Технологии nanoWatt и nanoWatt XLP. Цель — снижение энергопотребления

Перевод: Илья Никифоров

введение

Прежде чем вникать в особенности энергосберегающих режимов работы, необходимо разобраться: что влияет на потребление тока. Применительно к микроконтроллерам, важно выделить две составляющие — ток потребления в активном (динамическом) режиме и статическом режиме (режиме ожидания).

Потребление в активном режиме обусловлено переключениями цифровой логики и зависит от частоты тактирования, напряжения питания и температуры. Преимущественное влияние имеет частота тактирования.

Статическое потребление тока имеет место при полной остановке тактирования ядра и состоит из токов утечки транзисторов, потребления супервизоров и тактирования схем, обеспечивающих дальнейшую работу контроллера (сторожевой таймер, часы реального времени и т. п.). Преимущественное влияние на статическое потребление имеет напряжение питания и температура

Напряжение питания существенно влияет на энергопотребление контроллера как в активном режиме, так и в режиме ожидания. Таким образом, существенную выгоду можно получить за счет пониженного питания

Технологии nanoWatt и nanoWatt XLP.

Цель — снижение энергопотребления

Энергопотребление всегда является важной характеристикой любой электрической системы. в современных встроенных системах микроконтроллер должен не только управлять системой и иметь собственное малое потребление, но и управлять потреблением тока всей схемы. в статье рассмотрены возможности PIC-микроконтроллеров, выполненных по технологиям компании Microchip — nanoWatt и nanoWatt XLP, по снижению энергопотребления.

ядра контроллера в сравнении с остальной схемой. Некоторые PIC-контроллеры имеют независимый вход для питания внутренней логики (VDDCORE), что позволяет выиграть не только в активном, но и в статичном потреблении тока.

Технологии nanoWatt и nanoWatt XLP

С 2003 года компания Microchip Technology Inc. начала выпуск контроллеров с энергосберегающей технологией nanoWatt. Основным требованием к контроллерам технологии nanoWatt было энергопотребление в режиме ожидания (Sleep) порядка нВт. Также были добавлены следующие возможности по энергосбережению:

• Режим Idle.

• Встроенный высокоскоростной тактовый генератор (INTOSC) с PLL и программируемым делителем.

• Сторожевой таймер (WDT) с увеличенным временем ожидания.

• Сверхмалопотребляющий модуль пробуждения (ULPWU).

• Малопотребляющий Timer1 и второй осциллятор (SOSC, 32 кГц).

• Малопотребляющий программно-управляемый модуль сброса (BOR).

Сегодня Microchip расширяет энергосберегающие возможности PIC-контроллеров. Новая технология nanoWatt XLP, являющаяся расширением отлично себя зарекомендовавшей nanoWatt, включает ряд новых возможностей, таких как сверхмалопотребляющий

Таблица 1. Энергосберегающие режимы PIC-контроллеров

Режим работы Активное тактирование Активная периферия варианты пробуждения Потребляемый ток Типичное применение

Deep Sleep11 Timerl/SOSC* INTRC/LPRC RTCC DSWDT DSBOR INT0 RTCC DSWDT DSBOR INT0 MCLR < 50 нА Устройства с батарейным питанием, большую часть времени находящиеся в режиме Sleep31

Sleep Timerl/SOSC* INTRC/LPRC A/D RC RTCC WDT АЦП компараторы CVref INTx Timerl HLVD BOR Все источники пробуждения (см. в документации на соотв. контроллер) 50-100 нА Большинство критичных к энергопотреблению устройств

Idle Timerl/SOSC INTRC/LPRC A/D RC Вся периферия Все источники пробуждения

Doze2) Все источники тактирования Вся периферия Программно или по прерыванию 35-75% тока потребления в активном режиме (Run) Приложения, требующие высокоскоростную периферию и малые ресурсы ЦП

Run Все источники тактирования Вся периферия - Согласно документации на соотв. контроллер Обычный режим работы

Примечания. 1) только для XLP контроллеров PIC18 и PIC24; 2) только для PIC24, dsPIC и PIC32; 3) более подробно с разницей между Sleep и Deep Sleep можно ознакомиться в документе “Deciding Between Sleep And Deep Sleep”;

* Timer1/SOSC — второй осциллятор (32 кГц).

Таблица 2. Сравнительные характеристики по потреблению нескольких nanoWatt PIC-контроллеров

Контроллер1

Параметр Я 7 (О 1CI IP PIC18F46K20 2 8 1CI IP x s 6 1CI IP PIC18LF14K50 PIC24F16KA102 P 8 ф iSo. Ев°з < < ifl i= E =

Ток в режиме Deep Sleep, нA — — 13 — — 20 — —

Ток в режиме Sleep, нA 20 100 54 60 24 25 1001! 100

Ток в режиме WDT, нA 500 500 830 500 450 420 420011 300—700

Ток 32 кГц осциллятора RTCC, нA 600 500 820 600 790 520 800 700

Ток утечки портов ввода/вывода, нA ±5 ±5 ±2 002) ±50 ±5 ±50 ±100012) ±502)

Ток в режиме Run 1 МГц, м^ 110 300 272 150 170 195 300 200—270

Минимальное напряжение питания Vdd, В 1,8 1,8 2 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8

Примечания.

Указаны типичные значения при напряжении питания Vdd = 1,8—2 В из описаний производителя на контроллер;

1) данные для Vdd = 1,8 В недоступны, указано для 3 В;

2) типичное значение недоступно, указано максимальное согласно документации на контроллер.

модуль пробуждения (ULPWU), специальные малопотребляющие модуль сторожевого таймера (DSWDT) и детектор снижения напряжения (DSBOR), энергосберегающий режим «глубокого сна» Deep Sleep, а также меньший ток потребления в режимах, унаследованных от nanoWatt. В следующих режимах технология nanoWatt XLP обеспечивает ток потребления контроллера не более:

• 100 нА — режим ожидания (Ipd);

• 800 нА — сторожевой таймер (Iwdt);

• 800 нА — часы реального времени с календарем (Irtcc).

Надо понимать, что в обширной номенклатуре контроллеров Microchip различные энергосберегающие режимы, специальные модули и настройки, а также токи потребления модулей контроллера варьируются от семейства к семейству, поэтому строго выделить отличия между технологиями nanoWatt и nanoWatt XLP невозможно, да и не нужно: данная статья дает общее представление об энергосберегающих возможностях PIC-контроллеров.

Технологии энергосбережения nanoWatt и nanoWatt XLP предоставляют разработчику различные режимы работы с гибкими возможностями по программному управлению аппаратными средствами, что позволяет минимизировать потребление тока при выполнении каждой задачи. В таблице 1 приведен перечень энергосберегающих режимов PIC-контроллеров. По данным таблицы 2 можно сравнить несколько nanoWatt PIC-контроллеров с конкурентами, производства других фирм.

Режим Deep Sleep

Режим Deep Sleep — самый экономичный режим работы контроллера, когда все модули, которые могут остаться без питания — ядро контроллера, встроенный стабилизатор напряжения, большая часть периферии, ОЗУ — переводятся в энергосберегающий режим. Соответственно, остается только несколько источников пробуждения контроллера:

• Схема сброса по включению питания POR.

• Сброс по MCLR.

• Будильник часов реального времени

(RTCC).

• Внешнее прерывание.

• Сторожевой таймер “WDT Deep Sleep”.

В связи с тем, что тактирование ядра приостановлено, выход из режима Deep Sleep возможен только со сбросом контроллера. Программный счетчик и регистры специального назначения (SFR) также сбрасываются, и выполнение программы начинается с вектора сброса. При этом состояния портов ввода/вывода, Timer1/SOSC и RTCC сохраняются. Следует отметить, что гибкая конфигурация Deep Sleep позволяет сохранить значения в некоторой области RAM, что позволяет программе правильно восстановиться после сброса.

После пробуждения программа должна подтвердить сброс, перенастроить периферию и регистры портов ввода/вывода и затем продолжить выполнение кода. Общий алгоритм приведен на блок-схеме (рисунок). Для более подробного описания необходима документация на соответствующий контроллер.

Очень важно иметь четкое представление о том, какой именно энергосберегающий режим необходимо использовать на каждом этапе работы контроллера. Deep Sleep — режим, актуальный для приложений, требующих длительного срока работы от батарейного питания. Обычно приложения, для которых необходим режим Deep Sleep, имеют следующие особенности:

• Длительное время пребывания в режиме ожидания (обычно от 1 секунды).

• Не требуется работы периферии в режиме ожидания.

• Точная привязка ко времени при минимальном потреблении тока.

• Широкий диапазон рабочих температур.

режим Sleep

Режим Sleep имеют все PIC-контроллеры, выполненные по технологии nanoWatt. В режиме Sleep отключается тактирование ядра и большей части периферии. Потребление тока складывается из питания ОЗУ, SFR и программного счетчика.

Источники пробуждения различны для разных семейств, однако все PIC-контроллеры обладают следующими: сторожевой таймер WDT, 32-кГц таймер/осциллятор (для большинства контроллеров — Timer1) и внешние источники прерываний. Контроллеры PIC18, PIC24 и PIC32 имеют большое число периферийных модулей, обеспечивающих возможность пробуждения контроллера, такие как АЦП, компараторы и модули последовательных коммуникационных интерфейсов.

Sleep — наиболее востребованный, гибко настраиваемый энергосберегающий режим PIC-контроллеров, который характеризуется предельно быстрым входом и выходом

Вектор сброса )

тг

Исполнение ЗЕЦ іач приложения -

Сохранени в регистрах контекста Deep Sleep

Пробуждение

{^Вход в режим Deep Sleep^)

Рисунок. Общий алгоритм работы режима Deep Sleep

из режима ожидания. Как следствие, данный режим предназначен для устройств, для которых необходимы частый переход в статический режим на непродолжительные промежутки времени и быстрое пробуждение. Обычно приложения, предполагающие использование Sleep, имеют следующие особенности:

• Время пребывания в статическом режиме невелико (обычно не более секунды).

• Требуется пробуждение от периферии.

• Требуется работа АЦП или компараторов в энергосберегающем режиме.

Выбор между Sleep и Deep Sleep

Чтобы выбрать оптимальный режим, необходимо рассчитать характерное время пребывания контроллера в режиме ожидания (TBE). Приведем формулы для расчета TBE:

QSLP = TPDxIPDSL,

qds = (tinitxIdd)+(tporxIpor)+

+

TBE = TPD = [(TINITxIDD) + (TPORxIPOR)]/ /(IPDSLP-IPDDS).

Сначала рассчитывается потребление энергии в режимах Sleep (QSLP) и Deep Sleep (QDS). Если быть точнее, то рассчитывается протекающий заряд, так как напряжение постоянно и одинаково для обоих режимов. В режиме Sleep энергопотребление определяется произведением тока потребления (IPDSLP) и времени пребывания в данном режиме (TPD) (1).

В режиме Deep Sleep необходимо учесть три составляющих (2):

• Потребление в режиме ожидания (ток потребления (IPDDS) на время пребывания в режиме Deep Sleep (TPD)).

• Потребление в момент пробуждения по сбросу POR (с момента появления события, вызвавшего пробуждение, до начала выполнения первой инструкции). Обычно TPOR — значение из документации на контроллер, IPOR — замеряется эксперименталь-

но и зависит от условий работы контроллера. Также здесь учитывается время и ток, необходимые на зарядку конденсатора VCAP (если он разряжается в режиме Deep Sleep) для контроллеров со встроенным стабилизатором напряжения.

• Потребление контроллера (IDD) на время исполнения кода инициализации (TIN3T) до входа в основной цикл программы. Потребление контроллера в активном режиме указано в документации на контроллер, а время, необходимое для инициализации, удобно замерять при помощи секундомера Stopwatch в единой среде разработки MPLAB IDE.

Характерное время пребывания в режиме ожидания (TBE) соответствует равенству QSLP и Qds. Режим Deep Sleep предпочтительнее, когда ожидаемое время пребывания в энергосберегающем режиме превышает TBE, Sleep — в обратном случае.

Режимы Idle и Doze

Режимы Idle и Doze занимают промежуточное положение между энергосберегающими режимами и основным (Run).

В режиме Idle тактирование ядра приостановлено, но большая часть, а то и вся периферия сохраняет свою функциональность и может продолжать работать (подробнее об этом сказано в документации на соответствующий контроллер). В контроллерах PIC24, PIC32 и dsPIC есть возможность индивидуальной настройки периферийных модулей, задействованных в режиме Idle.

В режиме Doze (он имеется только в PIC24, PIC32 и dsPIC) периферия может работать на полной скорости, а тактирование ядра возможно на пониженной частоте, полученной делением системной на программно заданный коэффициент.

Выбор между Idle и Doze

Режимы Idle и Doze позволяют сократить потребление тока в тех случаях, когда вход в режим ожидания невозможен. Например:

• Необходимы длинные передачи посредством DMA.

• Требуется прием или передача данных по последовательным протоколам.

• Требуется работа высокоскоростного АЦП.

• Ожидание по синхронному таймеру.

• Сбор данных от внешних датчиков.

• Требуется работа модулей захвата/сравне-ния/ШИМ.

Каждый раз, когда контроллер находится в ожидании некоторого события (прерывания от периферии), обычно имеет смысл перейти в режим Idle или Doze. Правильный выбор оптимального энергосберегающего режима позволяет существенно снизить потребляемый конечным устройством ток.

Изменение частоты тактирования

Возможность изменения частоты тактирования — очень важный инструмент, грамотное использование которого позволяет существенно снизить энергопотребление в активном режиме. В то время как режимы Idle и Doze позволяют снизить скорость работы ядра, периферия тактируется максимальной частотой, потребляя существенный ток. Поэтому целесообразно адаптивно выбирать частоту тактирования периферии в каждом конкретном случае.

Микроконтроллеры PIC позволяют гибко управлять тактированием ядра и периферийных модулей. Зачастую правильное управление тактированием позволяет получить потребление тока в активном режиме ниже, чем в режимах Idle и Doze!

Заключение

Новые технологии nanoWatt и nanoWatt XLP предоставляют разработчикам возможность гибко управлять энергопотреблением, что позволяет существенно снизить потребление тока. Благодаря технологии nanoWatt XLP, компании Microchip удалось создать PIC-контроллеры с самым низким потреблением тока в режиме Sleep. Ш