מערכת אספקת מתח גמישה עבור מיקרו בקרים המיועדים לשווקים בהם יש חשיבות למחיר

שטפן שאואר,
טקסס אינסטרומנטס

את השיקולים בנוגע לתכנון של ספקי כוח עבור כל מיקרו בקר יש לערוך בתשומת לב, על מנת לאפשר פעולה יציבה ואמינה במשך כל אורך החיים של המוצר. אורך החיים של המוצר יכול להגיע לכמה עשרות שנים בתלות בסוג היישום שבו הוא משמש. את ספקי הכוח יש לתכנן מתוך כוונה לקבל את הנצילות הטובה ביותר, העלות הנמוכה ביותר ואת הגודל הקטן ביותר, ובזמנים מסוימים גם יכולת התאוששות מהירה שמספיקה כדי לעמוד בתנאי סביבה קשים ובמצבים של ניסיון חבלה. כאשר מדובר ביישומים שקשורים במדידות ובחיובים כספיים, יש צורך לקבל כמה אישורים, והאיכות הנדרשת מהתכנון באופן כללי, גבוהה במידה רבה מאוד. כל המאפיינים האלו חלים על מודדים שמתוכננים למדוד צריכת גז, אנרגיה או מים. למודדים אלו יש תקנות מחמירות ביותר שמשולבות בדרישות מערכת גבוהות מאוד, ובלחץ רב להפחתת העלויות של המוצרים.
במודדי אנרגיה אלקטרונים, הדרישות שמעמידים בפני מערכת אספקת מתח יהיו קיצוניות ביותר, מפני שהספקים מחוברים באופן ישיר לקו חשמל של מתח חילופין (AC), שבו אפשר למצוא רמה גבוהה של הפרעות, של אותות מתחי פרצים ונחשולים. למודדים כאלו יש, לעתים קרובות, כמה מקורות אספקה ראשוניים, מקורות משניים, ומקורות אספקה לגיבוי, ולכן מערכות ספקי הכוח חייבות להיות גמישות ובעלות יכולת לעבור בצורה חלקה למצבי פעולה שונים. כמובן, שבמהלך פעולה רגילה (מצב מדידה), מאחר שרשת חשמל ה- AC זמינה, המקור של ספק הכוח המשמש את המערכת כולה יכול לבוא ממנה, על אף שבתלות בדרישות אזוריות, ייתכן שיידרשו עוד כמה ספקים אחרים. אחת הדרישות הנפוצות ביותר היא מידת זמינותה של אספקה ייעודית עבור שעון זמן אמת (RTC) ולוח שנה, שנמצאים בתוך בקר המיקרו. כל זה נדרש עבור מודדים שתומכים בשינוי תעריפי ועליהם לעקוב אחר הזמן בפועל, באופן מדויק מאוד. על מנת להבטיח ששעון זמן אמת פועל תמיד בצורה נכונה, בכמה ארצות (למשל בתורכיה ובהודו) יש דרישה לפיה, לשעון זמן אמת צריך להיות מקור מתח עצמאי,יציב ותמיד במצב פועל (on) שפועל אל-פסק.
איור 1 מציג דיאגרמת בלוקים של מד אנרגיה אלקטרוני חד פאזי אופייני, שמחובר אל רשת חשמל במתח חילופין. במהלך אורך החיים של מודד כזה, יחידת המדידה צריכה לפעול במצבי פעולה שונים:

1. מצב מדידה, מתח חילופין זמין דרך קו חשמל:
זה המקור הנפוץ ביותר של חשמל עבור מד אנרגיה. כמובן, קיימת הרבה אנרגיה זמינה כאשר המודד מחובר לרשת חשמל במתח חילופין, וקל מאוד לקבל את הזרם הנדרש להפעלת האלקטרוניקה שבמודד (בקר המיקרו). ואולם, קיימת גם דרישה לספק את מערכת האספקה הזו כך שתהיה כדאית מבחינת עלותה ככל האפשר. לכן, הספק מתוכנן לא פעם כספק קיבולי פשוט, במקום להשתמש בשנאי מגושם ויקר, כדאי להמיר את מתח החילופין למתח מתאים עבור הבקר. עם זאת, סוג כזה של מעגל יכול לשמש רק אם הזרם הנדרש של היישום יישאר מתחת לגבול מסוים של 10 – 15 מילי אמפר, שהוא הזרם המרבי שאפשר למשוך ממחלק מתח קיבולי בעלות מזערית.

2. שעון זמן אמת בלבד/מצב מדף:
במצב זה, רק מערכת שעון אמת צריכה לקבל אספקה של מתח, כדי להבטיח שהזמן, בשניות, ימשיך להתעדכן בתוך היישום בצורה נכונה, ושצריכת הזרם מהספק תהיה הנמוכה ביותר. כמובן, שלמצב זה נדרש שכל ההתקנים ההיקפיים האחרים הנמצאים בחומרה שבתוך בקר המיקרו יישארו ללא אספקת חשמל (באופן לא יזום) דרך ספק כוח ייעודי זה. בנוסף, נדרש גם שכל תכונות התוכנה האחרות שביישום יהיו מבודדות היטב ומבוקרות. ודרישה חשובה נוספת, היא ששעון זמן אמת יוכל לפעול ללא הפרעה לאורך כל זמן חיי המודד. לצורך זה, הסוללה הייעודית של שעון זמן אמת יוכל לספק מתח במשך עד 12 שנים. כל זאת מתוך הנחה שהתרחיש הגרוע ביותר, לפיו המודד מאוחסן על מדף במשך כמעט כל אורך חייו מסיום תהליכי הייצור והכיול, והוא מותקן או נכנס לפרישה ממש לפני סוף חיי הסוללה.

3. מצב קריאת מונה, אספקת מתח החילופין חסר או במצב כבוי:
בנוסף, חלק מהמודדים צריכים לספק יכולת לבצע קריאת מונה, אף אם אספקת מתח חילופין מרשת החשמל אינה זמינה, או שהיא הועברה למצב כבוי. בתרחיש זה, גם לאחר אובדן מתח החילופין, ספק האנרגיה יוכל לקבל בקלות את מצב המודד וכמות האנרגיה שנצרכה השמורה בזיכרון.

4. מצב חיסכון סוללה – הזמן שבין ההלחמה לבין האתחול והתכנות הראשונים:
ברוב המקרים כאשר המודד נמצא בתהליך הרכבה, מחברים את הסוללה במהלך שלב ייצור זה, שבו מלחימים את הרכיבים עם החיבורים שעוברים דרך המעגל המודפס. עם זאת, האתחול והתכנות הראשונים של בקר המיקרו ייעשו בשלב מאוחר יותר. במהלך הזמן שבין שני שלבים אלו, אשר בו אין קוד מתוכנת בבקר המיקרו, היישום נותר לא מאותחל והסוללה עלולה להתפרק במהירות, ובכך, להקטין במידה רבה את אורך החיים של שעון זמן אמת ואורך חיי מצב אחסון במדף. על מנת להימנע מכך, ספק הכוח צריך לנקוט פעולות מתאימות כדי למנוע כל פריקה משמעותית של הסוללה שעלולה להיות במשך זמן זה.
מערכת ספק הכוח עזר המשולבת (AUX) שנמצאת בתוך בקר המיקרו MSP430F6736 פותרת את המצב הבלתי רגיל הזה, באמצעות שיטת המיתוג הגמישה שלה. למערכת AUX יש נקודות חיבור ייעודיות , (AUX0 ,AUX1 AUX2 ו-AUX3) עבור מקורות מרובים של מתח. לדוגמה, כניסת האספקה AUX2 אינה מאפשרת למערכת להתחיל לפעול מהכניסה שלה, באופן עצמאי. כניסה זו אינה יכולה להתחיל את פעולת המערכת, אלא אם זו הופעלה קודם לכן מכניסת אספקה אחרת. אפשר לבחור באספקת מתח זו, רק כאשר מתבצע מיתוג מאספקת מתח (AUX0 או AUX1) פעילה כבר. איור 2 מראה את הארכיטקטורה הפנימית של מערכת AUX בתוך בקר המיקרו.
בנוסף למערכת אספקת מתח אופיינית המחוברת לעולם החיצוני, מקור אחר יכול להיות סוללה נטענת או קבל נטען (SuperCap). כאשר משתמשים בספק כזה, נדרשות למערכת כמה פונקציות נוספות שמאפשרות פעולה אמינה וקלה. ראשית, על מעגל המטען לטעון ולשמור את האנרגיה האגורה במקורות אלו. מעגל המטען שבתוך בקר המיקרו מקבל את המתח שלו מאספקת המתח הראשית שבחיבור DVCC. על מנת למנוע נפילת מתח חמורה ביותר של ספק הכוח הראשי, הזרם המרבי שנמשך מספק הכוח הראשי במהלך טעינה חייב להיות מבוקר ו/או מוגבל. לבסוף, על מנת ליצור בקרת עומס והגנה מפני עומס יתר, יש למדוד ולנטר את המתח של אספקת המתח. MSP430F6736 מספק את התכונות האלו עם מטען התנגדותי משולב, ואת ניטור המתח אפשר לבצע באמצעות ממיר ADC ל-10 סיביות המשולב.
איור 3 מציג פרופיל טעינה ומיתוג אופייני במערכת AUX. המתח DVCC נחשב לאספקת המתח הראשית, AUX1 היא נקודת חיבור אספקת מתח הגיבוי הראשון, שהוא למשל, יכול להיות מסופק על ידי נתיב הזרם של מד האנרגיה ויחידת נטענת מחוברת ל-AUX2. התרשים מראה כמה תרחישים שמתרחשים באופן אופייני במהלך תקופת הפעולה של היישומים כאשר רמות המתח בנקודות אספקת המתח היחידות משתנות, ולעיתים הן עוברות למצב כבוי לחלוטין. חשוב שתמיד אספקת מתח אחת לפחות תהיה קיימת כדי למלא את מקומה של האספקה עבור החלקים החשובים ביותר של מעגל היישום.
תעריפים תלויי זמן עבור אספקת אנרגיה הופכים להיות יותר במוקד העניין, מאחר שתחנות כוח חשמליות יכולות לפעול בנצילות הגבוהה ביותר, אם עליהן לספק כמות חשמל יציבה ורציפה על פני היממה כולה. מצד שני, לחלק מסוגי התעשייה נדרשת אנרגיה במהלך היום בלבד, וזאת לעומת תחנות הכוח, אשר להן יש אנרגיה רבה ומאוד זמינה במהלך הלילה. על מנת להשיג איזון טוב יותר, ספקי שירות האנרגיה מציעים מחיר נמוך יותר עבור אנרגיה שמשמשת בלילה, אשר בה יכולים להשתמש לקוחות אחרים שאינם תעשייתיים או לקוחות פרטיים. שיטה כדאית זו מעודדת את משקי הבית הרגילים לצייד את מדי האנרגיה שלהם בתכונות, שמכירות ומתעדות את צריכת האנרגיה במהלך פלחי הזמן השונים של יום מסוים. באופן כזה, הצורך בשעון זמן אמת (TRC) מדויק, הופך להיות לצורך שהוא בבחינת חובה. לכן, שעון אמת חייב לפעול ללא הפסקה במהלך אורך החיים כולו של המודד. עם זאת, מצב כזה דורש אספקת מתח חלקה עבור שעון זמן האמת ועבור מעגל אות השעון או המתנד הקשורים אליו. יש חיסכון נוסף בעלות, אם שעון זמן אמת זה משולב כהתקן היקפי בחומרה בבקר המיקרו. קיימות כמה ממשלות שכבר החלו לדרוש שלשעון זמן אמת כזה תהיה אספקת מתח משלו, ייעודית, נפרדת ממערכת אספקת המתח האחרת הקיימת במודד. אספקת זו מצוינת בתור AUX3 באיור 1 ובאיור 2 והיא מהווה חלק ממערכת AUX.
כפי שצוין בדיון זה, למערכת מדידה אלקטרונית לאנרגיה יש צורך במערכת אספקת מתח ייעודית מאוד וגמישה מאוד, עם דרישות רבות ושונות. משפחת בקרי המיקרו Ultra-Low-Power (להספק נמוך ביותר) -MSP430F673x- היא בעלת יכולת רבה ביותר, ועם זאת, כדאית מבחינת העלות וקלה למימוש עבור מערכת של מודד אנרגיה. את כל הפונקציות החיוניות של מערכת אספקת המתח אפשר לממש עם מודול אספקת מתח העזר המשולב. אפשר להוסיף תכונות נוספות שמיועדות להגדיל את יציבות היישום באמצעות שימוש בהתקנים היקפיים אחרים שזמינים על ההתקן, כמו למשל הממיר ADC10 לצורך מדידת מתח האספקה או לצורך פיקוח על מתח האספקה. כך מתאפשרת יצירה של פתרון מערכת קומפקטית ופשוטה, מבלי להידרש לרכיבים חיצוניים נוספים רבים.