32-Bit-Mikrocontroller Strom sparen mit dem »MSP432«

Der MSP432 mit ARMs Cortex-M4 erzielt den niedrigsten Energieverbrauch nicht nur aller TI-Mikrocontroller.

Vor dem Hintergrund des Internet of Things (IoT) stehen Embedded-Entwickler vor der Herausforderung, Geräte trotz des ständig knapper werdenden Energiebudgets immer leistungsfähiger zu machen. Der »MSP432« von Texas Instruments bietet verschiedene Stromspar-Stellschrauben. Ein Überblick.

von Dung Dang, Applications Engineer für die Ultra-Low-Power-Mikrocontroller der MSP-Produktlinie bei Texas Instruments (TI)

Wie bei vielen anderen modernen Mikrocontrollern (MCUs) verwendet der MSP432 neben der primären Versorgungsspannung (VCC) eine sekundäre Core-Versorgungsspannung (VCORE) für die interne CPU, den Speicher und die digitalen Funktionen. VCORE wird in der Regel mit einem LDO erzeugt, der sich für zwei vorgegebene Spannungen programmieren lässt, wobei für jede Spannung eine bestimmte maximale Taktfrequenz gilt. Dieses programmierbare »Dynamic Voltage Frequency Scaling« (DVFS) senkt im Prinzip die Versorgungsspannung ab, wenn der Baustein mit einer niedrigeren Taktfrequenz auskommt.

Einen großen Schritt weiter als DVFS geht TI in seinen MSP432-MCUs, indem es das VCORE-Konzept durch einen zusätzlichen Regler (in diesem Fall einen DC/DC-Wandler) aufwertet, um die Stromspar-Möglichkeiten in den aktiven Modi maximal auszureizen. Im Unterschied zu einem LDO, der aus der Eingangsspannung eine andere (niedrigere) Ausgangsspannung erzeugt, indem die überschüssige Spannung an einem linearen, effektiv passiven und Energie verbrauchenden Element reduziert wird, erzeugt der DC/DC-Wandler die VCORE-Spannung auf effiziente Weise mithilfe aktiver Elemente. Unter Berücksichtigung einiger Effizienzeinbußen kommt der Gleichspannungswandler auf einen Wirkungsgrad von typisch 75% bis 90% (bei mittlerer bis maximaler Last), sodass er gegenüber dem LDO-Regler eine Ersparnis von bis zu 45% erzielt (hier spielt die Differenz zwischen der Versorgungsspannung und den Core-Spannungen eine Rolle). Tabelle 1 vergleicht die Stromaufnahmen von DC/DC-Wandler und LDO bei System-Taktfrequenzen von 24 MHz und 48 MHz.

 

ReglertypCPU-Frequenz 24 MHzCPU-Frequenz 48 MHz
LDO3950 µA oder 164,6 µA/MHz7600 µA oder 158 µA/MHz
DC/DC2200 µA oder 91,7 µA/MHz4600 µA oder 95,8 µA/MHz

 

Tabelle 1: Vergleich der Stromaufnahme zwischen LDO- und DC/DC-Regler bei zwei Taktfrequenzen
Tabelle 1: Vergleich der Stromaufnahme zwischen LDO- und DC/DC-Regler bei zwei Taktfrequenzen

Der LDO hat jedoch auch seine Vorteile, wie etwa die kürzere Hochlaufzeit und die Fähigkeit, die Ausgangsleistung skalieren zu können. Letzteres ist günstig zum Absenken der Ruhestromaufnahme speziell in den Standby-Modi. Der MSP432 bietet Entwicklern die Flexibilität, zur Laufzeit einen oder beide Regler auszuwählen und zu konfigurieren. So können sie sich den Gegebenheiten der Applikation anpassen, die zu unterschiedlichen Zeiten verschiedene Anforderungen an die Stromversorgung stellen kann.