Постоянным читателям новостей сайта Терраэлектроника компания Cymbet хорошо знакома благодаря твердотельным аккумуляторам, о которых подробно рассказывалось в статье «Твердотельные аккумуляторы от Cymbet. Миниатюрная альтернатива суперконденсаторам». Вторым важным направлением деятельности Cymbet является разработка сверхнизкопотребляющих часов реального времени (RTC). Последней новинкой, представленной компанией, стало семейство микросхем RTC с встроенным зарядным устройством CBC921xx.
Портативные мобильные устройства, такие как смартфоны и планшеты, давно стали неотъемлемыми атрибутами современной повседневной жизни. Более того, в последнее время появился особый класс «носимой электроники», к которому относят сверхкомпактные и легкие гаджеты, например, умные часы и фитнес-трекеры. Все это стало возможным благодаря внедрению различных прорывных технологий, в том числе и тех, которые обеспечили снижение уровня потребления.
Процесс сокращения потребления является непрерывным – то есть, каким бы низким не было потребление устройства, разработчики все равно будут стремиться сделать его еще меньше. При этом в ход идут все доступные способы: совершенствование интегральных технологий для уменьшения токов утечки, снижение рабочих напряжений, применение новых полупроводниковых материалов, использование технологий с субпороговыми напряжениями (пример – AmbiqMicro), оптимизация архитектуры микросхем, реализация спящих режимов, совершенствование схемотехнических решений и т. д.
Не нужно быть инженером, чтобы понять, что любая микросхема меньше всего потребляет, находясь в выключенном состоянии. Действительно, если питание физически отключено, то потребление определяется токами утечки, которые могут лежать в наноамперном диапазоне (и даже ниже). Для реализации такого сценария требуется контроллер питания, который при необходимости полностью отключает питание той или иной микросхемы (или группы микросхем). Однако существует ряд функций, например, часы и календарь, которые крайне желательно сохранять в рабочем состоянии, даже когда аккумулятор полностью разряжен (или временно отсутствует). Эта задача решается за счет двухдоменной системы питания с резервным аккумулятором.
Рассмотрим пример устройства, в котором пРисутствуют два элемента питания: основной – с большой емкостью и резервный – с малой. В штатной ситуации все функциональные блоки работают от основного аккумулятора или батарейки. Однако когда основной аккумулятор разряжается или происходит замена батареек, в дело вступает резервный источник питания, например, твердотельный аккумулятор. К сожалению, возможности твердотельного аккумулятора не безграничны. В частности, CBC050 от Cymbet хотя и имеет минимальный саморазряд (2.5% в год) и компактные размеры (5.7 × 6.1 × 0.2 мм), но его емкость составляет «всего» 50 мкА·ч. На самом деле 50 мкА·ч – это хороший результат, однако этого явно недостаточно даже для питания сверхнизкопотребляющей электроники умных часов. Поэтому энергия резервного элемента питания должна расходоваться только на ограниченный набор компонентов, в частности RTC. Так как потребление RTC может быть очень низким, то емкости твердотельного аккумулятора хватает надолго. Подробнее об особенностях твердотельных аккумуляторов рассказывается в статье «Твердотельные аккумуляторы от Cymbet. Миниатюрная альтернатива суперконденсаторам».
На бумаге все выглядит просто и логично, однако реализация двухдоменной системы питания с резервным аккумулятором оказывается достаточно сложной. Во-первых, разработчику необходимо создать схему коммутации, переключающей линии питания между аккумуляторами. Во-вторых, для резервного аккумулятора потребуется свое зарядное устройство. В-третьих, для работы управления дополнительными элементами нужен свой контролер. Проблем много, но к счастью появляются простые и адекватные решения, например, CBC921xx – семейство микросхем RTC со встроенным зарядным устройством от Cymbet. Благодаря своему опыту Cymbet не понаслышке знает об особенностях твердотельных аккумуляторов и малопотребляющих RTC.
На Рис. 1 представлена структура устройства с двухдоменной системой питания. Как видно, электронные компоненты одного из доменов питаются только от основного аккумулятора. Компоненты из второго домена в нормальном режиме также питаются от основного аккумулятора, однако при его разряде (или выключении устройства) происходит переключение на резервный аккумулятор. Главное, что бросается в глаза в данной схеме – это ее простота. В ней отсутствуют силовые ключи, микросхема зарядного устройства и вспомогательная электроника. Все дело в том, что все перечисленные компоненты входят в состав CBC921.
 |
|
| Рис. 1. | Микросхемы CBC921 позволяют создать двухдоменную систему питания. |
Коммутация между элементами питания происходит с помощью встроенных силовых ключей (Рис. 2). В качестве основного источника питания может выступать аккумулятор или батарейка с напряжением 2.85…5.5 В. Это напряжение поступает на вход VDD микросхемы CBC921. Встроенный силовой ключ отвечает за подключение зарядного устройства к резервному аккумулятору с напряжением 4.1 В или 3.2 В (в зависимости от модели CBC921xx). При этом никакой дополнительной внешней обвязки зарядное устройство не требует. Второй интегрированный ключ коммутирует выходное напряжение резервного аккумулятора на выход VOUT через дополнительный диод. В результате в схеме на Рис. 1 основной и резервный аккумуляторы оказываются подключенными по схеме монтажного «ИЛИ». Для адаптивного управления зарядом резервного аккумулятора используются 10-битный АЦП и встроенный датчик температуры, который нужен для температурной компенсации.
 |
|
| Рис. 2. | В составе CBC921 присутствует не только RTC, но и зарядное устройство, система управления питанием со встроенным АЦП, силовые ключи, RC-генератор, коммуникационные интерфейсы. |
Здесь стоит сразу оговориться, что состав функциональных блоков, интерфейс и выходное напряжение заряда зависят от конкретной модели CBC921xx:
- CBC92100С – Микросхема с RTC, но без зарядного устройства. Коммуникационный интерфейс – I2C.
- CBC92100P – Микросхема с RTC, но без зарядного устройства. Коммуникационный интерфейс – SPI.
- CBC92032С – Микросхема без RTC, с зарядным устройством и напряжением заряда 3.2 В. Коммуникационный интерфейс – I2C.
- CBC92041С – Микросхема без RTC, с зарядным устройством и напряжением заряда 4.1 В. Коммуникационный интерфейс – I2C.
- CBC92032P – Микросхема без RTC, с зарядным устройством и напряжением заряда 3.2 В. Коммуникационный интерфейс – SPI.
- CBC92041P – Микросхема без RTC, с зарядным устройством и напряжением заряда 4.1 В. Коммуникационный интерфейс – SPI.
- CBC92132С – Микросхема c RTC, с зарядным устройством и напряжением заряда 3.2 В. Коммуникационный интерфейс – I2C.
- CBC92141С – Микросхема c RTC, с зарядным устройством и напряжением заряда 4.1 В. Коммуникационный интерфейс – I2C.
- CBC92132P – Микросхема c RTC, с зарядным устройством и напряжением заряда 3.2 В. Коммуникационный интерфейс – SPI.
- CBC92141P – Микросхема c RTC, с зарядным устройством и напряжением заряда 4.1 В. Коммуникационный интерфейс – SPI.
Встроенный модуль RTC может работать как от интегрированного RC-генератора, так и от внешнего кварцевого резонатора. В первом случае потребление RCT составляет всего 20 нА, а во втором случае 50 нА. Несложно рассчитать, что даже при использовании твердотельного аккумулятора 50 мкА·ч автономная работа часов реального времени CBC921xx в идеале составит до 2500 часов (то есть 104 дня), если все остальные потребители будут отключены. При этом отключение потребителей можно выполнить с помощью встроенного силового ключа.
Возможности RTC обширны и включают не только временные функции (счет времени и календарь), но и формирование различных программируемых прерываний, а также тактового сигнала для внешнего микроконтроллера.
Решение, предложенное Cymbet, оказывается не только очень эффективным, но и весьма компактным. Микросхемы CBC921xx поставляются в 16-выводном MLPQ-корпусе размером всего 3 × 3 × 0.55 мм.
По обещаниям производителя микросхемы CBC921xx поступят в продажу в конце 2018 года. Вместе с ними можно будет заказать демонстрационный набор CBC-EVAL-14.
Демонстрационный набор CBC-EVAL-14 включает две платы: на одной расположена микросхема CBC921xx, а на второй реализован USB-интерфейс для связи с ПК (Рис. 3, Рис. 4).
 |
|
| Рис. 3. | Демонстрационный набор CBC-EVAL-14. |
 |
|
| Рис. 4. | Блок схема демонстрационного набора CBC-EVAL-14. |
В комплекте с демонстрационным набором идет бесплатная утилита для ПК (Рис. 5). С помощью этой программы пользователь сможет произвести настройку микросхемы CBC921xx и управлять ее работой: выбрать источник тактирования, коммутировать выходное напряжение (выход VOUT), задавать рабочую частоту, программировать прерывания, устанавливать время и т. д.
 |
|
| Рис. 5. | Внешний вид утилиты для работы с CBC-EVAL-14. |
Подводя итог, можно отметить, что микросхемы CBC921xx предлагают очень функциональное и компактное решение проблемы резервного питания. CBC921xx выглядят чрезвычайно привлекательными для широкого спектра приложений, начиная от носимой электроники и заканчивая миниатюрными датчиками для Интернета вещей.
Посмотреть технические характеристики микросхем RTC от компании CYMBET
