Améliorer l'autonomie batterie des dispositifs corporels grâce à un suivi temporel efficace pendant les états d'inactivité

Pour les utilisateurs, l'autonomie batterie des dispositifs corporels et d'autres dispositifs électroniques personnels est un facteur essentiel lors des décisions d'achat. Pour optimiser l'autonomie batterie, les développeurs tirent généralement parti de la période d'inactivité prolongée de ces dispositifs, en mettant les microcontrôleurs et les autres composants consommant de l'énergie dans un état de veille basse consommation jusqu'à ce qu'une interaction avec l'utilisateur soit nécessaire. Cependant, même pendant les états de veille consommant le moins d'énergie possible, ces systèmes nécessitent une horloge temps réel (RTC) précise pour maintenir l'affichage de l'heure et gérer les événements programmés.

Bien que de nombreuses options s'offrent aux développeurs pour prendre en charge le suivi temporel précis pendant les états de veille, rares sont celles qui peuvent répondre aux exigences émergentes en matière de réduction de la consommation d'énergie et de la taille de conception.

Cet article présente la manière dont les développeurs peuvent utiliser une puce d'horloge temps réel à rendement énergétique élevé de Maxim Integrated en l'associant à un microcontrôleur ultrabasse consommation pour étendre l'autonomie batterie des dispositifs corporels, des dispositifs Internet des objets (IoT) et d'autres produits présentant des contraintes de taille et de consommation d'énergie.

Suivi temporel de base

Les horloges temps réel jouent un rôle essentiel dans la plupart des conceptions qui nécessitent des interactions avec les utilisateurs ou avec d'autres systèmes reliés aux calendriers et aux horloges du monde réel. Comme élément central, une horloge temps réel intègre un circuit d'oscillateur à quartz avec une série de registres qui contiennent des données de date et d'heure recueillies auprès d'une chaîne de comptes à rebours (Figure 1).

Figure 1 : Dans un circuit de suivi temporel d'horloge temps réel basique, un oscillateur à quartz commande une chaîne de compte à rebours qui met à jour des registres contenant des valeurs de date et d'heure. (Source de l'image : Maxim Integrated)

En s'appuyant sur cette conception de base, les dispositifs à horloge temps réel ont évolué pour offrir une gamme de fonctionnalités conçues pour répondre à divers besoins applicatifs pour la précision du suivi temporel et les capacités fonctionnelles. Aujourd'hui, les développeurs peuvent trouver des dispositifs à horloge temps réel qui prennent en charge différentes tensions de fonctionnement, des capacités de mémoire interne et un ensemble étendu de fonctionnalités qui vont bien au-delà du simple affichage de la date et de l'heure.

Cependant, dans de plus en plus d'applications, les capacités de suivi temporel ne constituent pas le seul facteur décisif permettant de choisir un dispositif à horloge temps réel. Étant donné que les concepteurs répondent à la demande en matière de produits plus petits alimentés par batterie, comme les dispositifs corporels, une plus grande attention est portée à l'impact du suivi temporel sur la consommation d'énergie globale du système. Comme les systèmes doivent continuer d'afficher l'heure même en état de veille consommant le moins d'énergie possible, les concepteurs reconnaissent que l'optimisation de l'alimentation pour le suivi temporel est devenue une exigence primordiale pour ces produits. En même temps, toute solution utile de suivi temporel doit respecter des contraintes strictes en matière de simplicité et d'empreinte de conception.

Compromis liés aux horloges temps réel des microcontrôleurs

Pour certaines applications, les concepteurs peuvent choisir de ne pas ajouter de dispositif à horloge temps réel distinct, mais de compter simplement sur la fonctionnalité d'horloge temps réel intégrée dans de nombreux microcontrôleurs. Bien évidemment, tous les microcontrôleurs n'intègrent pas d'horloge temps réel. Ceux qui en sont équipés nécessitent généralement un réétalonnage périodique de la sortie de l'horloge temps réel pour répondre aux exigences de précision du suivi temporel de l'application. Outre les outils matériels et logiciels supplémentaires nécessaires pour effectuer ce réétalonnage, des erreurs d'horloge peuvent s'accumuler, ce qui génère des horodatages de données incorrects avant que ces erreurs n'atteignent le seuil de réétalonnage.

Même si ces erreurs peuvent être corrigées en synchronisant l'heure du dispositif avec le réseau, les recommandations en matière de conception basse consommation suggèrent de limiter les connexions au réseau pour réduire la durée d'activité des émetteurs-récepteurs radio énergivores. Évidemment, en utilisant la fonctionnalité d'horloge temps réel intégrée au microcontrôleur, les développeurs peuvent avoir à faire de nombreux compromis lors de la création de conceptions basse consommation précises.

Les microcontrôleurs ultrabasse consommation, comme ceux de la gamme Darwin de Maxim Integrated, représentent une solution à ces compromis grâce à leurs fonctionnalités et à leurs capacités conçues spécialement pour un fonctionnement basse consommation (voir l'article Concevoir des dispositifs intelligents plus efficaces : 1re partie – Conception basse consommation avec microcontrôleurs et PMIC). Par exemple, en mode « secours » consommant le moins d'énergie avec son horloge temps réel activée et sans rétention de mémoire SRAM, le microcontrôleur Darwin MAX32660 ultrabasse consommation de Maxim Integrated consomme environ 630 nanoampères (nA) avec une alimentation de 1,8 V. En mode secours (et pour tous ses modes de fonctionnement), le circuit de l'horloge temps réel consomme 450 nA, une valeur inférieure à de nombreux dispositifs à horloge temps réel autonomes.

Pour les développeurs qui cherchent à optimiser l'autonomie batterie, le MAX32660 constitue une option encore plus basse consommation. Si l'horloge temps réel est désactivée en mode secours consommant le moins d'énergie (aucune rétention de mémoire SRAM), le MAX32660 ne consomme que 200 nA à 300 nA. L'écart notable entre cette valeur et la différence entre le courant en mode secours avec horloge temps réel activée (630 nA) et le courant du circuit de l'horloge temps réel (450 nA) est lié à l'activité variable des circuits utilisés dans ces états de fonctionnement spécifiques. Bien évidemment, cette approche signifie que les concepteurs doivent trouver un dispositif à horloge temps réel externe capable de fonctionner de manière plus précise et à un courant plus faible que celui nécessaire pour l'horloge temps réel du microcontrôleur.

La disponibilité de l'horloge temps réel basse consommation MAX31341B de Maxim Integrated permet aux développeurs de tirer pleinement parti des modes de fonctionnement ultrabasse consommation disponibles avec les microcontrôleurs avancés tout en respectant les exigences de précision temporelle, malgré un fonctionnement hors ligne prolongé.

Suivi temporel efficace

Le MAX31341B de Maxim Integrated répond à la demande croissante concernant les dispositifs compacts ultrabasse consommation dans les conceptions alimentées par batterie présentant des contraintes d'espace. Contrairement aux précédentes horloges temps réel, le MAX31341B consomme très peu d'énergie (180 nA) lors de ses opérations de suivi temporel fondamentales tout en intégrant des fonctionnalités essentielles dans un boîtier WLP de 2 mm x 1,5 mm (Figure 2).

Figure 2 : Le MAX31341B de Maxim Integrated consomme un courant de suivi temporel de 180 nA tout en intégrant une fonctionnalité complète d'horloge temps réel dans un boîtier de 2 mm x 1,5 mm. (Source de l'image : Maxim Integrated)

En plus des données de date et d'heure précises, le MAX31341B fournit des fonctionnalités d'alerte basées sur l'heure qui sont utilisées dans de nombreuses applications. La logique de commande sur puce gère un compte à rebours ainsi qu'une paire d'alarmes capables de générer des interruptions de sortie via les broches ØINTA et ØINTB du dispositif. Les développeurs peuvent reconfigurer le dispositif pour utiliser la broche ØINTA en tant qu'entrée CLKIN d'une horloge externe afin de commander le compte à rebours de l'horloge temps réel. De même, la broche ØINTB peut être utilisée en tant que sortie CLKOUT pour générer une onde carrée à une fréquence de sortie programmable définie à l'aide des paramètres de registre sur la valeur souhaitée de compteur divisible.

Le dispositif peut également être programmé pour générer des interruptions en réponse aux entrées au niveau de sa broche d'entrée numérique D1 ou de sa broche d'entrée analogique AIN. En ce qui concerne son entrée analogique, des interruptions sont générées lorsque le signal au niveau de la broche AIN monte ou descend pour atteindre l'une des quatre valeurs de seuil programmées (1,3 V, 1,7 V, 2,0 V, 2,2 V). Lorsqu'il fonctionne dans ce mode, le MAX31341B peut envoyer un signal au processeur hôte, par exemple, lorsque la tension d'alimentation de l'horloge temps réel passe en dessous du seuil ou est restaurée, ce qui permet à l'hôte de prendre les mesures appropriées.

L'entrée AIN joue également un rôle important dans la capacité de gestion de l'alimentation du MAX31341B. Elle permet d'alimenter le dispositif en continu lorsque la source de tension principale n'est plus disponible ou lorsque sa valeur tombe en dessous du seuil. Avec le MAX31341B, les développeurs n'ont qu'à ajouter à leur conception matérielle une source de tension externe, comme une batterie rechargeable ou un supercondensateur. La configuration logicielle correspondante est tout aussi simple à réaliser. Il faut seulement définir un bit dans le registre de gestion de l'alimentation du dispositif pour configurer la gestion d'alimentation automatique du dispositif.

Lorsque le MAX31341B est programmé pour fonctionner dans ce mode, sa broche AIN sert de sortie pour une chaîne de charge lente comprenant une diode sélectionnable, une diode Zener et trois options de trajets de résistance interne pour configurer le niveau de courant de charge souhaité (Figure 3).

Figure 3 : L'horloge temps réel MAX31341B de Maxim Integrated intègre une chaîne de charge lente qui permet aux développeurs de configurer la chaîne et le niveau de courant de charge à l'aide de programmes. (Source de l'image : Maxim Integrated)

En fonctionnement normal dans ce mode, le dispositif consomme le courant de charge lente, généralement de l'ordre de quelques microampères (µA), provenant de la source de tension principale, VCC. En même temps, le MAX31341B surveille à la fois la source VCC et la source de secours, en utilisant le port AIN pour suivre le niveau de tension d'alimentation de secours. Si la source VCC tombe en dessous de la tension mesurée au niveau de la broche AIN, le MAX31341B désactive automatiquement la chaîne de charge lente et active sa source d'alimentation de secours via la broche AIN.

Support de développement

Maxim Integrated soutient les concepteurs intéressés par la configuration matérielle et les capacités programmables du MAX31341B grâce à son kit MAX31341EVKIT, une carte d'évaluation et l'application logicielle d'évaluation correspondante. Comme illustré sur le schéma du kit d'évaluation, les développeurs implémentent la conception matérielle de secours en connectant simplement le MAX31341B directement à la source de tension de secours, qui peut être par exemple le supercondensateur KW-5R5C334-R d'Eaton (Figure 4).

Figure 4 : Cette partie du schéma de la carte MAX31341EVKIT de Maxim Integrated montre que pour avoir une tension d'alimentation de secours pour le suivi temporel, il suffit de connecter directement la broche AIN du MAX31341B à une source de tension rechargeable, comme le supercondensateur KW-5R5C334-R d'Eaton utilisé sur la carte d'évaluation. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Exécuté sur un PC connecté par USB à la carte d'évaluation de l'horloge temps réel MAX31341B, le logiciel d'évaluation fournit un ensemble d'onglets permettant de surveiller les résultats de suivi temporel du dispositif et de configurer les interruptions et les registres. Grâce à ce logiciel, les développeurs peuvent paramétrer le dispositif pour qu'il fonctionne en mode de gestion de l'alimentation et peuvent découvrir les options du dispositif permettant de configurer le trajet de charge lente (Figure 5)

Figure 5 : Le logiciel du kit d'évaluation de l'horloge temps réel MAX31341B de Maxim Integrated fournit une série de menus permettant de configurer les registres du dispositif et de programmer des fonctionnalités spéciales, comme le mode de gestion de l'alimentation et la configuration de la chaîne de charge lente. (Source de l'image : DigiKey)

Comme suggéré sur le schéma illustré à la Figure 4, une conception système créée avec l'horloge temps réel MAX31341B est presque aussi simple que le schéma fonctionnel de l'interface matérielle (Figure 6).

Figure 6 : Les développeurs peuvent ajouter l'horloge temps réel MAX31341B de Maxim Integrated à leur conception système en ajoutant simplement un oscillateur à quartz, une source de tension de secours facultative et quelques composants passifs. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Tout comme pour la source de tension de secours, l'intégration du quartz externe nécessaire ne requiert aucun composant supplémentaire. Contrairement aux précédents dispositifs à horloge temps réel, le MAX31341B permet d'utiliser des quartz avec une résistance série équivalente (ESR) jusqu'à 100 kilo-ohms (kΩ), ce qui permet d'utiliser un plus grand choix de quartz qu'avec les précédents dispositifs.

Du côté hôte, le MAX31341B fournit une simple interface série I²C pour interagir avec un processeur comme le microcontrôleur Darwin MAX32660 de Maxim Integrated. Grâce à cette interface, le code logiciel exécuté sur l'hôte ne nécessite que quelques instructions pour gérer les opérations du MAX31341B et accéder aux données de date et d'heure de manière séquentielle ou d'un seul coup.

Grâce aux dispositifs MAX32660 et MAX31341B, les développeurs peuvent implémenter des conceptions ultrabasse consommation leur permettant de répondre aux besoins de nombreuses applications qui s'appuient sur un suivi temporel précis. En pratique, les erreurs d'horloge temps réel qui proviennent des oscillateurs à quartz typiques peuvent générer des problèmes pour certaines applications, en particulier celles qui doivent fonctionner dans des plages de températures étendues.

Avec les oscillateurs à quartz à diapason utilisés dans les conceptions à horloge temps réel typiques, le taux d'erreur, exprimé en parties par million (ppm), augmente lorsque la température chute ou s'élève par rapport au point d'inversion (le point où le taux d'erreur atteint zéro). Pour la plupart des quartz de 32 kilohertz (kHz), le point d'inversion de température est compris entre 20°C et 30°C. En dehors de cette plage, un quartz typique présente un coefficient de température compris entre -0,02 et -0,04 ppm/°C², ce qui entraîne des taux d'erreur à deux chiffres aux températures élevées et basses que les utilisateurs rencontrent généralement.

Par exemple, la fiche technique du quartz ECS-.327-6-12-TR d'ECS utilisé sur la carte d'évaluation MAX31341EVKIT spécifie des valeurs nominales de température du point d'inversion et de coefficient de température de 25°C et -0,03 ppm/°C², respectivement. Le taux d'erreur de l'horloge temps réel MAX31341B respecte alors ces caractéristiques, comme illustré à la Figure 7.

Figure 7 : Le taux d'erreur de l'horloge temps réel MAX31341B de Maxim Integrated est déterminé par les performances de l'oscillateur à quartz externe et s'éloigne du point d'inversion de température du quartz à un taux déterminé par le coefficient de température du quartz. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Même avec un taux d'erreur de 20 ppm affiché à des températures plus extrêmes, cela équivaut à seulement une minute d'erreur par mois environ pour l'horloge. Bien sûr, l'impact de ce taux d'erreur peut varier de façon significative pour un dispositif corporel de fitness personnel par rapport à un moniteur d'intégrité structurelle embarqué dans un pont, par exemple. Pour les données moins critiques, des corrections périodiques à l'aide de ressources réseau peuvent suffire. Pour les applications critiques, les concepteurs peuvent avoir besoin de compenser l'erreur d'horloge temps réel répercutée dans les horodatages associés aux données critiques ou d'utiliser un oscillateur à quartz compensé en température (TCXO) comme le SIT1552AI-JE-DCC-32.768E de SiTime, qui affiche une stabilité de 5 ppm pour l'ensemble de sa plage de températures de -40°C à +85°C.

Conclusion

La consommation de courant pendant les périodes d'inactivité prolongées est devenue un facteur majeur limitant l'autonomie batterie dans les dispositifs compacts à contraintes d'espace, comme les dispositifs corporels et d'autres produits mobiles. Pendant ces périodes, ces systèmes doivent généralement continuer à afficher avec précision l'heure et la date actuelles, même si la plupart de leurs composants se mettent dans un état de veille basse consommation. En utilisant sa fonctionnalité d'horloge temps réel intégrée, un microcontrôleur ultrabasse consommation peut ne pas être capable d'atteindre son plus bas niveau de consommation d'énergie.

Spécialement conçu pour fournir une solution plus basse consommation, un dispositif à horloge temps réel de Maxim Integrated permet aux développeurs de maintenir des fonctions de suivi temporel précises à des niveaux de l'ordre de quelques nanoampères. Ainsi, lors de ces périodes d'inactivité, les autres composants du système peuvent passer en mode de fonctionnement à la plus basse consommation pour optimiser l'autonomie batterie dans les conceptions mobiles.