استراتيجيات توسيع نطاق حياة البطاريات في الأجهزة المحمولة ذات القوى المنخفضة

استراتيجيات توسيع نطاق حياة البطاريات في الأجهزة المحمولة ذات القوى المنخفضة

أما الأجهزة الإلكترونية المحمولة - من الهواتف الذكية والأقراص إلى أجهزة استشعار الارتداء وأجهزة الاستشعار من طراز IoT - لا تخضع لخصائصها فحسب بل أيضاً إلى أي مدى يمكن أن تعمل بين الرسوم، فحياة البطاريات هي مفرق رئيسي، وكل ميغاواط ينقذ القدرة على الاستخدام، وأحد أهم مستهلكي الطاقة في هذه الأجهزة هو الحد الأدنى من التحولات إلى بيانات رقمية، وهو ما يترجم إلى:

The Power Impact of ADCs in Portable Systems

وفي جهاز محمول نموذجي، يمكن أن تمثل شركة التعمير الأفريقية نسبة تتراوح بين ٥ و ١٥ في المائة من مجموع استهلاك الطاقة العاملة - حصة ترتفع بدرجة كبيرة في تطبيقات أجهزة الاستشعار الثقيلة مثل الرصد الصحي المستمر أو قطع الأشجار البيئية، ويعتمد سحب قوة شركة التعمير في أفريقيا على البنيان، والحل، ومعدل أخذ العينات، وأساليب التشغيل، ومن ثم فإن وجود نمط استخدام غير مختار على نطاق واسع يمكن أن يستنفد ساعات البطارية أسرع مما يلزم.

Understanding Low-Power ADC Architectures

وتهيمن ثلاثة هياكل رئيسية للتعاون التقني فيما بين البلدان النامية على تصميمات محمولة منخفضة الطاقة: سجل التعاقب، وسجل التقارب (سار)، ورقم سيغما (في مجمله)، وخط الأنابيب، ويقدم كل منها مبادلات مختلفة فيما بين استهلاك الطاقة، والسرعة، والتسوية، والتساهل.

سجل تبّع الأثر المتعاقب

وتجمعات البلدان النامية المتقدمة هي مجموعة من الأدوات المستخدمة في تطبيقات منخفضة الطاقة، وهي تستخدم خوارزمية بحث ثنائية لتحويل مدخلات متماثلة إلى قيمة رقمية في خطوات N (حيث يكون القرار غير قابل للتداول)، وتستهلك الطاقة التي تتناسب تقريبا مع معدل أخذ العينات، حيث إن استهلاك الطاقة يقل في كثير من الأحيان عن 100 ميكروغرام في السرعة المتوسطة، فإن البلدان النامية المتقدمة النمو هي مثال على الأجهزة التي تعمل بالبطارية والتي تتطلب إجراء عملية عد إلى 16 نقطة مئوية.

Sigma-Delta (XIII) ADCs

وتتفوق البلدان النامية الجزرية الصغيرة في التطبيقات ذات الاستبانة العالية (حتى 24 قطعة) عن طريق التماثيل المفرطة في العينات والضوضاء التي ترسم بسرعة الدقة، وفي حين أن قدرتها الأساسية يمكن أن تكون أعلى من البلدان النامية الواقعة على نطاق البحث عن السلع الأساسية بسبب استمرار التشغيل، فإن العديد من البلدان الجزرية الصغيرة النامية تقدم أساليب قدرة قابلة للتشكيل، ويمكن تعديل نسبة أخذ العينات الزائدة فيها بحيث تتوازن بين القنوات الرقمية والمستعملة للقوة.

Pipelined ADCs

وتستخدم أجهزة التصاميم مجموعة من مراحل الاستبانة المنخفضة لتحقيق ارتفاع الناتج (تراوح بين مئات الدول الأطراف) مع قرار معتدل (8-16 قطعة)، وتستهلك طاقة أكبر من طاقة SAR أو في جميع البلدان الجزرية الصغيرة النامية من قرار مماثل، مما يجعلها غير شائعة في أجهزة محمولة باستثناء التطبيقات مثل تجهيز الفيديو أو الرادار حيث تكون السرعة إلزامية، وفي هذه الحالات، يجب على المصممين أن يدربوا بعناية مراحل خط الأنابيب.

Key Takeaway: For most portable applications, SAR ADCs offer the best power-performance balance. However, when high resolution (18 bits) is required at low bandwidths, wide ADCs with adjustedable oversampling are worth considering. Pipelined ADCs.

الاستراتيجيات التفصيلية لتوسيع نطاق حياة البطاريات

1 - تحقيق الحد الأمثل من معدلات أخذ العينات

ومعدل أخذ العينات هو العامل الوحيد الأكثر قابلية للتحكم في استهلاك الطاقة في شركة التعمير والتنمية، ففي البلدان النامية الواقعة تحت سيطرة منطقة الساحل، تكاد تكون مستويات الطاقة متوازية مع تواتر أخذ العينات، وتقول نظرية نيكيست إنه يجب أن تُعينا مرتين على الأقل من أعلى عنصر من عناصر الاهتمام، وفي الممارسة العملية، يمكن أن يؤدي الإفراط في أخذ العينات من عامل ٢ إلى ٤ إلى تخفيف متطلبات الرش، ولكن الحد الأدنى من قوة التصفير.

وبالنسبة لبيانات أجهزة الاستشعار المفجرة (مثلاً، القراءات التسارعية التي تُطلق بواسطة الحركة)، النظر في أخذ العينات التي تحركها الأحداث، بدلاً من معدل دوري ثابت، لا تُعين إلا عند عبور عتبة، مما يمكن أن يقلل متوسط معدل العينة حسب ترتيب الحجم.

Pro tip:] Use a microcontroller’s timer to schedule ADC conversions only when needed, and disable the ADC clock between conversions.

2 - استخدام طرق القوى الدوائية

وتشمل معظم البلدان الجزرية الصغيرة النامية ذات القوى المنخفضة أساليب متعددة متعثرة: الاستعداد (الوقوف السريع، التسرب المعتدل)، والنوم (التسرب الأقل، والوقوف البطيء)، والنوم العميق (التسرب الأدنى، أطول فترة للوقوف) وتفعيل أعمق أسلوب للنوم عندما لا يكون مطلوباً لـ " ADC " لأكثر من بضع ثوان، مثلاً في رصد معدل ضربات القلب الذي يمكن أن يُرصد فيه 99 متراً لكل 10 ثوان.

النظر في وقت الاستيقاظ: إذا تجاوز مستوى الاستجابة المطلوب، قد تحتاج إلى أسلوب عقيم أسرع، وعلى العكس من ذلك، إذا كان الجهاز يلوث أجهزة الاستشعار بشكل متكرر (مثلا، مرة في الدقيقة)، فإن النوم العميق هو المثالي.

3- تنفيذ عملية وضع القوانين

ويُعدّ التدوير الواجب ممارسة تشغيل مركز التعاون التقني في مجال مكافحة التصحر ونهايةه المدوّنة فقط طوال مدة التحويل، ثمّ يُطفئها، وهذه التقنية فعالة بشكل خاص عندما تقترن بطرائق خفض القوة، وتُحدّد نسبة دورة العمل (الوقت/الفترة التفاعلية) مباشرة متوسط القوة.

مثال: قد تأخذ عينة من أجهزة استشعار درجة الحرارة 10 ميكروات للتحوّل مع شركة SAR ADC، وإذا قيست كل ثانية، فإن دورة العمل تبلغ 0.001 في المائة، وحتى إذا استهلكت شركة ADC 1 mA أثناء التحويل، فإن متوسطها لا يتجاوز 1 ميكروات، غير أن حساب شركات النقل الداخلي الناشئة - بعض البلدان النامية يتطلب وقتاً لتسوية الطاقة، واستخدام المعدات أو البرمجيات لتأخير التحويل حتى يتم توفيرها وتثبيتها.

Best practice:] Turn off the ADC reference voltage and buffer amplifiers alongside the ADC core. Many modern ADCs integrate all these functions with dedicated shutdown tanks.

4 - اختيار الهيكل التنظيمي الملائم لعموم أفريقيا

وكما جرت مناقشته، فإن شركة سعود المال المتداولة تفوز عموماً بمعظم التطبيقات المحمولة، ولكن في إطار أسرة سار، توجد خيارات أخرى: مدخلات متمايزة، ومراجع داخلية ضد مراجع خارجية، وقرار )١٠-٢-٦-م( - عادة ما يستهلك قرار أعلى درجة من الطاقة لكل عملية تحويل، ولكن بالنسبة لقرار معين، قد يستخدم جهاز SARADC أقل قوة من الرقم الإجمالي للشركة ذات الدقة المماثلة.

وعند اختيارها، ينبغي أيضاً النظر في نطاق حجم المدخلات، ويمكن أن يقوم مركز تنمية السكك الحديدية بتجهيز الإشارات من صفر إلى صفر من الديوكسين دون مضخم خارجي، مما يوفر الطاقة من مرحلة تكييف الإشارات.

5 - التقليل إلى أدنى حد من خط الإنشـار

ويقلل تخفيض حجم المركب المحتوي على مدخلات شركة ADC بشكل تناسبي من الفولط المرجعي المطلوب، وكثيرا ما يكون التكرار الداخلي، وإذا كان ناتج جهاز الاستشعار الخاص بك هو صفر-1V، مما يهيئ شركة ADC للمراجعة بنسبة 1.2V بدلا من 3.3V، يمكن أن يقلل من الطاقة بنسبة 30 إلى 5 في المائة، ويستخدم أجهزة كمبلد ربح قابلة للبرمجة مدمجة في بعض البلدان النامية لتضاهاة الإشارات إلى نطاق شركة ADC في الوقت الذي يقلل فيه الضوضاءة.

غير أن ضمان نسبة الإشارة إلى الأرقام لا يزال مقبولا: إذ إن خفض حجم المدخلات إلى النصف يخفض أيضا حجم المبلغ الإجمالي المقطوع، مما يجعل النظام أكثر حساسية للضوضاء، ويحقق وفورات في الطاقة مقابل احتياجات التسوية.

6- استخدام شروط تحديد الإشارات لخفض معدلات الإصابة

وتتيح إشارات التناظر المستقرة والنظيفة معدلات أخذ العينات المنخفضة دون الاستدلال، وتنفيذ مرشحات مضادة للارتلال (مبسطة للسيارات المنخفضة) قبل أن تزيل شركة التعمير الأفريقية الضوضاء العالية التردد التي من شأنها أن تجبر على أخذ العينات، وبالمثل، استخدام جهاز كمبلد عازل لتقديم مصدر منخفض للتبسيط إلى شركة التعمير والتنمية، مما يقلل من أخطاء التحويل ويتيح سرعة التوطن.

بالنسبة للتصميمات التي تعمل بالبطارية، تختار المصابيح التي تعمل بالكهرباء المنخفضة (مثلاً، 1 ميكروناً بالخامسة) لتكييف الإشارات، كل مليوات ينقذ هنا يمدد مباشرة حياة البطارية.

7 - تحقيق الاستخدام الأمثل لبرمجيات ومعالجات البيانات

ويمكن أن تكون البرمجيات الحرة هي البطل غير المنغمس في مدخرات الطاقة، واستخدام إدارة الشؤون الإدارية (الوصول المباشر للذاكرة) لنقل بيانات شركة ADC مباشرة إلى إدارة السجلات والمحفوظات دون تدخل من وحدة مراقبة الممتلكات، مما يتيح للمتحكمات الدقيقة أن تنام لفترة أطول، مع تحويلات عديدة إلى تحويلات واحدة من إدارة الشؤون الإنسانية قبل أن يستيقظ الاتحاد من أجل التجهيز، وتجنب الاقتراع أو التحويل من خلال انقطاع الطراز؛ وبدلاً من ذلك، استخدام تحويلات متحركة من كل جهاز من أجهزة التشغيل الآلي بعد عملية التحويل.

تشغيل تسلسل متعدد القنوات: إذا جهازك يرصد أجهزة الاستشعار المتعددة، تسلسل جميع التحويلات في انفجار واحد، ثم النوم لفترة طويلة، بدلا من الاستيقاظ مرارا لكل قناة.

Cache calibration values:] Many ADCs require periodic calibration. instead of recalibrating every conversion, calibrate once at startup and only when temperature or voltage changes significantly. Cache the correction coefficients.

8 - تنفيذ عملية تصوير وتقدير برامجيات البرمجيات الصلبة

ويمكن لمرشحات إزالة الديدان (في مركز البيانات الجمركية أو في إطار نظام FPGA) أن تقلل من معدل العينة الفعال مع الحفاظ على رفض الضوضاء العالية التردد، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يُدار عدد كبير من أجهزة تحديد السحب إلى قاعدة البيانات الجمركية في 10 دول من الدول الجزرية الصغيرة النامية داخلياً، ولكن يُبطل مفعول الضوضاء ويستهلك المرشح الرقمي الداخلي القوة، ولكنه كثيراً ما يكون أكثر كفاءة من أداء نفس العملية في مصغرة.

تكامل إدارة الطاقة على مستوى المنظومة

إن حياة البطارية هي ملكية نظامية، وليس مجرد عنصر واحد، إذ أن إدارة قوة شركة التعمير والتنمية في أفريقيا مع جهاز الدولة العام للطاقة التابع للجهاز، على سبيل المثال:

• Active mode:] ADC continuous or high-rate sampling.
• Idle mode:] ADC in standby, ready to wake within microseconds.
• Sleep mode:] ADC powered down, microcontroller deep-sleep, wake via timer or external interrupt.

(ج) استخدام مركز إيك (PMIC) مخصص لإدارة الطاقة لتوريد مركز تنمية القوى ونسخة أولية لا تُعد إلا عند الحاجة، ولكثير من شركات المركبات المتعددة الكلورة الصغر مفاتيح تحميل قابلة للتشكيل تتحكم في مجالات الطاقة ذات فترات التحويل البالغة الصغر في الثانية، والتنسيق مع دول نوم المتحكمين في الميكرومتر لتقليل التسرب إلى أدنى حد.

النظر في كيمياء البطاريات: توجد في البطاريات الليثيوم -يون خصائص مختلفة للتصريف مقارنة بالآلكالين أو ني امه.

دراسة حالة عملية: مرصد صحي معتدل

ويقاس معدل ضربات القلب والنظافة باستخدام خط المواجهة المشابه (AFE) مع معامل تركيز سريع من 16 طناً، ويجب أن يُعين النظام على 250 جهازاً من أجهزة SPS مع حل فعال من 10 مبتات (مركَّب) (يُعدُّ أكثر من اللازم) باختيار جهاز تسجيل متطور ذي ميكروبات تعمل باليد العاملة و10 ميكروات عمل تعمل بـ 250 جهازاً من أجهزة SPS، يمكن حساب المتوسط الحالي:

• الطاقة العاملة: 10 ميكروات × 100٪ دورة عمل = 10 ميكروات
• غير أن الـ AFE و ADC تحتاج إلى أن تكون مُدوَّنة حسب الواجب: عينة تبلغ 100 متر ثم تنام لمدة 900 متر (10 في المائة من دورة العمل) ⁇ متوسط معدل التيار المائي المميت = 10 ميكرونا × 0.1 + 1 ميكرونا × 0.9 = 1.9 ميكرونا.
• إضافة مكيفات الإشارة: 2 ميكروه ألف للقوى فوق المنخفضه من التشغيل المكثف ⁇ مجموع سلسلة التناظرات 4 ميكروتا في المتوسط.
• مع بطارية 200 متر مربع، وزمن نظري = 200 متر مربع/4 ميكروغرام/ألف = 000 50 ساعة × 5.7 سنة (تجاهل المكونات الأخرى وتشويه الذات).

وبدون تناوب الواجب وبدرجة أقل كفاءة من حيث التراكم، قد تسحب نفس الوصلة 50 ميكروتا، مما يؤدي إلى فرق كبير يتراوح بين 4000 ساعة، ويبرز هذا المثال وفورات الطاقة المتعددة من اختيار الهيكل المختلط، وطرق خفض السلطة، ودورات الرسوم، وأخذ العينات المثلى.

عدد إضافي من أجهزة دعم القوة

• استخدام مرجع خارجي مع سمة منخفضة القوة لإغلاقها؛ وكثيرا ما تستهلك الإشارة الداخلية التيار الإضافي.
• :: خفض تواتر ساعات العمل في شركة التعمير والتنمية إذا أمكن؛ ويمكن للعديد من البلدان النامية أن تعمل بمعدلات أدنى على مدار الساعة مع تحقيق وفورات في الطاقة (فحص حدود جداول البيانات).
• Input voltage scaling: if the sensor output is small, use a PGA to amplify it to the full ADC range, improving SNR and allowing lower sampling rates.
• تنفيذ متوسط في إطار برامجيات ثابتة: أخذ عينات سريعة متعددة ومتوسطها بدلا من عينة عالية الاستبانة، مما يمكن أن يتيح استخدام أداة للتصنيف ذات القدرة المنخفضة على الاستبانة.
• Disable unused ADC channels and analog inputs to prevent floating inputs from causing leakage.
• (ج) استخدام بلورة ساعة (32.768 كيلوهرتز) للتوقيت لتجنب استهلاك المُسَحِّل العالي التردد عند تحديد مواعيد تحويلات شركة ADC.
• النظر في جمع الطاقة من أجل الأجهزة القابلة للشحن؛ تمكين البلدان النامية الأكثر انخفاضا (بمقياس 1 ميكروواط) من التشغيل الدائم من خلايا شمسية صغيرة أو مولدات حرائق.

الاتجاهات المستقبلية: تخفيض قوة التعاون الإنمائي في مرحلة إدج

Emerging ADC designs push power limits further. Sub-threshold ADCs operate transistors below threshold voltage, achieving nanowatts of power at low frequencies-ideal for always-on sensor nodes.

إن إدماج البلدان الجزرية الصغيرة النامية في التجهيز الرقمي على رقاقة واحدة (مثلاً، المتحكمين في الميكرويين الذين لديهم هامش متقدم من شركة ADC) يقلل من الخسائر الطفيلية ويتيح إدارة أقوى للطاقة، ويتمثل الاتجاه في البلدان النامية غير الساحلية التي ليست مجرد قوة منخفضة بل " ذكية " في كيفية التفاوض بين الأداء والطاقة.

خاتمة

فإطالة عمر البطاريات في الأجهزة المحمولة تتطلب نهجاً منهجياً إزاء استخدام شركة التعمير والتنمية، وفي حين توفر الهياكل ذات القدرة المنخفضة من شركة التعمير والتنمية الأساس، فإن المكاسب الحقيقية تأتي من استراتيجيات ذكية على مستوى المنظومة: تحقيق معدلات أخذ العينات على النحو الأمثل، وإلغاء القدرة، وتدوير الرسوم، واختيار الهيكل الصحيح للتطبيق، وخفض نطاقات فولت المدخلات، وكتابة أدوات تصميمية تتسم بالكفاءة.

For further reading, consult application notes from leading ADC manufacturers such as ] Texas Instruments’ low-power ADC guide, tu