El consumo de energía: una consideración clave en el diseño de transmisores inteligentes

Diseño de instrumentos de campo alimentados por bucle con salida analógica de 4 mA a 20 mA y HART® (transductor remoto direccionable por carretera) dentro del presupuesto de energía requerido puede ser un reto. Los instrumentos de campo modernos, también conocidos como transmisores inteligentes, son dispositivos inteligentes basados en microprocesadores que monitorizan las variables de control del proceso. Estos dispositivos de campo son cada vez más inteligentes, ya que cada vez se distribuyen más capacidades de procesamiento en el ámbito del campo. La incorporación de esta inteligencia adicional, junto con una mayor funcionalidad y capacidad de diagnóstico, aumenta el reto de desarrollar un sistema que pueda funcionar eficazmente con la limitada potencia disponible del bucle de 4 mA a 20 mA. Este artículo explora el reto del consumo de energía al que se enfrentan los diseñadores de sistemas y proporciona una visión general de cómo una solución de ejemplo desarrollada por Analog Devices y registrada en la Fundación de Comunicaciones HART aborda este reto, tanto a nivel de sistema global como dentro de los elementos fundamentales de la cadena de señales del diseño del transmisor inteligente.

Figura 1: Cadena de señales del transmisor inteligente.

El elemento más importante de cualquier transmisor es el sensor primario y su funcionamiento óptimo para proporcionar la representación más precisa del parámetro ambiental medido. La variable primaria suele depender de una variable secundaria (por ejemplo, la compensación de temperatura de un sensor de presión). En el ejemplo de la figura 2, el sensor es un puente resistivo con una impedancia de 5 kΩ, y el modo de funcionamiento elegido es la excitación por tensión de 3,3 V CC. Por tanto, el sensor consume 660 µA del presupuesto total de energía del sistema.

Figura 2. Diagrama de bloques de demostración de un instrumento de campo habilitado para HART.

El microcontrolador analógico de precisión ADuCM360 incorpora dos amplificadores de instrumentación de precisión de bajo ruido con ganancia programable. Los amplificadores están optimizados para tener la menor potencia posible y sus etapas se activan sólo cuando es necesario para la ganancia requerida. Esto proporciona el mejor compromiso entre el rendimiento del circuito y las necesidades de energía. En el circuito de ejemplo descrito aquí, el transductor primario podría funcionar con sólo la mitad de la tensión de excitación, lo que daría lugar a la mitad del nivel de la señal, y optimizar el rendimiento de la cadena de señales duplicando programáticamente la ganancia del amplificador de 16 a 32. Esto supondría un ahorro de 330 µA en la corriente de excitación del sensor y un aumento de 60 µA en la corriente de alimentación del amplificador, lo que supone un ahorro neto de 270 µA. Al considerar estas compensaciones, hay que tener en cuenta otros aspectos; por ejemplo, la relación señal-ruido del sensor durante una perturbación electromagnética externa. La solución programable totalmente integrada puede facilitar al diseñador la evaluación de estas opciones.

Dos convertidores analógico-digitales (ADC) de 24 bits muestrean las señales amplificadas de los sensores primario y secundario y las traducen al dominio digital. En la Figura 2, los ADC están integrados en el ADuCM360 y, de nuevo, optimizados para conseguir la menor potencia necesaria para el rendimiento requerido. La arquitectura Σ-Δ proporciona una alta resolución, linealidad y precisión inherentes, y el filtro digital, que siempre se incluye en el ADC Σ-Δ, permite un equilibrio programable entre el ancho de banda de la señal requerida y el ruido de entrada, que tiene un impacto directo en la resolución alcanzable. A menudo, se necesita una resolución de más de 16 bits en la entrada del instrumento de campo para proporcionar una resolución de 16 bits en su salida.

Se utiliza un microcontrolador para procesar las entradas de todos los sensores del instrumento de campo y para calcular el valor resultante de las variables del proceso medidas. Además, el procesador debe realizar otros diagnósticos, así como comunicaciones más complejas. En este ejemplo, un ARM Cortex de 32 bits®-M3, complementado con 128 kB de memoria flash, 8 kB de SRAM y otros periféricos como la función de reinicio de encendido, generación de reloj, interfaces digitales y una serie de funciones de diagnóstico. Por lo tanto, el microcontrolador es un componente complejo, que probablemente requiera mucha energía, así que cuanto más procesamiento se pueda hacer por mW, mejor.

Un compromiso obvio en el sistema es entre la velocidad del núcleo del microcontrolador y la corriente de alimentación. Se puede conseguir un ahorro de energía menos evidente eligiendo la menor velocidad de reloj necesaria para cada uno de los periféricos digitales, como las interfaces serie y los temporizadores. En este ejemplo, la actualización más rápida de la salida de 4 mA a 20 mA es cada 1 ms. Aunque el ADuCM360 permite sincronizar la interfaz SPI a un máximo de 16 MHz, utilizar un reloj serie moderado de 100 kHz con subdivisiones de reloj óptimas ahorra unos 30 µA en el propio chip. Se ahorran algunos µA más al reducir las corrientes dinámicas relacionadas con la capacitancia parásita de las señales SPI en las pistas de la placa de circuito impreso (PCB) y las capacitancias de los pines de los componentes. El Cortex-M3, utilizado en el ADuCM360, consume unos 290 µA/MHz. Incluye opciones de gestión de la energía interna muy flexibles, con la capacidad de cambiar dinámicamente la energía y las velocidades de reloj de los bloques internos para permitir un equilibrio óptimo entre la energía y el rendimiento del sistema.

La corriente de salida de 4mA a 20mA del instrumento de campo se ajusta mediante un convertidor digital-analógico (DAC) seguido de un controlador de corriente de salida. El AD5421 incorpora tanto el DAC de 16 bits como la etapa de salida de corriente. También incorpora una referencia de tensión de precisión y un circuito de regulación de tensión programable, que son necesarios para extraer la energía del bucle, para alimentarse a sí mismo y al resto de la cadena de señales del transmisor. Además, el AD5421 proporciona una serie de funciones de diagnóstico en el chip, que pueden ser configuradas y leídas por el microcontrolador, pero que también pueden funcionar de forma independiente. Incluso con este nivel de integración, el AD5421 tiene una corriente total máxima de sólo 300 µA y una especificación total de error de temperatura sin ajustar de menos de ±0,05% FSR, lo que maximiza la granularidad y la precisión de la medición comunicada sin afectar negativamente al consumo de energía del sistema.

Por último, además de la salida analógica de 4mA a 20mA, un módem HART desempeña un papel esencial en los sistemas de control modernos, ya que proporciona comunicación digital con el sistema anfitrión. La comunicación HART permite implementar funciones impensables con la comunicación sólo analógica. Por ejemplo, el host puede recuperar variables secundarias del instrumento, información de diagnóstico o ejecutar rutinas de calibración a distancia. Una vez más, el bajo consumo de energía, así como un tamaño reducido, son consideraciones importantes a la hora de diseñar el circuito HART. Aquí se utiliza el AD5700. Con unas corrientes típicas de transmisión y recepción de 124 µA y 86 µA respectivamente, el AD5700 no contribuirá de forma significativa al presupuesto global de corriente del instrumento. La salida HART modula la corriente de salida y se interconecta a través de un pin dedicado al nodo sumador interno del AD5421. La entrada HART se acopla al bucle de corriente mediante un simple filtro RC pasivo. El filtro RC funciona como filtro pasabanda de primera etapa para el demodulador HART, y también mejora la inmunidad electromagnética del sistema, lo que es importante para las aplicaciones robustas que trabajan en entornos industriales difíciles. El reloj del módem HART lo genera el oscilador de bajo consumo incorporado con un cristal externo de 3,8664 MHz con dos condensadores de 8,2 pF a tierra, conectado directamente a los pines XTAL. Esta configuración utiliza la menor cantidad de energía posible.

Figura 3: Instrumento de campo completo de 4mA a 20mA alimentado por bucle con interfaz HART.

Tras examinar la cadena de señales completa, está claro que en una aplicación como ésta, en la que cada microamperio cuenta, el circuito de demostración del instrumento de campo habilitado para HART que se muestra en la Figura 3 resulta muy valioso. La tabla 1 muestra la distribución de la corriente, tal y como se midió, en este sistema DEMO-AD5700D2Z, mostrando que la corriente total está bien dentro del presupuesto de potencia máximo permitido del sistema de 3,5 mA (ajuste de «alarma baja») disponible para dicho diseño.

Tabla 1. Cálculos de potencia del circuito de demostración
Bloque de circuitosCorriente de alimentación (mA)del total de la corriente
SensorSensor primario (puente resistivo, 5 kΩ a 3,3 V)0.660
Sensor secundario (RTD, 200 μA de excitación)0.200
Sensor total0.86028%
ADuCM360Amplificador de instrumentación 1 (ganancia = 8)0.130
Amplificador de instrumentación 2 (ganancia = 16)0.130
aDC 1 24 bits, incluyendo el buffer de entrada0.140
aDC 2 24 bits, incluyendo el buffer de entrada0.140
Referencia de tensión, referencia de fuente de corriente RTD0.135
Circuito analógico ADuCM360 Total0.67522%
Núcleo del microcontrolador (a 2 MHz) y memoria0.790
SPI, UART, temporizadores, watchdog, otros circuitos0.085
Generador de relojes0.170
Circuito digital ADuCM360 Total1.04534%
AD5421dAC de 16 bits0.050
Conductor de V a I0.060
Referencia de tensión0.050
Gestión de la energía, reguladores de tensión0.055
SPI, watchdog, otros circuitos0.010
AD5421 Total0.2257%
AD5700Modulador/demodulador (en el peor de los casos, transmisión)0.124
Generador de reloj (con cristal externo)0.033
AD5700 Total0.1575%
Otros circuitos de la placa, corrientes dinámicas0.1384%
Total combinado3.100100%

En conclusión, esta solución no sólo ofrece un bajo consumo de energía, sino que también tiene un alto rendimiento con una mínima sobrecarga de área, por no hablar de la conformidad HART, y ha sido probada, verificada y registrada como solución HART aprobada por la Fundación de Comunicación HART. Este registro exitoso da confianza a los diseñadores de circuitos cuando utilizan los componentes descritos en el circuito. El alto nivel de integración del ADuCM360 permite un alto nivel de flexibilidad y posibilita la transición de los diseños tradicionales de componentes discretos al uso óptimo de cada bloque integrado en el chip. El diseñador del sistema puede explorar las compensaciones descritas anteriormente, incluso en las últimas fases del diseño, simplemente modificando la configuración del circuito en el software. Esto acorta los ciclos de diseño, facilita las modificaciones del circuito y permite ajustar su rendimiento sin necesidad de realizar costosas y largas revisiones de la placa de circuito impreso. Esta solución CN0267, totalmente programable e integrada, está completamente documentada y el hardware puede pedirse en línea.

Figura 4: Mapa de demostración del instrumento de campo registrado por HART.

Referencias

Fundación de Comunicación HART, www.hartmcomm.org.

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