Verbeter de levensduur van batterijen in wearables door efficiënte tijdmeting tijdens inactiviteit

Voor veel gebruiker is de levensduur van de batterij van wearables en andere persoonlijke elektronische apparaten een essentiële factor bij het nemen van een aankoopbeslissing. Om de levensduur van batterijen te verbeteren, richten ontwikkelaars zich doorgaans op de periode dat het apparaat inactief is, omdat microcontrollers en andere stroomverbruikende componenten dan in een energiebesparende slaapstand staan tot ze weer nodig zijn. Maar zelfs in de diepste slaapstand hebben systemen een nauwkeurige realtimeklok (Real-Time Clock, RTC) nodig om de tijd bij te houden en kalendergebeurtenissen te beheren.

Hoewel ontwikkelaars verschillende opties hebben om nauwkeurige tijdmeting in slaapstand te realiseren, zijn er maar een paar die aan de nieuwe vereisten voor lager energieverbruik en kleiner ontwerp voldoen.

Dit artikel legt uit hoe ontwikkelaars een energiezuinige RTC-chip van Maxim Integrated in samen met een ultra-low-power microcontroller kunnen gebruiken om de levensduur van batterijen in wearables, IoT-apparaten (Internet of Things) en andere producten waarbij grootte en stroomverbruik belangrijk zijn, te verlengen.

Eenvoudige tijdmeting

RTC’s spelen een fundamentele rol in de meeste ontwerpen die aan de hand van een real-world klok of kalender met gebruikers of andere systemen communiceren. De RTC, een combinatie van een kristaloscillatorschakeling en een reeks registers waarin datum- en tijdgegevens uit een aftelcircuit zijn opgeslagen, staat hierbij centraal (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een eenvoudige RTC-tijdschakeling waarin een aftelcircuit wordt gestuurd door een kristaloscillator die registers met datum- en tijdwaarden bijwerkt. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Aan de hand van dit basisontwerp zijn RTC-componenten ontwikkeld die een reeks functies bieden om aan verschillende toepassingsbehoeften voor tijdmeting en functionaliteit te voldoen. Tegenwoordig hebben ontwikkelaars de keuze uit RTC-componenten voor verschillende bedrijfsspanningen en interne geheugencapaciteiten en met een uitgebreide reeks functies die veel verder gaan dan alleen tijd en datum.

Maar voor steeds meer toepassingen is tijdmeting niet de enige bepalende factor voor het selecteren van een RTC. Omdat ontwerpers inspelen op de vraag naar kleinere, oplaadbare producten zoals wearables, wordt het effect van tijdmeting op het totale energieverbruik steeds belangrijker. Systemen moeten zelfs in de diepste slaapstand de tijd kunnen onthouden en ontwerpers erkennen dat het optimaliseren van het stroomverbruik voor tijdmeting een kritieke vereiste is voor deze producten. Ook moeten bruikbare tijdmetingsoplossingen voldoen aan de strenge ontwerpeisen voor eenvoud en grootte.

Microcontroller of RTC

Voor sommige toepassingen kunnen ontwerpers er eenvoudig voor kiezen de RTC-functionaliteit te gebruiken die in veel microcontrollers is ingebouwde, in plaats van een aparte RTC. Natuurlijk bevatten niet alle microcontrollers een ingebouwde RTC. De microcontrollers die er wel een hebben, vereisen doorgaans periodieke herkalibratie van RTC-output om aan de nauwkeurigheidseisen voor tijdmeting voor de toepassing te voldoen. Behalve de extra hardware en software die nodig zijn voor de herkalibratie, kunnen een veelvoud aan klokfouten resulteren in een onjuiste tijdvermelding voordat fouten de drempel voor herkalibratie bereiken.

Hoewel deze fouten kunnen worden gecorrigeerd door de tijd van het apparaat te synchroniseren met het netwerk, is het bij energiezuinige ontwerpen beter om het aantal netwerkverbindingen te beperken zodat radio-ontvangers die veel stroom verbruiken zo kort mogelijk actief zijn. Het is duidelijk dat het gebruik van de geïntegreerde RTC-functionaliteit van een microcontroller veel te wensen overlaat voor ontwikkelaars die werken aan nauwkeurige energiezuinige ontwerpen.

Ultra-low-power microcontrollers zoals de Darwin-familie van Maxim Integrated komen aan deze bezwaren tegemoet met eigenschappen en functies die speciaal ontworpen zijn voor laag energieverbruik (zie Build More Effective Smart Devices: Part 1 – Low-Power Design with MCUs and PMICs). Zo verbruikt de ultra-low-power MAX32660 Darwin microcontroller van Maxim Integrated bijvoorbeeld in de laagste stroomstand (de back-upmodus) met de RTC ingeschakeld en zonder SRAM-retentie circa 630 nanoampère (nA) bij een spanning van 1,8 volt. In back-upmodus (en in alle bedrijfsmodi) trekt de RTC-schakeling 450 nA, wat minder is dan de meeste standalone RTC-componenten.

Voor ontwikkelaars die werken aan een maximale levensduur van de batterij biedt de MAX32660 een nog lagere stroomoptie. Als de RTC is uitgeschakeld in de back-upmodus (zonder SRAM-retentie), verbruikt de MAX32660 namelijk slechts 200 tot 300 nA. De ogenschijnlijke discrepantie tussen deze waarde en het verschil in stroomverbruik in de back-upmodus met RTC ingeschakeld (630 nA) en de RTC-schakelingstroom (450 nA) heeft betrekking op de variërende activiteit in schakelingen die bij deze specifieke bedrijfstoestanden betrokken zijn. Dit betekent uiteraard dat ontwerpers een externe RTC moeten zien te vinden die nauwkeuriger en bij lagere stroom kan werken dan de RTC in de microcontroller.

Dankzij de MAX31341B energiezuinige RTC van Maxim Integrated kunnen ontwikkelaars optimaal gebruik maken van de allerlaagste stroomstanden in geavanceerde microcontrollers en toch voldoen aan de vereisten voor kloknauwkeurigheid, ondanks dat ze langere tijd offline zijn.

Efficiënte tijdmeting

De MAX31341B van Maxim Integrated voorziet in de groeiende behoefte aan kleine ultra-low-power RTC’s voor oplaadbare ontwerpen met beperkte afmeting. De MAX31341B verbruikt, in tegenstelling tot eerdere RTC’s, slechts 180 nA tijdens de fundamentele tijdmeting en biedt essentiële functionaliteit in een kleine waferniveaubehuizing (Wafer-Level Package, WLP) van 2 millimeter (mm) x 1,5 mm (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De MAX31341B van Maxim Integrated verbruikt een stroom van 180 nA voor tijdmeting met volledige RTC-functionaliteit in een behuizing van 2 mm x 1,5 mm. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Naast nauwkeurige datum- en tijdgegevens biedt de MAX31341B op tijd gebaseerde waarschuwingsfuncties die in veel toepassingen worden gebruikt. De op de chip geïntegreerde besturingslogica bevat een afteltimer en een tweetal alarmen die via de ØINTA- en ØINTB-pennen output interrupts kunnen genereren. Ontwikkelaars kunnen het component opnieuw configureren zodat ØINTA als de CLKIN-input voor een externe klok wordt gebruikt om de RTC-teller aan te sturen. Op dezelfde manier kan ØINTB als CLKOUT worden gebruikt en een blokgolf genereren met een programmeerbare outputfrequentie die via registerinstellingen wordt ingesteld op de gewenste deler (divide-by counter).

Ook kan hij worden geprogrammeerd om interrupts te genereren als reactie op inputs op de digitale D1-ingangspen of de analoge AIN-ingangspen. Interrupts op de analoge ingang worden gegenereerd wanneer het signaal op AIN tot een van de vier geprogrammeerde drempelwaarden (1,3 volt, 1,7 volt, 2,0 volt of 2,2 volt) stijgt of daalt. In deze modus kan de MAX31341B bijvoorbeeld een hostprocessor signaleren wanneer de RTC-voedingsspanning onder de drempelwaarde valt of is onderbroken geweest, zodat de host de juiste actie kan ondernemen.

De AIN-input speelt ook een belangrijke rol bij het stroombeheer van de MAX31341B die de mogelijkheid biedt om de voeding te handhaven als de primaire spanningsbron niet beschikbaar is of onder de drempelwaarde daalt. De MAX31341B is eigenlijk een externe spanningsbron, zoals een oplaadbare batterij of supercondensator, die eenvoudig door ontwikkelaars aan het hardwareontwerp kan worden toegevoegd. Ook de bijbehorende software-installatie is eenvoudig en vereist slechts een paar instellingen in het stroombeheerregister van het component om deze te configureren voor automatisch stroombeheer.

In deze modus dient de AIN-pen van de MAX31341B als de uitgang van een druppellaadcircuit (trickle-charge chain) bestaande uit een selecteerbare diode, Zener, en keuze uit drie interne weerstandspaden voor het instellen van het gewenste laadstroomniveau (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De MAX31341B RTC van Maxim Integrated integreert een druppellaadcircuit waarmee ontwikkelaars de configuratie van de keten en het laadstroomniveau kunnen programmeren. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Bij normaal gebruik trekt het component in deze modus doorgaans een paar microampère (µA) druppellaadstroom van de primaire spanningsbron, VCC. Tegelijkertijd bewaakt de MAX31341B zowel de VCC als de back-upvoeding met behulp van de AIN-poort om het spanningsniveau van de back-upvoeding te volgen. Als de VCC onder de gemeten spanning op de AIN-pen daalt, schakelt de MAX31341B automatisch het druppellaadcircuit uit en wordt de voeding via AIN overgeschakeld naar de back-up.

Ontwikkelingsondersteuning

Maxim Integrated ondersteunt ontwikkelaars die geïnteresseerd zijn in de hardwareconfiguratie en programmeerbaarheid van de MAX31341B met de MAX31341EVKIT, een evaluatieboard en bijbehorende evaluatiesoftware. Zoals het evaluatiekitschema laat zien, kunnen ontwikkelaars het back-uphardwareontwerp implementeren door de MAX31341B rechtstreeks aan te sluiten op een back-upvoeding zoals de KW-5R5C334-R supercondensator van Eaton (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Dit gedeelte van het schema voor het MAX31341EVKIT-evaluatieboard van Maxim Integrated illustreert dat voor een back-upvoeding de MAX31341B alleen een directe verbinding nodig heeft van de AIN-pen naar een oplaadbare spanningsbron zoals de op het evaluatieboard gebruikte KW-5R5C334-R supercondensator van Eaton. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

De evaluatiesoftware draait op een pc die via USB op het MAX31341B RTC-evaluatieboard is aangesloten en biedt een reeks tabbladen voor het bewaken van de tijdmeting en het instellen van interrupts en registers. Met behulp van deze software kunnen ontwikkelaars de RTC instellen zodat hij in de stroombeheermodus werkt en tevens de verschillende opties voor het configureren van het druppellaadcircuit verkennen (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De software voor de MAX31341B RTC-evaluatiekit van Maxim Integrated bevat een reeks menu's voor het instellen van registers, programmeren van speciale functies zoals stroombeheermodus en configureren van het druppellaadcircuit. (Bron afbeelding: DigiKey)

Zoals het schema in afbeelding 4 laat zien, is een systeemontwerp met de MAX31341B bijna net zo eenvoudig als het functionele blokdiagram van de hardware-interface (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Ontwikkelaars kunnen de MAX31341B RTC van Maxim Integrated aan hun systeemontwerp toevoegen met behulp van een kristaloscillator, een optionele back-upvoeding en een aantal passieve componenten. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Net als voor de back-upvoeding zijn voor de integratie van het vereiste externe kristal geen extra componenten nodig. In tegenstelling tot eerdere RTC’s maakt de MAX31341B gebruik van kristallen met een equivalente serieweerstand (ESR) van maximaal 100 kilo-ohm (kΩ), wat een grotere keuze aan kristallen mogelijk maakt dan met die eerdere apparaten.

Wat de host betreft, biedt de MAX31341B een eenvoudige I²C seriële interface voor interactie met een processor zoals de MAX32660 Darwin microcontroller van Maxim Integrated. Met deze interface heeft de software op de host slechts enkele opdrachten nodig om de MAX31341B te beheren en de tijd- en datumgegevens op te halen, opeenvolgend of in één burst.

Dankzij de MAX32660 en MAX31341B kunnen ontwikkelaars ultra-low-power ontwerpen implementeren die voldoen aan de behoeften van veel toepassingen die afhankelijk zijn van nauwkeurige tijdmeting. In de praktijk kunnen RTC-klokfouten die te maken hebben met kristaloscillators voor sommige toepassingen tot problemen leiden, met name voor toepassingen die bij hoge én lage temperaturen moeten werken.

Bij het afstellen van stemvorkkristaloscillators die worden gebruikt in typische RTC-ontwerpen, neemt de klokfout, uitgedrukt in delen per miljoen (ppm), toe naarmate de temperatuur daalt of stijgt ten opzichte van de turnover-temperatuur (het punt waar de verandering in de foutfrequentie nul nadert). Voor de meeste kristallen van 32 kilohertz (kHz) ligt de turnover-temperatuur tussen 20 °C en 30 °C. Buiten dit bereik hebben de meeste kristallen een temperatuurcoëfficiënt tussen -0,02 en -0,04 ppm/°C², wat resulteert in grotere foutfrequenties bij de hoge en lage temperaturen die gebruikers naar alle waarschijnlijkheid zullen tegenkomen.

Het gegevensblad van het ECS-.327-6-12-TR kristal van ECS dat op het MAX31341EVKIT-evaluatieboard wordt gebruikt, geeft een nominale waarde weer van 25 °C voor turnover-temperatuur en -0.03 ppm/°C² voor de temperatuurcoëfficiënt. De foutfrequentie van de MAX31341B RTC-klok volgt deze eigenschappen, zoals weergegeven in afbeelding 7.

Afbeelding 7: De klokfout van de MAX31341B RTC Maxim Integrated wordt bepaald door de prestaties van de externe kristaloscillator. De mate waarop de klokfout aan beide zijden van de turnover-temperatuur van het kristal daalt, wordt bepaald door de temperatuurcoëfficiënt van het kristal. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Zelfs bij een foutfrequentie van 20 ppm bij extreme temperaturen bedraagt de bijbehorende klokfout slechts circa één minuut per maand. Uiteraard kan het effect van een dergelijke foutfrequentie aanzienlijk variëren tussen bijvoorbeeld een persoonlijke fitnessarmband en een ingebouwde structurele integriteitsmonitor in een brug. Voor minder kritieke gegevens kunnen periodieke correcties met netwerkbronnen volstaan. Maar voor kritieke toepassingen moeten ontwerpers ofwel ter compensatie van de RTC-fout de tijdvermeldingen voor kritieke gegevens aanpassen of een temperatuur gecompenseerde kristaloscillator (TCXO) gebruiken zoals de SIT1552AI-JE-DCC-32.768E van SiTime, met een gespecificeerde stabiliteit van 5 ppm over het gehele temperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C.

Conclusie

Stroomverbruik tijdens langere perioden van inactiviteit is een belangrijke factor voor de levensduur van de batterij in kleine apparaten met beperkte ruimte, zoals wearables en andere mobiele producten. Gedurende deze perioden is belangrijk dat systemen de juiste tijd en datum nauwkeurig handhaven, zelfs als de meeste componenten in slaapstand gaan. Bij gebruik van de geïntegreerde realtimeklok is het mogelijk dat een ultra-low-power microcontroller niet het meest energiezuinige niveau kan bereiken.

Een speciaal ontworpen RTC van Maxim Integrated biedt een low-power oplossing waarmee ontwikkelaars nauwkeurig tijdfuncties kunnen handhaven bij een stroomverbruik van maar enkele nanoampère. Hierdoor kunnen andere systeemcomponenten tijdens inactieve perioden in de laagste bedrijfsmodi blijven wat leidt tot een maximale levensduur van de batterij in mobiele producten.