Leistungsmanagement für Mikrocontroller
Batterielebensdauer verlängern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Leistungsaufnahme per Betriebsmodus steuern
Die Leistungsaufnahme lässt sich im Betriebsmodus (OPE), im Schlafmodus (SLEEP), im Software-Stand-by-Modus (SSTBY) und im Schlummermodus (SNOOZE) verringern, indem die Stromversorgung frequenzabhängig optimiert wird.
- BOOST-Modus, maximale Taktfrequenz 64 MHz, hohe Rechenleistung mit geringer Leistungsaufnahme.
- NORMAL-Betrieb, maximale Taktfrequenz 32 MHz. Die Leistungsaufnahme wird dadurch reduziert, dass die Transistoren eine niedrigere interne geregelte Spannung verwenden.
Die Auswahl der folgenden Untermodi mit entsprechender Taktfrequenz ermöglicht es den internen Spannungsregler optimal anzupassen:
- Highspeed-Modus, mit max. 32 MHz
- Lowspeed-Modus, mit max. 2 MHz
- Subosc-Speed-Modus, mit max. 32,768 kHz
- Leckstromarmer Modus (VBB-Modus), maximale Taktfrequenz 32,768 kHz. Der Leckstrom wird reduziert, da an jeden Transistor eine Substratvorspannung angelegt wird.
Durch Anhalten des CPU-Taktgenerators oder Peripheriefunktionen kann die Stromaufnahme weiter reduziert werden:
- Schlafmodus (SLEEP): Stoppt den CPU-Betrieb
- Schlummermodus (SNOOZE): Einige Peripheriefunktionen können arbeiten, während die CPU angehalten ist.
- Software-Stand-by-Modus (SSTBY): Nur der 32-kHz-Taktgenerator oder Peripheriefunktionen, die diesen Takt verwenden, können arbeiten. In diesem Modus arbeitet der Mikrocontroller mit minimaler Leistung und der Leckstrom kann durch Verwendung des VBB-Modus weiter gesenkt werden.
Deep-Software-Stand-by-Modus (DSTBY): Nur einige sehr begrenzte Funktionen wie z.B. der Taktgenerator und die Unterspannungserkennung (LVD, Low Voltage Detection) können arbeiten, für alle anderen Funktionen wird die Stromversorgung unterbrochen, um die Gesamtstromaufnahme so weit wie möglich zu reduzieren.
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Bild 4 zeigt die Modi, die der Mikrocontroller nutzen kann, um seine Rechenleistung und Stromaufnahme zu steuern. Die relative Stromaufnahme in den verschiedenen Low-Power-Modi ist in Bild 5 dargestellt.
Nach einer Reset-Freigabe wacht die MCU im NORMAL-Modus auf und kann softwaregesteuert in den BOOST-Modus oder VBB-Modus wechseln. Die Einstellung des Stromversorgungsmodus entsprechend den Anforderungen der Anwendung kann die Stromaufnahme weiter senken.
Unabhängig steuerbare Versorgungsbereiche
Es gibt vier Versorgungsbereiche im RE-Mikrocontroller. Der Anwender kann zwischen verschiedenen Versorgungsmodi wechseln und Versorgungsbereiche abschalten, wenn sie nicht benötigt werden. Wenn die Stromversorgung in einem Bereich unterbrochen wird, verursacht dieser keine dyna- mische Stromaufnahme und auch die statische Stromaufnahme verringert sich. In Bild 6 sind die vier Versorgungsbereiche des RE-Mikrocontrollers mit den in jedem Bereich verfügbaren Funktionen dargestellt.
Im ALLPWON-Modus werden alle Bereiche des Mikrocontrollers mit Strom versorgt und alle Funktionen sind nutzbar. Der Mikrocontroller kann mit einer maximalen Frequenz von 32 MHz arbeiten. Durch den Wechsel von NORMAL auf BOOST kann der Mikrocontroller seine Taktfrequenz auf eine maximale Frequenz von 64 MHz erhöhen.
Im EXFPWON-Modus ist der Flash-Speicher (ISO3) ausgeschaltet, daher muss der gesamte erforderliche Code in den SRAM verschoben werden, bevor dieser Modus aktiviert wird. Durch die Kombination der Modi zur Steuerung der Stromversorgung und der Modi zur Frequenzsteuerung kann der Mikrocontroller sowohl mit hoher Rechenleistung als auch mit geringer Stromaufnahme arbeiten.
Im MINIPWON-Modus werden nur einige wichtige Funktionen des RE-Mikrocontrollers, die eine geringe Stromaufnahme haben, mit Spannung versorgt. Der Flash-Speicher und die Peripherie-Stromversorgungs-Domäne (ISO2) werden abgeschaltet; ISO2 umfasst viele Peripheriekomponenten mit hoher Stromaufnahme. Wie im EXFPWON-Modus muss der notwendige Code in den SRAM-Bereich kopiert werden, bevor der MINPWON-Modus aktiviert wird.
Modus passend zur Taktfrequenz wählen
Die Steuerungsmodi der Stromversorgung werden entsprechend der Betriebsfrequenz ausgewählt. Durch die Auswahl des optimalen Modus für die erforderliche Betriebsfrequenz lässt sich die Stromaufnahme reduzieren (Bild 7).
Im Normalmodus kann der Mikrocontroller mit bis zu 32 MHz arbeiten. Genügen niedrigere Taktfrequenzen, kann weiter optimiert werden, indem der Modus entsprechend der gewünschten Betriebsfrequenz ausgewählt wird
- Highspeed-Modus: Maximale Betriebsfrequenz von 32 MHz
- Lowspeed-Modus: Maximale Betriebsfrequenz von 2 MHz
- Subosc-Speed-Modus: Maximale Betriebsfrequenz von 32,768 kHz
Die Auswahl des richtigen Modus für die jeweilige Betriebsfrequenz minimiert die Leistungsaufnahme des Mikrocontrollers. Im Boost-Modus unterstützt der Mikrocontroller eine maximale Betriebsfrequenz von 64 MHz. Dadurch lässt sich die maximale Rechenleistung erreichen und der Betrieb von »High-Speed«-Peripheriekomponenten wie USB-Schnittstellen ist möglich.
Der VBB-Modus ist der stromsparendste Modus des RE-Mikrocontrollers, er ermöglicht den Betrieb mit 32,768 kHz. In diesem Modus wird das Anlegen der Substratvorspannung gesteuert, eine Eigenschaft des SOTB-Prozesses, die es ermöglicht, den Leckstrom auf ein Minimum zu reduzieren. Dieser Modus ist nützlich für Anwendungen, bei denen der Mikrocontroller lange Zeit im Bereitschaftsmodus bleibt und bei denen die CPU nur gelegentlich aktiv sein muss. In diesem Modus sind Peripheriekomponenten wie z.B. der A/D-Umsetzer weiterhin verfügbar. Damit lassen sich analoge Signale erfassen und die Stromaufnahme bleibt sehr gering.
Funktionsumfang entscheidet über Leistungsaufnahme
Die Low-Power-Modi sind beim RE-Mikrocontroller je nach den erforderlichen CPU- und Peripheriefunktionen wählbar. Durch die Auswahl des optimalen Modus entsprechend der genutzten Funktionen wird die Stromaufnahme minimiert.
Zu den Low-Power-Modi des RE-Mikrocontrollers gehören die Modi: Schlafmodus, Schlummermodus, Software-Stand- by-Modus und Deep-Software-Stand- by-Modus. Jeder dieser Modi bietet spezifische Vorteile im Hinblick auf einen stromsparenden Betrieb.
Der Schlafmodus hält den CPU-Betrieb an, indem der CPU-Takt vorübergehend angehalten wird. Er wird verwendet, wenn Reaktionszeit und Verarbeitungsgeschwindigkeit Priorität haben, da die CPU schnell aus dem Schlafmodus aufwacht. Die Stromeinsparung ist jedoch geringer als in den anderen Modi, da Oszillatoren und Peripheriekomponenten weiterhin in Betrieb sind (Bild 8).
Die Leistungsaufnahme im Software-Stand-by-Modus ist geringer als im Schlafmodus, da die Taktgeber der CPU, des Flash-Speichers und einiger Peripheriefunktionen deaktiviert sind (Bild 9). Ihre jeweiligen Zustände werden beibehalten, da sie weiterhin mit Spannung versorgt werden, ebenso wie die Daten im SRAM.
Wenn der Software-Stand-by-Modus verlassen wird, kehrt der Mikrocontroller in den Zustand zurück, in dem er sich kurz vor dem Wechsel in den Bereitschaftsmodus befand. Wenn der Schlafmodus verlassen wird und als Modus für die Stromversorgung EXFPWON oder MINPWON gewählt wurde, beginnt die CPU mit dem Abrufen von Befehlen aus dem SRAM.
Der Mikrocontroller geht in den Schlummermodus über, nachdem im Software-Stand-by-Modus ein SNOOZE-Event generiert wurde. Einige Peripheriekomponenten, wie z.B. der ADU oder USART, können in diesem Modus ohne Aktivieren der CPU arbeiten (Bild 10).
Der Mikrocontroller verlässt den Schlummermodus und geht in den Software-Stand-by-Modus über, wenn ein SNOOZE-END-Event erzeugt wird. Wird ein SNOOZE-CANCEL-Event generiert, geht der Mikrocontroller in den Betriebsmodus. Der ADU kann z.B. für eine vorbestimmte Zeit im Schlummermodus arbeiten, wodurch die für die Messung einer analogen Spannung erforderliche Leistungsaufnahme weiter reduziert wird.
Bild 11 zeigt eine analoge Eingangsmessung unter Verwendung eines Timers und des A/D-Umsetzers im Schlummermodus. In diesem Beispiel startet der ADU eine Digitalisierung, ausgelöst durch einen periodischen Timer-Interrupt. Der Mikrocontroller verlässt den Schlummermodus, wenn das Ergebnis der A/D-Umsetzung nicht mit einem vorprogrammierten Fensterwert übereinstimmt.
Der Deep-Software-Stand-by-Modus ist der Zustand mit geringster Stromaufnahme. Die Stromversorgung für alle Bereiche außer der AWO-Domain wird abgeschaltet, wie Bild 12 verdeutlicht.
Eine minimale Anzahl von Funktionen, einschließlich SOSC (Secondary Oscillator), CCC (Sub-Clock Correction Circuit) und LVD (Low Voltage Detection), sind in diesem Modus verfügbar.
Es wird ein energiesparendes Spannungsüberwachungssystem erzielt, da nicht nur ein externer Pin-Interrupt, sondern auch ein Interrupt von der Unterspannungserkennung den Deep-Software-Stand-by-Modus aufheben kann. Ein Übergang in diesen Modus aus dem Boost-Modus ist nicht möglich.
Wenn der Deep-Software-Stand-by-Modus abgebrochen wird, beginnt die Verarbeitung der Reset-Prozedur und der Mikrocontroller wacht im OPE-Betriebsmodus auf. Der Zustand des SRAM ist undefiniert und der Zustand der ausgeschalteten Peripheriefunktionen wird im Deep-Software-Stand-by-Modus nicht beibehalten. Daher ist nach dem Aufheben des Deep-Software-Stand-by-Modus eine Wiederherstellung des Ausgangszustands erforderlich.
Niedrige Leistungsaufnahme schont die Batterie
Die einzigartige Low-Power-Architektur des RE-Mikrocontrollers ermöglicht es den Anwendungen, »Zeit zu gewinnen« und die Einsatzdauer batteriebetriebener Geräte zu erhöhen. Die Bausteine der RE-Mikrocontrollerfamilie erreichen im Betrieb eine Stromaufnahme von nur 12 µA/MHz und im Bereitschaftsbetrieb eine Stromaufnahme von nur 100 µA.
Diese Werte für die Stromaufnahme in Kombination mit der Rechenleistung ermöglichen es, im ULPMark-CP-Benchmark des EEMBC (Embedded Microprocessor Benchmark Consortium) mit einem Wert von 705 einen Spitzenwert für Mikrocontroller zu erreichen [1]. Erzielt wird dies durch die Fähigkeit des RE-Mikrocontrollers, für jede spezifische Anwendung und Funktion optimiert werden zu können, wodurch die Stromaufnahme reduziert und gleichzeitig die Rechenleistung für jeden Teil der Anwendung maximiert wird.
Literatur:
[1] Scores for ULPMark-CP and ULPMark-PP. Embedded Microprocessor Benchmark Consortium, Internetseite, www.eembc.org/ulpmark/scores.php.
Der Autor
Graeme Clark
arbeitet seit mehr als 20 Jahren bei Renesas Electronics Europe und war zuvor bei Hitachi Electronics in verschiedenen Funktionen im Bereich Low-Power-Mikrocontroller tätig. In seiner aktuellen Position ist er für die Einführung der neuen SOTB-basier-ten Embedded-Mikrocontroller im europäischen Markt verantwortlich
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