Cómo diseñar dispositivos portátiles encendidos permanentemente de bajo consumo: Parte 1: Optimización del microcontrolador

Nota del editor: Esta es la Parte 1 de una serie de 3 partes acerca del diseño de dispositivos electrónicos portátiles encendidos permanentemente alimentados por batería, que se enfoca en tres áreas donde optimizar la potencia. En este caso, la Parte 1 explica cómo configurar el microcontrolador para prolongar la duración de la batería y reducir las recargas. La Parte 2 analiza cómo mantener la batería apropiadamente para alargar el tiempo entre una recarga y otra. La Parte 3 examina las redes inalámbricas para dispositivos portátiles y la forma de mantener la conectividad inalámbrica minimizando el drenaje de batería.

A medida que los dispositivos portátiles alimentados por batería ganan cada vez más popularidad, sus fabricantes están agregando mayor funcionalidad para seguir siendo competitivos. Esto es particularmente cierto en el caso de los relojes deportivos que los consumidores utilizan constantemente. Siempre están encendidos y los usuarios continuamente buscan características nuevas y un rendimiento mejorado.

Sin embargo, agregar mayor funcionalidad a veces requiere cambiar a un microcontrolador más potente para controlar y monitorear las funciones del reloj. Esto tiene la desventaja de reducir la duración de la batería, por lo que se necesitan recargas de batería más frecuentes, lo cual compromete la experiencia del usuario.

Este artículo analiza las necesidades únicas de los microcontroladores para los dispositivos portátiles encendidos permanentemente. Explica cómo configurar un microcontrolador para un dispositivo portátil encendido permanentemente, incluso los modos de bajo consumo y los periféricos autónomos. Luego, examina un microcontrolador de 16 bits de Texas Instruments y uno de 32 bits de Maxim Integrated, y muestra cómo se pueden usar sus características clave para sacar provecho de un diseño portátil.

Necesidades únicas de los microcontroladores de los dispositivos portátiles encendidos permanentemente

En el caso de los dispositivos portátiles, una larga duración de la batería entre una recarga y otra es la característica que más le importa al usuario final. Si bien las reseñas en línea posiblemente elogien la precisión y las características de un producto portátil, el tiempo entre las recargas puede marcar la diferencia entre la desilusión de una crítica de una estrella y la satisfacción de una de cinco.

La poca duración de la batería tiene otra envergadura más allá de la molestia que genera recargarla frecuentemente. Las baterías recargables de litio pierden la capacidad total con las recargas frecuentes, lo que hace más difícil mantener el estado de la batería a lo largo del tiempo. Las baterías para los dispositivos portátiles se analizarán en la Parte 2 de esta serie.

Además, si bien el conector que se utiliza para las recargas generalmente es robusto, tiene una tasa de inserción y extracción limitada, por lo que cada recarga provoca desgaste.

Los dispositivos electrónicos portátiles presentan distintas necesidades de potencia en comparación con otros dispositivos de consumo porque el portátil está siempre encendido, de modo que el microcontrolador tiene que tener alimentación constante. Por lo general, también hay una conexión bluetooth de baja energía (BLE), que siempre debe estar preparada y disponible para comunicarse con un dispositivo móvil asociado. Tenga en cuenta que la conectividad inalámbrica para dispositivos portátiles se analiza en la Parte 3 de esta serie.

No obstante, si bien el dispositivo portátil puede sincronizar sus datos con el dispositivo móvil cuando aparece una conexión, también debe permitir la operación autónoma sin una conexión móvil, así sea por horas o días, según el uso previsto.

El propósito principal de un dispositivo portátil como un reloj inteligente, aparte de dar la hora, es monitorear y registrar constantemente entradas de sensores externos conectados a puertos seriales, por ejemplo, un circuito interintegrado (I²C) y una interfaz periférica serial (SPI). Pueden incluir acelerómetros especializados capaces de contar los pasos para un podómetro, una radio GPS para el rastreo de la ubicación y las funciones de navegación, y un monitor de frecuencia cardíaca. Aunque el usuario puede prender y apagar la mayoría de estos sensores individualmente, un buen ingeniero debería diseñar el sistema previendo el peor de los casos, en que todos los sensores estén encendidos.

Los datos recopilados mediante estos sensores se deben registrar continuamente. Frecuentemente, en muchos dispositivos móviles de consumo o de Internet de las cosas (IoT), la información registrada de los sensores se almacena en una memoria no volátil, como una memoria flash o una Memoria Programable y Borrable de Sólo Lectura (EEPROM). Sin embargo, una operación de escritura en una memoria flash o EEPROM consume una gran cantidad de corriente que puede agotar la batería pequeña de un dispositivo portátil rápidamente. Una solución más eficaz es almacenar los datos de los sensores en una Memoria Estática de Acceso Aleatorio (SRAM).

Escribir en una SRAM consume mucha menos corriente que en una memoria no volátil. Como el microcontrolador siempre tiene alimentación, los datos de los sensores de la SRAM se mantienen todo el tiempo y están seguros, salvo que se apague el dispositivo portátil o el usuario no recargue la batería y esta se agote. Los datos almacenados de los sensores se transfieren y guardan de forma inalámbrica en un dispositivo móvil; así que, incluso si se apaga, la información de los sensores no se pierde.

Una característica importante para minimizar el consumo de energía del microcontrolador son los periféricos autónomos. Precisamente, la forma en que varía el autónomo según la familia de productos del microcontrolador. Otra característica común para conservar la energía es la opción de deshabilitar la alimentación de un periférico que no está en uso, independiente del resto del microcontrolador, al configurar o eliminar un bit de un registro de energía.

Modos de bajo consumo de un microcontrolador para un dispositivo portátil

Una vez que se comprenden las necesidades únicas de un microcontrolador de un dispositivo portátil encendido permanentemente, es imprescindible determinar las funciones de los modos de bajo consumo, incluso cuáles son útiles y cuáles no.

Desde luego, el modo de menor consumo de un dispositivo portátil es cuando está apagado. La mayoría de los dispositivos portátiles se prenden y se apagan al mantener apretado un botón pulsador momentáneo controlado por software durante un tiempo determinado, lo que evita la secuenciación de potencia accidental. Esto es mejor que un interruptor mecánico, que no solo es menos rentable, sino que puede dispararse por accidente. Sin embargo, el ingeniero debe suponer que el usuario casi nunca apagará su aparato, por lo que el dispositivo portátil debe diseñarse teniendo en cuenta dos supuestos aparentemente contradictorios: que el dispositivo nunca se apagará y también que, ocasionalmente, se apagará.

Por lo general, un chip de administración de alimentación controla la carga de la batería y secuencia el encendido y apagado del microcontrolador y los sensores. La administración de alimentación también se analiza en la Parte 2 de esta serie. Cuando un chip de administración de alimentación apaga el dispositivo portátil, la potencia principal del controlador se desconecta, a excepción de la alimentación independiente para el reloj en tiempo real (RTC). Esto requiere un microcontrolador que pueda funcionar con alimentación externa a la unidad central de procesamiento (CPU), la memoria de acceso aleatorio (RAM) y la mayoría de los periféricos deshabilitados, que tenga en ejecución únicamente el RTC.

Es necesario que el RTC del microcontrolador esté en funcionamiento mientras el dispositivo portátil está apagado para mantener la hora correcta; por eso, el microcontrolador debe tener un pin de alimentación aparte para el RTC, que está siempre encendido. Un RTC está controlado por un oscilador de baja frecuencia de 32.768 kilohercios (kHz) que consume meros nanoamperios. Un reloj inteligente que no mantiene la hora cuando se lo apaga no generaría una experiencia de usuario satisfactoria, por lo que todo modo de bajo consumo que deshabilite el RTC no se puede aplicar a un dispositivo portátil.

La CPU se puede desactivar para ahorrar energía, al igual que todos los periféricos que no estén en uso. El contenido de la RAM siempre se debe conservar, lo que también hace que cualquier modo de bajo consumo que deshabilite toda la matriz de la RAM no se pueda aplicar a un dispositivo portátil.

Configuración del microcontrolador

Un buen ejemplo de un microcontrolador optimizado para dispositivos portátiles lo representa el microcontrolador MSP430FR2676TPTR de 16 megahercios (MHz) con memoria ferroeléctrica de acceso aleatorio (FRAM) de Texas Instruments (Figura 1). Forma parte de los microcontroladores con sensores capacitivos táctiles de 16 bits MSP430™ CapTIvate™ MSP430FR2676 de Texas Instruments, que contienen un periférico de bajo consumo que puede detectar el tacto a través de un vidrio grueso. Las pantallas de vidrio utilizadas en los dispositivos portátiles tienen que ser gruesas y resistentes para soportar el desgaste del uso habitual, por lo que la tecnología de CapTIvate se puede aplicar a un dispositivo portátil con una pantalla táctil.

Figura 1: El microcontrolador con memoria FRAM de 16 bits de ultra bajo consumo MSP430FR2676TPTR de Texas Instruments cuenta con una amplia variedad de periféricos y puede controlar un dispositivo portátil simple con una cantidad mínima de partes externas. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El MSP430FR2676TPTR tiene 64 kilobytes (kB) de memoria de programa FRAM de Texas Instruments para lograr mayores cifras de rendimiento de lectura y escritura con un menor consumo de energía en comparación con los microcontroladores Flash. Tiene 8 kB de SRAM y un juego completo de periféricos, que incluyen un I²C, una SPI y un Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART) para conectar a los sensores. Un multiplicador de hardware de 32x32 acelera la multiplicación, lo que reduce el consumo de energía.

El RTC del MSP430FR2676TPTR se puede configurar para activar el microcontrolador en intervalos que van desde microsegundos hasta horas. Esto sirve para despertar la CPU y ejecutar tareas tales como procesar los datos del sensor regularmente y enviarlos a un dispositivo móvil de forma inalámbrica.

El oscilador y el sistema de reloj del MSP430FR2676TPTR se diseñaron para reducir el costo del sistema y brindar un bajo consumo de energía. El microcontrolador admite cuatro fuentes de reloj generadas internamente y dos externas de alta precisión. Estos osciladores y relojes se pueden habilitar y deshabilitar bajo el control del firmware, según el modo de bajo consumo seleccionado y la configuración del firmware. Para ejecutar periféricos, el MSP430FR2676TPTR tiene dos relojes: un reloj principal con un subsistema de alta velocidad (SMCLK) que puede funcionar tan rápido como la frecuencia del reloj del sistema y un reloj secundario de 40 kHz de baja velocidad (ACLK).

Aparte del modo activo, en el que está habilitada la CPU y todo lo demás, el MSP430FR2676TPTR admite modos de bajo consumo complejos y configurables. Todo periférico en el chip que esté activo en un modo de bajo consumo del MSP430 en particular se puede desconectar mediante el firmware. Esto permite configuraciones de bajo consumo personalizadas. Para un dispositivo portátil MSP430FR2676TPTR, se aplican los siguientes modos de bajo consumo (LPMx):

• LPM0: permite ejecutar todo, salvo la CPU. Es útil cuando los periféricos autónomos tienen que estar activos y funcionar a toda velocidad sin intervención de la CPU.
• LPM3: desactiva la CPU, el oscilador de alta velocidad y el SMCLK. Todos los periféricos habilitados pueden funcionar con el ACLK de 40 kHz de ahorro de energía. Es útil mientras el dispositivo portátil está inactivo sin ningún botón presionado. Los periféricos seriales, como el I²C y la SPI, pueden ejecutarse de manera autónoma para recopilar la información de los sensores, mientras el acceso directo a memoria (DMA) transfiere los datos a la RAM. El RTC puede despertar el dispositivo para ejecutar todas las tareas necesarias.
• LPM4: apaga todo, salvo el RTC. La SRAM está apagada. Es útil para las situaciones en que el usuario apaga el dispositivo portátil.

El MSP430FR2676TPTR puede alimentarse de 1.8 a 3.6 voltios, por lo que es apropiado para usarlo con baterías de litio de 3.6 voltios. Con el RTC en ejecución y los periféricos mínimos, el microcontrolador consume menos de 5 microamperios (µA). Con el oscilador principal en ejecución, el MSP430FR2676TPTR consume 135 µA/MHz (normal).

Para un dispositivo portátil de mayor rendimiento, Maxim Integrated tiene el microcontrolador de 32 bits MAX32660GWE (Figura 2). Se basa en el núcleo con unidad de punto flotante (FPU) Arm® Cortex®-M4. El MAX32660 incluye 256 kB de memoria Flash y 96 kB de SRAM. La SRAM se divide en cuatro sectores. Todos los sectores pueden habilitarse para lectura o escritura, ponerse en modo de suspensión liviana para deshabilitar la lectura o escritura mientras se conserva el contenido a fin de ahorrar energía, o deshabilitarse por completo para quitar la alimentación de ese sector.

Figura 2: El MAX32660 de Maxim Integrated se diseñó específicamente para los dispositivos electrónicos portátiles encendidos permanentemente. Para ahorrar energía, reduce la cantidad de periféricos a solo aquellos que se necesitan para conectarse con los sensores externos en una aplicación portátil. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

El MAX32660 puede funcionar hasta a 96 MHz y con todos los periféricos operativos consume apenas 85 µA/MHz. Para minimizar el consumo de corriente y reducir el tamaño del paquete, tiene un juego mínimo de periféricos utilizados para dispositivos portátiles, entre ellos, dos SPI, dos I²C y dos UART.

Admite dos osciladores internos: un oscilador interno de alta velocidad de 96 MHz que se puede deshabilitar mediante el firmware y un oscilador en anillo de 8 kHz de bajo consumo que siempre está encendido, a pesar del modo de bajo consumo. Un oscilador de 32.768 kHz emplea un cristal externo y se utiliza para el RTC. Cualquiera de estos tres osciladores se puede usar para controlar la CPU y los periféricos.

Todos los periféricos se pueden apagar en el firmware. Además, el firmware también puede deshabilitar el reloj para ese periférico, lo que ahorra valiosos nanoamperios.

De acuerdo con los requisitos de los dispositivos portátiles, el RTC siempre está encendido en todos los modos de bajo consumo, salvo que se lo deshabilite deliberadamente mediante el firmware cuando está en el modo activo. El RTC y el reloj están en una sección aparte, denominada “dominio encendido siempre”. Este dominio está aislado del resto del microcontrolador, lo que garantiza que, en caso de un fallo o una alteración en el firmware, el RTC no se vea afectado.

Aparte del modo activo, el MAX32660 admite tres modos de bajo consumo personalizados específicamente para dispositivos electrónicos portátiles:

• En el modo de suspensión, la CPU está apagada, aunque todos los periféricos habilitados pueden ejecutarse de manera autónoma. Suele ser útil cuando el dispositivo portátil está inactivo y la información del sensor se registra y almacena en el DMA. Todos los periféricos activos pueden despertar la CPU al modo activo.
• En el modo de suspensión profunda, todos los relojes internos de la CPU y los periféricos se desconectan, a excepción del reloj de 32.768 kHz para el RTC. El firmware puede configurar el reloj interno de 96 MHz para que se apague automáticamente al ingresar en el modo de suspensión profunda. Todo el contenido de la RAM se conserva, incluso la información de la SRAM y todos los registros de los periféricos. Es útil para los dispositivos portátiles que necesitan un modo de hibernación, en el que el dispositivo portátil esté apagado para ahorrar energía pero, cuando se lo vuelva a encender, arranque de nuevo en el estado en que había quedado al apagarlo.
• El modo de respaldo es el modo de menor consumo. Los relojes y la alimentación de la CPU y de todos los periféricos están desconectados, excepto el RTC. De forma predeterminada, se deshabilita toda la alimentación de la SRAM. Es útil en las situaciones en que el usuario apaga el dispositivo portátil sin retención de la SRAM para ahorrar energía. Sin embargo, este modo puede retener opcionalmente cualquiera de los cuatro sectores de la SRAM en una suspensión liviana para conservar el contenido de la memoria. Sirve para un dispositivo portátil que necesita mantener un estado mínimo con poco consumo de corriente adicional.

El MAX32660 necesita entre 1.71 y 3.63 voltios, lo que le permite alimentarse de baterías de litio de 3.6 voltios. El microcontrolador también tiene una unidad de administración de alimentación independiente, que reduce el recuento de pines al eliminar el componente externo. También tiene un soporte medidor de batería que controla la batería externa y ofrece una lectura exacta del estado de carga de la batería, que se muestra en la interfaz de usuario del dispositivo portátil.

Conclusión

Los dispositivos electrónicos portátiles encendidos permanentemente presentan desafíos únicos para los ingenieros. Incluso cuando un dispositivo portátil parece estar apagado, aún consume cierto nivel de energía. Sin embargo, como se mostró, los diseñadores pueden agregarles funcionalidad y características a sus diseños, como así también usar los modos de bajo consumo configurables para mantener y prolongar la duración de la batería.