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ANALOG/MS LOW POWER DESIGN Fig. 1 – Correnti di dispersione in un dispo- sitivo CMOS (https://www.researchgate.net/ figure/Leakage-Currents-in-a-CMOS-Transi- stor_fig12_234074458) sull’alimentazione a batteria, che passano molto tempo in modalità Sleep in tutta la vita dell’applicazione. Circuiti analogici come regolatori di tensione e Brown- out Reset, richiedono una certa quantità di corrente di polarizzazione al fine di mantenere una precisione ac- cettabile della temperatura e della tensione. Per com- pensare il consumo di corrente di molti di questi moduli, le migliori tecniche sono di utilizzare la flessibilità inte- grata nell’MCU per abilitare e disabilitare i blocchi ana- logici, se necessario, o a utilizzare modalità di potenza e precisione inferiore. Anche i moduli temporizzati, come Watchdog Timers (WDT) e Real-Time Clock/Calendars (RTCC), sono general- mente considerati parte del consumo di energia statica del sistema. Anche se questi moduli commutano attivamen- te e potrebbero essere considerati dinamici perché fun- zionano sempre ad una frequenza costante e consumano pochissima energia, ha più senso includerli in calcoli di energia statica. Tuttavia, come i circuiti dinamici, seguo- no le stesse regole per l’ottimizzazione dell’energia, e sono influenzati principalmente da tensione, frequenza e capacità. Per natura, questi oscillatori sono oscillatori a bassa frequenza e bassa potenza. Per esempio, i driver dei quarzi a bassa frequenza sono generalmente proget- tati per consentire al quarzo di funzionare con la minima tensione picco-picco possibile, pur mantenendo un’o- scillazione stabile. La corrente di dispersione è causata dal funzionamento non ideale dei MOSFET utilizzati nei dispositivi CMOS. Man mano che le tecnologie di processo si riducono e i transistor diventano più piccoli, ci sono diversi aspetti del FET che non si comportano più come farebbero in un sistema ideale. La corrente inizia a fuoriuscire dal drain del FET verso la sorgente, anche quando il gate è attivo al di sotto della soglia di conduzione. Questa corrente fluisce chiamata dispersione sottosoglia. Si verifica una perdita sotto so- glia perché il drain e il source sono fisicamente più vicini in un transistor più piccolo. Più piccolo è un transistor, maggiore diventa questa perdita di corrente. Inoltre, la perdita è influenzata anche dalla temperatura e dalla tensione. Per gli MCU, che utilizzano piccoli processi ad alte temperature e massima tensione, la dispersione di corrente può arrivare a molti uA. La figura 1 illustra le correnti di dispersione in un dispo- sitivo CMOS. Similmente al consumo energetico dinamico, alcuni de- gli aspetti di dispersione di energia sono al di fuori del controllo del progettista del sistema embedded. La sele- zione di un MCU con una tecnologia di processo più am- pia ridurrà le perdite, ma con il compromesso di avere un consumo di corrente dinamica più elevato. Anche la tem- peratura è fuori dal controllo del progettista, impostata dai requisiti del sistema. In generale, l’opzione migliore per ridurre le perdite è ridurre la tensione e spegnere i circuiti non necessari. Alcuni MCU come i PIC forniscono funzionalità di riduzione del consumo energetico, come Deep Sleep, che disattivano i circuiti aggiuntivi nel di- spositivo per ridurre il consumo energetico al di sotto dei tipici livelli di Sleep. La difficoltà di scelta del miglior compromesso Un compromesso critico diventa evidente quando si cer- ca di ottimizzare sia il consumo energetico dinamico che quella statico. Le tecnologie di processo di miniaturizza- zione hanno il vantaggio di un consumo energetico dina- mico notevolmente inferiore, ma a fronte di una corrente di dispersione molto più elevata. In alcuni casi, come ri- sultato di questo compromesso, può essere difficile per un progettista determinare quale sia più importante per ridurre il consumo energetico di un sistema. Per selezio- nare l’MCU corretto che ridurrà al minimo il consumo energetico per un particolare sistema, è importante che il progettista sappia se il consumo energetico dinamico o statico ha un impatto più significativo sul sistema. Que- sto processo si chiama “Power Budgeting”. Questo compromesso tra consumo energetico dinamico e statico è ciò che rende importanti le ottimizzazioni del progetto. I produttori di MCU sono costantemente alla ri- cerca di modi per mantenere basse le perdite mentre le tecnologie di processo continuano a ridurre le dimensio- ni dei transistor. ELETTRONICA OGGI 523 - GENNAIO/FEBBRAIO 2025 30