisfacer las diferentes necesidades de las aplicaciones con respecto a la precisión del cronometraje y a la capacidad funcional. Hoy en día, los desarrolladores cuentan con dispositivos de RTC que admiten diferentes voltajes operativos, diferentes capacidades de memoria interna y un amplio conjunto de características que van mucho más allá de la hora y la fecha de reloj de pared.

Sin embargo, en muchos casos, las capacidades de cronometraje no son el único factor decisivo para seleccionar un dispositivo de RTC. A medida que los diseñadores responden a la demanda de productos más pequeños que funcionan a batería, como los dispositivos vestibles, la incidencia del cronometraje en el consumo general de energía del sistema ha ganado más atención. Ya que los sistemas deben mantener el tiempo de reloj de pared incluso en los estados de reposo de menor consumo de energía, los diseñadores reconocen que la optimización del cronometraje se ha convertido en un requisito crítico para estos productos. Al mismo tiempo, cualquier solución útil para el cronometraje debe cumplir con restricciones estrictas relacionadas con la simplicidad y el espacio del diseño.

Los microcontroladores que facilitan el uso de los RTC

Para algunas aplicaciones, puede que los diseñadores elijan no agregar un dispositivo de RTC por separado, sino simplemente depender de la funcionalidad de RTC integrada en varios microcontroladores. Por supuesto que no todos los microcontroladores cuentan con un RTC integrado. Los que sí lo tienen, suelen requerir una recalibración periódica de la salida del RTC para que cumpla con los requisitos de precisión de cronometraje de la aplicación. Además de que se necesitan hardware y software adicionales para realizar esta recalibración, se pueden acumular errores de reloj, lo que resulta en marcas de tiempo con datos incorrectos hasta que los errores alcancen el tope necesario para la recalibración.

Si bien estos errores se pueden corregir mediante la sincronización del tiempo del dispositivo con la red, el diseño de bajo consumo requiere minimizar las conexiones de red para reducir el tiempo de actividad de los transceptores de radio, que consumen mucha energía. Claramente, el uso de la funcionalidad de RTC integrada de los microcontroladores puede facilitar mucho el trabajo de los desarrolladores que buscan construir diseños precisos y de bajo consumo.

Los microcontroladores de muy bajo consumo, como los de la familia Darwin de Maxim Integrated, abordan estos problemas con características y capacidades diseñadas específicamente para operar con bajo consumo (para más información, consulte Construir dispositivos inteligentes más efectivos: Parte 1: diseño de bajo consumo con microcontroladores (MCU) y con circuitos integrados de gestión del consumo (PMIC). Por ejemplo, en su modo de "respaldo" de menor consumo con el RTC habilitado y sin retención de memoria estática de acceso aleatorio (SRAM), el microcontrolador de muy bajo consumo Darwin MAX32660 de Maxim Integrated consume aproximadamente 630 nanoamperios (nA) con un suministro de 1.8 voltios. En el modo de respaldo (y en todos sus modos de funcionamiento), el circuito de RTC consume 450 nA, menos que muchos dispositivos de RTC independientes.

Para los desarrolladores que buscan maximizar la duración de la batería, el MAX32660 ofrece una opción de consumo aún menor. Con el RTC deshabilitado en el modo de respaldo de menor consumo (sin retención de SRAM), el MAX32660 consume solo entre 200 nA y 300 nA. La aparente discrepancia entre este valor y la diferencia entre la corriente del modo de respaldo con el RTC habilitado (630 nA) y la corriente del circuito de RTC (450 nA) está relacionada con la actividad variable en los circuitos involucrados en estos estados operativos específicos. Por supuesto, esto significa que los diseñadores deben encontrar un dispositivo de RTC externo capaz de operar con mayor precisión y con una corriente menor que el RTC del microcontrolador.

La disponibilidad del RTC de bajo consumo MAX31341B de Maxim Integrated permite a los desarrolladores aprovechar al máximo los modos de más bajo consumo en microcontroladores avanzados y cumplir, al mismo tiempo, con los requisitos de precisión del reloj, a pesar de su operación extendida fuera de línea.

Cronometraje eficaz

El MAX31341B de Maxim Integrated aborda la creciente necesidad de dispositivos pequeños de RTC de muy bajo consumo en los diseños con espacio limitado que funcionan a batería. A diferencia de los RTC anteriores, el MAX31341B consume solo 180 nA durante las operaciones fundamentales de cronometraje e integra, al mismo tiempo, la funcionalidad esencial en un encapsulado en obleas (WLP) pequeño que mide 2 milímetros (mm) x 1.5 mm (Figura 2).

Figura 2: El MAX31341B de Maxim Integrated consume una corriente de cronometraje de 180 nA e integra la funcionalidad del RTC completa en un encapsulado de 2 mm x 1.5 mm. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Además de ofrecer datos precisos de fecha y de horario, el MAX31341B cuenta con características de alerta basadas en el tiempo que se utilizan en muchas aplicaciones. La lógica de control en chip gestiona un temporizador de cuenta regresiva y un par de alarmas que pueden generar interrupciones de la salida a través de los pines ØINTA y ØINTB del dispositivo. Los desarrolladores pueden reconfigurar el dispositivo para usar el ØINTA como puerto de entrada CLKIN para que un reloj externo controle el contador del RTC. De manera similar, el ØINTB se puede utilizar como un puerto de salida CLKOUT para emitir una señal de onda cuadrada a una frecuencia de salida programable establecida en la configuración del registro hacia el contador de división deseado.

También se puede programar el dispositivo para generar interrupciones como respuesta a las entradas en el pin de entrada digital D1 o en el pin de entrada analógica AIN. En el caso de la entrada analógica, las interrupciones se generan cuando la señal en el AIN pasa a ser mayor o menor que alguno de los cuatro valores de tope programados (1.3 voltios, 1.7 voltios, 2.0 voltios, 2.2 voltios). Cuando opera de este modo, el MAX31341B podría estar dándole una señal al procesador host para que el host tome las medidas apropiadas. Por ejemplo, cuando el voltaje de suministro del RTC cae por debajo del límite mínimo o se restablece.

El puerto de entrada AIN también tiene un papel importante en la capacidad de gestión de energía del MAX31341B, ya que ofrece un medio para mantener el suministro de energía al dispositivo si la fuente primaria de suministro de voltaje no está disponible o cae por debajo del límite. Con el MAX31341B, los desarrolladores simplemente deben agregar una fuente de voltaje externa al diseño del hardware, como una batería recargable o un supercondensador. La configuración del software correspondiente es igual de sencilla, solo requiere que se establezca un bit en el registro de gestión de energía del dispositivo para configurar el dispositivo para la gestión automática de energía.

Cuando se programa de este modo, el pin AIN del MAX31341B sirve como el puerto de salida de una cadena de carga lenta y continua que comprende un diodo seleccionable, un Zener y la elección de tres rutas de resistencia internas para establecer el nivel de corriente de carga deseado (Figura 3).

Figura 3: El RTC MAX31341B de Maxim Integrated comprende una cadena de carga lenta y continua que les permite a los desarrolladores configurar el nivel de la cadena y de la corriente de carga mediante programación. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

En las operaciones normales en este modo, el dispositivo extrae la corriente de carga lenta y continua, generalmente a niveles de microamperios (µA), de la fuente de voltaje primario, VCC. Al mismo tiempo, el MAX31341B monitorea tanto la VCC como la fuente de respaldo, utilizando el puerto AIN para controlar el nivel del suministro de voltaje de respaldo. Si la VCC cae por debajo del voltaje calculado en el pin AIN, el MAX31341B inhabilita automáticamente la cadena de carga lenta y continua y cambia su fuente de alimentación al respaldo a través del AIN.

Apoyo al desarrollo

Maxim Integrated apoya a los diseñadores interesados en la configuración del hardware y la capacidad programable del MAX31341B con su MAX31341EVKIT, una placa de evaluación acompañada por una aplicación de software de evaluación. Como se muestra en el esquema del paquete de evaluación, los desarrolladores implementan el diseño de hardware de respaldo simplemente conectando el MAX31341B a una fuente de voltaje de respaldo, como el supercondensador KW-5R5C334-R de Eaton (Figura 4).

Figura 4: Esta sección del esquema de la placa MAX31341EVKIT de Maxim Integrated demuestra que, para obtener un respaldo para el suministro de voltaje para el cronometraje, el MAX31341B solo necesita una conexión directa desde su pin AIN a una fuente de voltaje recargable, como el supercondensador KW-5R5C334-R de Eaton, utilizado en la placa de evaluación. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

El software de evaluación, que se ejecuta en una computadora personal conectada a través del USB a la placa de evaluación del RTC MAX31341B, despliega un conjunto de pestañas para monitorear los resultados de cronometraje del dispositivo y para configurar interrupciones y registros. Con este software, los desarrolladores pueden configurar el dispositivo para que funcione en modo de gestión de energía y explorar las opciones del dispositivo para configurar la ruta de carga lenta y continua (Figura 5).

Figura 5: El software del paquete de evaluación del RTC MAX31341B de Maxim Integrated ofrece una serie de menús para configurar los registros del dispositivo y programar características especiales, como el modo de gestión de energía y la configuración de la cadena de carga lenta y continua. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Como se sugiere en el esquema presentado en la Figura 4, un diseño de sistema construido con el RTC MAX31341B es casi tan simple como el diagrama de bloques funcional de la interfaz de hardware (Figura 6).

Ilustración 6: Los desarrolladores pueden agregar el RTC MAX31341B de Maxim Integrated a sus diseños de sistema con poco más que un oscilador de cristal, una fuente de voltaje de respaldo opcional y algunos componentes pasivos. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Al igual que para la fuente de voltaje de respaldo, la integración del cristal externo no requiere componentes adicionales. A diferencia de los dispositivos de RTC anteriores, el MAX31341B permite el uso de cristales con una resistencia equivalente en serie (ESR) de hasta 100 kilohms (kΩ), lo que posibilita el uso de una selección de cristales más amplia que la que habilitaban los dispositivos anteriores.

En el lado del host, el MAX31341B ofrece una interfaz de serie I²C simple para interactuar con un procesador como el microcontrolador MAX32660 Darwin de Maxim Integrated. Con esta interfaz, el código de software que se ejecuta en el host solo necesita tener unas pocas instrucciones para administrar el funcionamiento del MAX31341B y acceder a los datos de fechas y horarios de forma secuencial o una única vez.

Con el uso del MAX32660 y del MAX31341B, los desarrolladores pueden implementar diseños de muy bajo consumo que sean capaces de satisfacer las necesidades de muchas aplicaciones dependientes de un cronometraje preciso. En la práctica, los errores de reloj del RTC que surgen de los osciladores de cristal típicos pueden generar problemas para algunas aplicaciones, particularmente para aquellas que funcionan con amplios rangos de temperatura.

Con los osciladores de cristal de diapasón utilizados en los diseños típicos de los RTC, la tasa de error, expresada en partes por millón (ppm), aumenta a medida que la temperatura baja o sube con respecto al punto de transición de la temperatura (el punto en el que el cambio en la tasa de error se convierte en cero). Para la mayoría de los cristales de 32 kilohercios (kHz), el punto de transición de la temperatura oscila entre los 20 °C y los 30 °C. Fuera de este rango, un cristal típico exhibe un coeficiente de temperatura de entre -0.02 ppm/°C a -0.04 ppm/°C², lo que genera tasas de error de dos dígitos en las temperaturas altas y bajas que suelen encontrar los usuarios.

Por ejemplo, la hoja de datos del cristal ECS-.327-6-12-TR de ECSutilizada en la placa de evaluación MAX31341EVKIT especifica unos valores nominales para la temperatura de transición y el coeficiente de temperatura de 25 °C y -0.03 ppm/°C², respectivamente. A su vez, la tasa de error del RTC MAX31341B concuerda con esas características, como se muestra en la Figura 7.

Figura 7: El error de reloj del RTC MAX31341B de Maxim Integrated está determinado por el rendimiento del oscilador de cristal externo, y se aleja del punto de transición de temperatura del cristal a una velocidad determinada por el coeficiente de temperatura del cristal. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Incluso con la tasa de error de 20 ppm que tiene lugar en las temperaturas más extremas, el error de reloj correspondiente asciende solo a un minuto por mes. Por supuesto que la incidencia de esta tasa de error varía significativamente si se trata de un dispositivo vestible personal de estado físico o, por ejemplo, de un monitor de integridad estructural incrustado en un puente. Para los datos menos cruciales, podrían ser suficientes las correcciones periódicas con recursos de red. Para las aplicaciones más importantes, puede que los diseñadores deban compensar los errores del RTC en las marcas de tiempo asociadas con los datos cruciales, o utilizar un oscilador de cristal compensado por temperatura (TCXO), como el SIT1552AI-JE-DCC-32.768E de SiTime, que cuenta con una estabilidad de 5 ppm en un rango de temperatura completo de -40 °C a +85 °C.

Conclusión

El consumo durante los períodos inactivos prolongados se ha convertido en un factor significativo que limita la vida útil de la batería en los dispositivos pequeños con limitaciones de espacio, como los dispositivos vestibles y otros productos portátiles. Durante estos períodos, estos sistemas, generalmente, deben tener la capacidad de mantener actualizadas la hora y la fecha con precisión, incluso cuando la mayoría de sus componentes ingresan en estados de reposo de bajo consumo. Si utiliza su funcionalidad integrada de reloj en tiempo real, puede que un microcontrolador de muy bajo consumo sea incapaz de alcanzar su nivel más bajo de consumo de energía.

El dispositivo de RTC de Maxim Integrated, diseñado específicamente para ofrecer una solución de menor consumo, les permite a los desarrolladores mantener las funciones precisas de cronometraje a niveles de nanoamperios. Como resultado, los otros componentes del sistema pueden reposar en sus modos operativos más bajos durante los períodos de inactividad para maximizar la duración de la batería en los diseños portátiles.