Cresce a cada dia o número de aplicações eletrônicas alimentadas por bateria. A necessidade de se obter circuitos que reúnam características de alto desempenho, baixo consumo, simplicidade além de outros exige cuidados especiais do projetista que pretende usar microcontroladores. Diversos fabricantes, como a Texas Instruments, possuem microcontroladores especialmente indicados para essas aplicações, como o MSP430. Veja nesse artigo que pontos importantes devem ser observados quando se projeta uma aplicação que exija um microcontrolador de baixo consumo.
Os equipamentos alimentados por baterias que usam microcontroladores devem ser projetados com um cuidado especial.
Além do baixo consumo o projetista deve olhar para outras características que vão determinar justamente o desempenho do circuito projetado.
Quais são essas características é o que veremos neste artigo baseado em documentação da Texas Instruments.
Eficiência de Processamento
Numa aplicação de baixa potência é muito importante que seja analisado o consumo médio de corrente pois ele determina a durabilidade da bateria.
Para uma aplicação que use uma bateria de 400 mA/h, por exemplo, para uma corrente de 400/8760 (mA/h) = 45,7 uA, que deve ser o consumo para que essa bateria dure um ano.
Uma forma de se obter um baixo consumo médio é considerando-se que muitas aplicações exigem a corrente normal de operação apenas durante curtos intervalos de tempo
Assim, o recurso do “power down” que praticamente corta o consumo quando o circuito está em estado de espera, é muito importante ao se escolher um microprocessador para este tipo de aplicação.
Um recurso comum para determinados microcontroladores é o que deixa um oscilador de baixa frequência em operação além dos periféricos que usam esse clock, no modo de baixo consumo.
Esse recurso pode levar o circuito a consumir apenas 200 nA, alimentando inclusive a RAM.
Clock
Um elemento importante para o consumo de um microcontrolador é o sistema de Clock.
Existem circuitos que entram e saem do modo de baixo consumo de algumas vezes por segundo a centenas de vezes por segundo.
Assim, é muito importante que ao entrar no modo de operação, os dados sejam processados rapidamente, evitando o gasto desnecessário de corrente, na espera de que o clock se torne estável.
Os microcontroladores para esta aplicação possuem clocks que “ligam instantaneamente”, ficando prontos para operação em intervalos menores do que 10 a 20 us.
A diferença entre o que se denomina um clock de acionamento instantâneo e que não seja, deve ser bem entendida pelos projetistas.
Alguns microcontroladores possuem um sistema que despertar o clock em duas etapas. Inicialmente entra em funcionamento um clock de baixa frequência (32,768 kHz) para a CPU enquanto ela espera que o clock de maior frequência se estabiliza.
Isso pode demorar perto de 1 milissegundo.
É claro que CPU se torna operacional em apenas 15 us, mas numa frequência muito mais baixa e portanto ineficiente.
Se a CPU precisar executar umas 25 instruções apenas, isso levará 763 us.
Sabemos que a CPU consome menos com menor velocidade de clock, mas essa vantagem desaparece se ela demorar muito para esse processamento, pois ficará mais tempo alimentada.
Existem, entretanto, microcontroladores que podem colocar o clock de alta frequência em apenas 6 us, precisando então de apenas 9 us para processar as mesmas 25 instruções.
Esses mesmos microprocessadores podem ainda fornecer diversas fontes de clock para os periféricos, para que eles operem de forma independente quando o microprocessador está em condição de baixo consumo.
Energia para os Periféricos
Um outro problema a ser considerado é o consumo dos periféricos.
Uma observação feita pela Texas em documentação técnica sobre o assunto alerta que muitos microcontroladores ditos de baixo consumo na verdade são microcontroladores antigos “retrofitados” para novas aplicações com uma arquitetura não apropriada para aplicações de baixo consumo.
Outros, por outro lado tem recursos de baixo consumo desde o momento em que são ligados até a possibilidade de habilitar ou desabilitar periféricos conforme seja necessário.
Em alguns casos isso é até feito de modo automático, o que melhora ainda mais o desempenho do microprocessador em termos de consumo.
Existe ainda o recurso “brownout” que resseta o microprocessador quando a alimentação se reduz saindo da faixa normal de operação.
Temos ainda a considerar as correntes de fuga que são importantes nas aplicações de baixo consumo.
Muitos microcontroladores retrofitados de baixo consumo têm correntes de fuga de entrada elevadas, da ordem de 1 uA, o que significa um consumo de 20 uA para um dispositivo de 20 entradas.
Os microcontroladores projetados especificamente para aplicações de baixo consumo têm correntes de fuga de no máximo 50 nA.
8 ou 16 bits?
Se bem que a crença de que um microcontrolador de 16 bits precisa do dobro da memória de um de 8 bits e isso já significa uma certa desvantagem, não é apenas isso que deve ser considerado quando escolhemos um para uma aplicação de baixo consumo.
O que ocorre é que se a aplicação exigir a operação conjunta com um conversor A/D de 10 bits, serão preciso dois ciclos de operação para o processamento de cada amostragem feita.
Da mesma forma, para uma aplicação que exija um processamento de 16 bits, as instruções serão executadas mais lentamente.
Mas, o problema maior é que o tempo exigido não é proporcionalmente maior para um microprocessador de menor quantidade de bits.
Assim, com um clock de 1 MHz, um microprocessador de 16 bits precisa de 6 us para mover dados, enquanto que um de 8 bits precisa de 24 us.
Justifica-se dessa forma que em breve teremos novas gerações de microprocessadores de baixo consumo operando até com 32 bits.
Conclusão
Não é fácil escolher um microprocessador para uma aplicação de baixo consumo.
O projetista deve analisar todos os itens que abordamos neste artigo para que a melhor escolha possa ser feita, com um microprocessador moderno que atenda às suas necessidades num projeto que realmente tenha o melhor desempenho.
