Proiectarea puterii decide dacă produsul tău rezistă pe teren. Durata de viață a bateriei, limitele de încălzire, zgomotul șinei și costul de fabricație se bazează pe câteva alegeri la nivel de placă. Adesea, pierzi energie în locuri pe care inginerii le trec cu vederea: un regulator cu scurgeri, un periferic sincronizat la stânga, o sursă de semnal care se declanșează prea des.
Soluția se întinde pe caracteristicile siliciului, configurația plăcii și firmware-ul. Niciun cip singular nu rezolvă problema. Ai nevoie de control al microcontrolerului (MCU) pe toate cele trei niveluri.
Un microcontroler de consum redus de energie este un dispozitiv specificat pentru curent redus în modurile de repaus și activ. Gestionarea energiei este practica de pornire, scalare și secvențiere a alimentării și a ceasurilor pentru a se potrivi cererii reale.
Intrebari cu cheie
Măsoară mai întâi consumul de energie al plăcii tale de bază. Găsește partea care consumă cea mai multă energie și repar-o înainte de orice altceva.
Folosește modurile de repaus și oprește perifericele de care nu ai nevoie. Lasă procesorul să intre în repaus cât mai mult posibil pentru a economisi energie.
Alegeți regulatorul potrivit pentru fiecare rețea de alimentare. Folosiți convertoare DC-DC pentru căderi mari de tensiune și LDO-uri pentru componentele sensibile la zgomot.
Alegeți un MCU uitându-vă la curentul măsurat și la timpul de activare. Potriviți caracteristicile sale cu ciclul de funcționare pe care îl utilizați efectiv.
Proiectează-ți placa cu o dispunere bună și un control termic bun . Păstrează traseele cristaline scurte și folosește planuri de masă neîntrerupte.
Ce face ca un microcontroler să fie de consum redus de energie?
Definirea MCU-urilor de putere redusă
Un microcontroler de consum redus de energie este construit să utilizeze foarte puțin curent în fiecare stare, nu doar atunci când procesorul funcționează. Eticheta în sine nu înseamnă mare lucru. Ar trebui să evaluați un microcontroler de consum redus de energie în funcție de ce rămâne pornit în fiecare mod și de ce este necesar pentru a părăsi acel mod.
Modurile de repaus influențează o mare parte din acest comportament. O scară tipică arată astfel:
Repaus: procesorul și majoritatea perifericelor se opresc, dar registrele și memoria rămân păstrate, iar o întrerupere externă sau o resetare a sistemului watchdog trezește dispozitivul.
Inactivitate: ceasul procesorului se oprește, dar perifericele continuă să funcționeze, deci componenta reacționează în continuare la evenimente.
Somn profund: majoritatea circuitelor interne se opresc și doar sistemul de supraveghere și detectarea evenimentelor externe rămân active.
Unele microcontrolere de consum redus adaugă setări de regulator selectabile de utilizator în timpul repausului. Setările de consum mai mici înseamnă timpi de trezire mai lungi. Dezactivarea modulelor periferice vă permite să dezactivați blocurile neutilizate pentru a economisi și mai mult.
Caracteristici cheie de evaluat
Comparați microcontrolerele de consum redus de energie în funcție de curentul măsurat, nu în funcție de denumirea modurilor. Cronometrarea purtabilă cu un RTC în funcțiune poate atinge aproape 0.3 µA, iar unele carcase de standby ajung la 0.1 µA. Un mod SLEEP într-un dispozitiv de securitate poate menține, de asemenea, 0.1 µA sau 0.2 µA cu RTC activ.
metric | Ce iti spune |
|---|---|
Putere activă | Curent pe MHz în timp ce procesorul execută |
Standby curent | Scurgeri când aproape întregul dispozitiv este oprit |
Timpul de trezire | Stabilirea ceasului și întârzierea rampei regulatorului |
Costul de retenție | SRAM menținută activă în timpul somnului |
Energia per ciclu de trezire contează la fel de mult ca curentul de repaus. Stabilirea analogică poate dura milisecunde. Scurgerea stabilește limita de viață a bateriei și se dublează aproximativ la fiecare creștere de 10°C, așa că verificați scurgerea totală a sistemului la temperaturile extreme. Pentru o comparație corectă între furnizori, utilizați ULPMark-CP pentru energia din repaus profund și ULPMark-PP pentru impactul periferic. Alegeți MCU-ul de putere redusă ale cărui surse de trezire și latență se potrivesc ciclului dvs. de funcționare.
Noțiuni fundamentale despre consumul de energie
Putere dinamică vs. putere statică
Puterea dinamică este energia utilizată atunci când semnalele comută. Fiecare front de ceas încarcă și descarcă capacitatea din porți și fire. Puterea dinamică crește odată cu capacitatea, odată cu pătratul tensiunii de alimentare și odată cu frecvența. Puteți controla toate trei prin setarea ratei de ceas, a tensiunii rail și a porțiunii din cip care rămâne activă.
Curentul static este curentul care circulă atunci când nu se comută nimic. Provine din scurgerile din fiecare tranzistor de pe dietă. Această parte a consumului de energie nu depinde de viteza de ceas. Curge atâta timp cât șina este activată, deci stabilește cel mai mic curent de standby pentru orice microcontroler.
Scalarea frecvenței, tensiunii și scurgerilor
Scalarea scurgerilor depinde de proces și de raportul dintre tensiunea de alimentare și tensiunea de prag. Activitatea semnalului nu joacă niciun rol. Mai mulți factori stabilesc valoarea:
Scurgerea subprag depinde exponențial de tensiunea poartă-sursă și de tensiunea de prag.
Raportul lățime-lungime al tranzistorului și parametrii de proces stabilesc nivelul absolut.
Creșterea tensiunii de prag sau scăderea tensiunii de alimentare reduce scurgerile, dar are costuri legate de viteza de comutare.
Scurgerile cresc odată cu temperatura, așa că colțurile fierbinți pot domina bugetul în cel mai rău caz.
În nodurile avansate, scurgerile reprezintă aproximativ 40-60% din pierderea de putere. Dielectricii de poartă cu K ridicat și polarizarea corpului ajută la scăderea acesteia sub 100 pA/µm.
Nodurile avansate, cum ar fi FD-SOI de 22nm, acceptă funcționarea sub prag, însă funcționarea sub prag face cipul mai sensibil la schimbările de temperatură, așa că performanța ar trebui verificată de la -40°C la 85°C.
Pentru un MCU de putere redusă, scalați mai întâi frecvența, apoi tensiunea. Verificați consumul de energie al MCU la ciclul de funcționare real, nu la vârf. Măsurați consumul de energie în fiecare stare de repaus pe propria placă. Un MCU de putere redusă cu valori bune ale scurgerilor de energie tot risipește energie dacă firmware-ul nu îl lasă niciodată să intre în repaus.
Arhitectură MCU cu consum redus de energie
Moduri de repaus, sincronizare cu ceasul și domenii de alimentare
Modurile de repaus stabilesc cel mai scăzut punct pentru bugetul energetic. Consumul de curent scade de obicei mult pe măsură ce coborâți în scară. Repausul este de aproximativ 2–5 mA, oprirea este de aproximativ 20–100 µA, iar standby este de aproximativ 1–5 µA. Sursele de activare decid cât de des reporniți modul. Fronturile GPIO, RTC, un comparator analogic și un prag ADC pot activa cipul. Alegeți cea mai lentă declanșare pe care o poate gestiona aplicația dvs.
Controlul de ceas oprește ceasul la blocurile inactive, iar partiționarea domeniului de alimentare întrerupe alimentarea din zone întregi ale matriței. Aceste domenii la nivel de cip se potrivesc cu șinele plăcii de bază. Un domeniu pe care nu îl utilizați niciodată nu ar trebui să primească nicio tensiune. Această mapare este nucleul gestionării alimentării microcontrolerelor.
Firmware-ul ar trebui să reducă mai întâi frecvența, apoi tensiunea, la scalare. Scalarea frecvenței este instantanee și sigură. Scalarea tensiunii necesită un regulator stabil și o întârziere de stabilizare. Folosește această ordine în fiecare arhitectură MCU de consum redus de energie pe care o construiești.
Temporizatoare, convertizoare analogice-digitale și convertoare CC-CC integrate în cip
Arhitectura microcontrolerelor cu consum redus de energie se bazează pe periferice care rulează fără procesor. Un microcontroler cu consum redus de energie, cu un temporizator de consum redus, se poate activa la un interval lung și poate lăsa nucleul să rămână în repaus profund. ADC-ul ajută atunci când se compară cu un prag din hardware. Nucleul se activează apoi doar la un eveniment real. Acest lucru reduce timpul de activitate și îmbunătățește consumul de energie al microcontrolerului la nivel de sistem.
Un convertor CC-CC integrat schimbă acest compromis. Menține eficiența pe o gamă largă de intrare și reduce căldura. Un MCU de putere redusă cu un convertor integrat depășește adesea o linie bazată pe LDO în curentul de repaus profund. Verificați curentul de repaus al convertorului înainte de a vă angaja. Un MCU de putere redusă este la fel de bun ca sursa sa de alimentare.
Tratați MCU-ul ca pe centrul gestionării alimentării microcontrolerului. Conectați fiecare șină periferică la cerere. Măsurați curentul de repaus în fiecare mod de pe propria placă. O arhitectură MCU de consum redus recompensează această disciplină. Un MCU de consum redus care nu intră niciodată în repaus își irosește siliciul. Repausul profund este o decizie de firmware, nu o caracteristică a fișei tehnice. Curentul de repaus profund depinde de ceea ce lăsați activat. Repausul profund dă rezultate doar atunci când fiecare bloc neutilizat este dezactivat.
De ce contează puterea pentru dispozitivele IoT și baterii
Durata de viață a bateriei și bugetarea energiei
Un dispozitiv alimentat de baterii depinde de bugetul său energetic pentru a continua să funcționeze. Începi cu miliamperii-oră din celulă și îi împarți pentru fiecare sarcină pe care o efectuează produsul. Curentul de repaus, energia de trezire, izbucnirile radio și stabilizarea senzorilor, toate provin din același grup. O singură sarcină pe care o treci cu vederea poate prelua totalul.
Construiți bugetul din cifre măsurate, nu din estimări. Profilați consumul de energie al fiecărei stări de pe placa dvs. de bază. Apoi, înmulțiți curentul fiecărui nivel cu timpul petrecut de dispozitiv acolo. Suma vă arată durata reală de viață a bateriei. Dacă rezultatul este insuficient, găsiți mai întâi termenul cel mai mare. Majoritatea modelelor pierd mai multă energie din cauza perifericelor inactive decât din cauza calculului activ.
Considerații termice și de fiabilitate
Rezistența electrică din semiconductori generează căldură proporțional cu fluxul de curent și frecvența de comutare. Vitezele de ceas mai mari și integrarea mai densă agravează acest lucru. Temperatura joncțiunii este parametrul care contează. Dispozitivele din siliciu sunt de obicei evaluate pentru temperaturi maxime de joncțiune de 85°C până la 150°C, în funcție de grad. Depășirea acestor limite accelerează îmbătrânirea prin electromigrare, stres termic și degradare prin metalizare.
Rezistența termică a pachetului, adesea între 20°C/W și 60°C/W pentru componentele QFN și BGA, creează un gradient între circuitul integrat și temperatura ambiantă. Punctele fierbinți localizate la nivelul nucleelor procesorului, PLL-urilor și unităților de gestionare a energiei pot crește cu 20-30°C peste temperatura medie a circuitului integrat. Fiecare creștere cu 10°C a temperaturii de funcționare poate reduce durata de viață așteptată a dispozitivului la jumătate, urmând ecuația Arrhenius pentru accelerarea ratei de defecțiune.
Aveți mai multe metode pentru a reduce căldura și a prelungi durata de viață:
Selectați o piesă cu rezistență termică mai mică în același ambalaj.
Îmbunătățiți radiatorul sau treceți la răcire activă.
Reduceți frecvența de comutare pentru a reduce pierderile dinamice.
O variație de temperatură de 70 K, derivată din profilul de sarcină, permite o temperatură maximă a radiatorului de 55°C atunci când limita de temperatură a cipului este de 125°C.
Verificați cerințele de putere ale fiecărei șine în raport cu aceste limite. Un design termic conservator, cu marjă de protecție, este mai bun decât unul strict atunci când costul permite.
Managementul energiei și eficiența energetică în practică
Tehnici de firmware pentru reducerea timpului activ
Timpul este cea mai mare pârghie. Reduceți timpul petrecut procesând activ și lăsați sistemul să doarmă mai mult, iar consumul de energie al întregului sistem scade. Curentul de repaus promovat de MCU stabilește limita. Modul în care firmware-ul programează sarcinile stabilește limita a ceea ce obțineți cu adevărat.
Un program cu senzori portabili a arătat clar acest lucru. Bucla principală era ocupată, așteptând tranzacțiile I2C în loc să intre în WFI, instrucțiunea Cortex-M care oprește ceasul procesorului până la următoarea întrerupere. Fiecare corecție ulterioară - temporizarea senzorului, arborele de ceas, rata de ceas eMMC - era limitată de această singură decizie. Buclele de interogare costau între 200 µA și 3 mA. Wake-ul bazat pe întreruperi elimină acest cost.
Tehnica firmware-ului | Economii tipice | Efort |
|---|---|---|
Bucla de somn corectă, fără rotire | 500 µA – 2 mA | Scăzut |
Ciclul de serviciu radio | 50–800 µA în medie | Mediu |
Controlul puterii periferice prin comutatorul de sarcină | 7–800 µA | Mediu |
Starea pinului SPI în repaus (unitatea este slabă) | 10–30 µA | Scăzut |
Trezire bazată pe întreruperi, fără interogare | 200 µA – 3 mA | Mediu |
Comandă rapidă SPIM DMA + PPI | 50–200 µA | Înalt |
Activare regulator CC/CC | 20–50 µA activ | Scăzut |
Selectarea sursei ceasului | 0.1–0.9 µA | Scăzut |
Pe nRF52840, sistemul pornit cu procesorul oprit consumă aproximativ 1.5 µA plus perifericele și se activează în aproximativ 6 µs. Sistemul oprit consumă aproximativ 0.4 µA, dar se activează ca o pornire la rece, costând aproximativ 20 ms și 6 mA·ms per eveniment. La rate realiste de evenimente, sistemul pornit a câștigat.
Alegeți cu grijă stările de repaus profund. Repeul profund este util doar atunci când fiecare bloc neutilizat este dezactivat. Alegeți senzori digitali care se activează la întrerupere sau își procesează datele în loturi. Evitați eșantionarea constantă a ADC-ului, ceea ce forțează MCU-ul să rămână activ. Folosiți declanșatoare bazate pe evenimente, astfel încât perifericele și afișajele să se pornească doar atunci când este nevoie. Aceste tehnici de optimizare a consumului de energie cresc eficiența energetică fără a necesita hardware nou.
Strategii de închidere a porților periferice și feroviare
Gândiți-vă la microcontroler ca la un centru inteligent de control al energiei. Construiți un mecanism de control al energiei astfel încât modemurile, afișajele, convertizoarele analogice/digitale (ADC-urile) și senzorii să se oprească atunci când sunt inactive. Luați în considerare timpul de pornire și curentul de supratensiune înainte de a porni o șină. Unele sarcini nu pot gestiona un ciclu complet de alimentare.
Funcționarea de tip „rail gating” este rentabilă atunci când două domenii de tensiune oferă economii reale. În schimb, acceptați un convertor suplimentar și schimbări de nivel. Preferați comutarea convertoarelor DC-DC în locul LDO-urilor, deoarece un regulator liniar arde căderea de tensiune sub formă de căldură. Opriți modulele MCU interne atunci când nu sunt utilizate și controlați-le dinamic în cod.
Prioritizați perifericele în detrimentul selecției MCU. Dacă placa consumă aproximativ 500 mA, în timp ce MCU-ul utilizează aproximativ 10 mA, optimizarea piesei produce puțin. În schimb, limitați sarcinile mari. Pentru proiectele de tip harvesting, curentul de repaus la nivel de nanoamperi din regulator menține șina activă între evenimente. Măsurați fiecare etapă cu un profiler, în loc să estimați. Această disciplină protejează durata de viață a bateriei și eficiența energetică în timpul reviziilor.
Proiectarea alimentării la nivel de placă pentru microcontrolere
Compromisuri LDO vs. DC-DC
Regulatorul pe care îl alegi setează eficiența, căldura și zgomotul înainte de rularea oricărui firmware. Compară cele două opțiuni în ceea ce privește punctele care contează pentru șina ta.
Dimensiune | Convertor DC-DC | Regulator LDO |
|---|---|---|
Eficiență: | De obicei 80–95% | De obicei 50–70% |
Generarea de căldură | Coborâți | Superior |
Zgomot de ieșire | Mai mare (riplu de comutare + EMI) | Foarte jos, aproape fără ondulații |
Componente externe | Mai multe (inductor, condensator, elemente de comutare) | Puţini |
Curent de standby | Uneori mai sus | Adesea foarte scăzut |
Cea mai bună utilizare | Sisteme de curent înalt cu o cădere mare de tensiune | Șine RF, analogice și sensibile la zgomot |
Pierderea LDO crește odată cu căderea de tensiune și curentul de sarcină. O șină de 5V la 3.3V la 100mA risipește 0.17W, ceea ce este ușor de gestionat. O șină de 12V la 3.3V la 500mA risipește 4.35W, ceea ce reprezintă prea multă căldură. Alegeți un convertor DC-DC, deoarece căderea de tensiune și curentul devin mai mari.
Zgomotul decide restul. Ripple-ul de comutare afectează precizia ADC-ului, armonicele de înaltă frecvență scad sensibilitatea RF, iar vârfurile de comutare provoacă un șuierat audibil pe căile audio. O configurație obișnuită conectează bateria sau 12V la un reductor DC-DC, apoi la un LDO pentru curățarea zgomotului, apoi la RF, ADC și șinele senzorilor. Un ADC de precizie pe 24 de biți pe o șină de la 5V la 3.3V are nevoie de un LDO, deoarece o ripple buck de 10–30mV ar acoperi semnalele de microvolți. O șină auto de la 12–14V la 5V la 1.5A are nevoie de un buck, deoarece un LDO ar irosi aproximativ 13.5W. Un transceiver RF IoT la 9V la 3.3V și 300mA funcționează cel mai bine cu un hibrid: buck la 3.6V, apoi LDO la 3.3V, irosind doar 0.09W.
Secvențierea șinelor, decuplarea și zgomotul
Decuplarea menține tensiunea constantă atunci când apar tranzitorii de sarcină. Plasați condensatoarele de stocare a energiei cât mai aproape posibil de circuitele care provoacă tranzitorii. Această alimentare locală micșorează aria buclei de curent și reduce inductanța parazitară.
Urmați aceste reguli de plasare:
Montați fiecare condensator lângă perechea sa de pini VDD-VSS și mențineți bucla mică.
Asociați un condensator de înaltă frecvență de 0.1 µF cu un condensator de 4.7 µF sau 10 µF în apropiere.
Folosește un condensator per pin de alimentare și nu partaja niciodată condensatoare între pini distanțați.
Legați un terminal la pista VDD și introduceți-l pe celălalt direct printr-o via în planul de masă.
Folosiți planuri continue de masă și putere, astfel încât căile de retur să rămână cu impedanță scăzută. Adăugați bile de ferită sau rezistențe mici pe liniile VDD pentru a forma filtre RC sau LC. În plăcile cu semnal mixt, uniți masă analogice și digitale într-un singur punct și filtrați AVDD separat.
Verificați din timp comportamentul la cădere de tensiune și la resetare. Un supervizor de resetare trebuie să mențină MCU-ul în resetare până când șina este stabilă, iar liniile GPIO care părăsesc placa necesită rezistențe serie și diode de fixare.
Acești pași protejează controlul microcontrolerului în timpul pornirii și mențin previzibilă gestionarea alimentării microcontrolerului în diferite versiuni.
Considerații privind aspectul, temperatura și modulul de procesare digitală (DFM)
Dispunerea cristalului, ceasului și planului de masă
Plasați cristalul cât mai aproape de microcontroler, pe cât permite pachetul. Traseele scurte reduc zgomotul și mențin semnalul curat. Rutați aceste trasuri într-un mod echilibrat, deoarece lungimile neuniforme pot face oscilația instabilă. Nu conectați fire de cale la trasele cristalului, deoarece inductanța suplimentară afectează precizia de sincronizare. Folosiți condensatoare de sarcină cu valori care corespund specificațiilor cristalului și conectați-le la o masă cu impedanță scăzută.
Traseele lungi adaugă inductanță și capacitate nedorite. Acestea modifică sarcina pe care o recepționează cristalul și fac oscilatorul mai deschis la EMI . Dirijați trasele cristalului departe de semnalele de comutație de mare viteză și de liniile electrice. Zgomotul care se cuplează crește jitter-ul, agravează zgomotul de fază și poate chiar opri o pornire fiabilă. Inelele de protecție și turnările locale de cupru sporesc imunitatea, dar prea mult cupru în apropierea pinilor adaugă capacitate parazită. Echilibrați ecranarea cu sarcina și urmați sfaturile producătorului cristalului privind valorile condensatoarelor, nivelul de acționare și marja de pornire.
Strategia planului de masă susține toate acestea. Folosește un plan continuu sub microcontroler și menține curenții de retur scurți. Filtrează referința ADC-ului independent, deoarece zgomotul de referință apare direct în citiri.
Compromisuri între proiectarea termică și fabricație
Căldura scurtează durata de viață. Temperatura joncțiunii duce la îmbătrânire, iar pachetele cu temperatură de 85°C până la 150°C lasă puțin spațiu în partea superioară a intervalului. Rezistența termică a pachetului de 20°C/W până la 60°C/W pentru piesele QFN și BGA stabilește gradientul de la matriță la temperatura ambiantă. Cuprul se toarnă sub piesă, iar canalele termice către straturile interioare răspândesc acea căldură. Verificați fiecare șină în funcție de aceste limite înainte de a bloca stivuirea.
Restricțiile DFM influențează aceleași alegeri. Traseele subțiri economisesc spațiu , dar adaugă rezistență și căldură. Via-in-pad-ul crește performanța termică și costă mai mult fabricarea. Utilizarea panourilor și numărul de straturi determină costurile, așa că confirmați din timp spațiul minim dintre burghiu, inel inelar și mască de lipire al fabricii. O machetă care ignoră aceste reguli revine ca o reluare. Revizuiți termica și DFM împreună, iar designul de putere supraviețuiește atât în bancul de lucru, cât și în linia de producție.
Selectarea MCU-ului potrivit
Criterii și compromisuri
Începeți cu curentul pe care l-ați măsurat efectiv, nu cu numele modurilor. Împărțiți curentul activ la MHz, astfel încât să puteți compara părțile de la egal la egal. Uitați-vă la curentul de repaus, deoarece acesta decide cât timp durează bateria în timp ce este inactivă. Apoi, asigurați-vă că memoria flash și memoria RAM pot stoca firmware-ul, bibliotecile de securitate și imaginea OTA.
Criteriu | De ce contează | Gamă tipică IoT cu consum redus de energie |
|---|---|---|
Curent activ | Controlează energia în timpul rafalelor de calcul | ~30–120 µA/MHz |
Curent în modul repaus/așteptare | Setează durata de viață a bateriei în stare de inactivitate | ~50 nA – 5 µA |
Bavura | Deține firmware, securitate, OTA | ~64 KB – 1 MB |
RAM | Bufferează datele senzorilor și blocurile criptografice | ~8 KB – 256 KB |
Radio integrat | Taie piesele externe și căile de scurgere | SoC BLE / Sub-GHz / Wi-Fi |
Echilibrează viteza cu durata de viață a bateriei. Un ceas mai rapid lucrează mai repede, dar consumă mai mult curent în acel moment. Rafalele scurte urmate de repaus profund mențin de obicei energia totală la un nivel scăzut. De asemenea, echilibrează costul cu integrarea. Un microcontroler separat plus un radio extern reduc prețul unitar, dar adaugă pierderi de la placă și regulatoare. Un SoC integrat simplifică aspectul și integritatea alimentării, deși siliciul costă mai mult.
Familii populare MCU comparate
Componentele ARM Cortex-M , precum STM32F0 și STM32F3, oferă moduri de consum redus de energie și un ecosistem puternic. STM32F0 își propune să economisească energie, în timp ce STM32F3 oferă putere în schimbul vitezei. Espressif ESP8266 și ESP32 includ Wi-Fi, iar ESP32 adaugă Bluetooth. ATmega328 rămâne ieftin și ușor de utilizat, cu suport solid din partea comunității.
MSP430 și-a câștigat renumele datorită funcționării la consum ultra-redus de energie. Familiile mai noi ARM Cortex-M0 și STM32U0 au ajuns în mare parte din urmă. MSP430 deține în continuare un avantaj real datorită memoriei FRAM, care oferă o rezistență la scriere aproape nelimitată și o energie de scriere foarte redusă. Aceasta se potrivește perfect cu energia de captare și înregistrarea constantă a memoriei. Pentru majoritatea modelelor noi, luați în considerare mai întâi Cortex-M0 sau STM32U0. Alegeți MSP430 atunci când FRAM contează. Căile de upgrade includ TI MSPM0 sau STM32U0.
Adaptați-vă sistemul de operare la nevoile de memorie și energie. FreeRTOS funcționează pe componente mici, iar Linuxul Embedded necesită mult mai multă memorie RAM și memorie flash. Tratați optimizarea MCU/unității de procesare ca pe o sarcină a întregului sistem. Cel mai bun MCU eficient din punct de vedere energetic tot risipește energie dacă firmware-ul nu intră niciodată în repaus. Comparați microcontrolerele de consum redus folosind propriul ciclu de funcționare. Un microcontroler de consum redus cu numere mari poate totuși pierde în fața unui MCU de consum redus cu o latență de activare mai bună. Alegeți MCU de consum redus ale cărui surse de activare se potrivesc evenimentelor dvs. Această alegere întrece orice fișă tehnică. Un MCU de consum redus care se potrivește sarcinii dvs. de lucru câștigă.
Tendințe viitoare în puterea MCU
Progrese în procese și conversie integrată a energiei
Producătorii de cipuri continuă să micșoreze nodurile de proces din siliciu, iar fiecare pas reduce tensiunea de care are nevoie un nucleu pentru a comuta. Această scădere reduce puterea dinamică, dar scurgerile de energie devin o pondere mai mare din total. Proiectanții răspund cu polarizarea corpului, dielectrici cu K ridicat și o partiționare mai fină a domeniilor de putere. Așteptați-vă ca componentele viitoare să ofere mai multe domenii, nu mai puține, așa că planificați-vă bugetul pentru șine cu spațiu suplimentar.
Integrarea este cealaltă mare schimbare. Furnizorii pun acum convertoarele buck și LDO-urile pe aceeași matriță ca și nucleul. O componentă recentă ARM Cortex-M0 pe 32 de biți funcționează la 24 MHz de la 1.8 la 3.3 V și consumă 18 µA/MHz pe CoreMark. Curentul său de deepsleep este de 340 nA cu RTC-ul și 8 kB de SRAM menținute active. Convertoarele buck inductive integrate, un LDO și un mod de consum redus de energie de 1 MHz fac acest lucru posibil. Se obține o eficiență energetică mai bună deoarece convertorul se adaptează la tensiunea nucleului în loc să ardă diferența sub formă de căldură.
Recoltarea energiei și funcționarea cu consum ultra-redus de energie
Recoltarea energiei se mută de la demonstrațiile de laborator la etichete și senzori inteligenți. Proiectele cu sursă duală conectează acum frecvența radio cu celulele fotovoltaice, astfel încât o etichetă continuă să funcționeze chiar și atunci când una dintre surse se diminuează. Un PMIC însoțitor se ocupă de partea frontală a recoltării energiei. Furnizorii oferă componente pentru intrări fotovoltaice, RF, vibrații, termice și cu sursă duală, plus variante hibride de putere mică-mare.
Tratați microcontrolerul (microcontrollerul) ca pe supraveghetorul acelei șine recoltate. Un microcontroler de consum redus ar trebui să se activeze pe un comparator sau un temporizator, să ia o citire și să revină la repaus profund. Microcontrolerul de consum redus din tabelul de mai sus menține 8 kB de SRAM activ în repaus profund, astfel încât evitați o pornire la rece la fiecare eveniment. Acest obicei protejează durata de viață a bateriei în produsele care încă mai conțin o celulă. Alegeți un microcontroler de consum redus cu o gamă largă de alimentare și un mod real de 1 MHz. Apoi măsurați curentul de repaus al fiecărei șine, deoarece recoltarea nu lasă energie de irosit.
Măsoară mai întâi puterea. Apoi folosește arhitectura, metodele de firmware, designul la nivel de placă și selecția inteligentă a MCU-urilor , în această ordine. Fiecare strat se bazează pe cifrele pe care le-ai adunat înainte.
O proiectare bună a puterii necesită treceri repetate. Acoperă siliciul, placa de bază și software-ul. Nicio alegere dintr-un singur cip nu ți-o oferă și nicio trecere nu o finalizează. Îmbunătățești controlul microcontrolerului pe măsură ce măsurătorile devin mai bune.
Începeți acum. Creați un profil al designului actual și găsiți cel mai mare consumator de energie. Remediați mai întâi acest aspect, apoi măsurați din nou. Țineți cont de compromisurile dintre DFM și fabricație, iar microcontrolerul dvs. își va atinge obiectivul de durată de viață a bateriei.
FAQ
Cum măsor curentul real de somn pe propria mea placă?
Măsoară la șină, nu la alimentarea de la bancă. Tăiează traseul către MCU și introdu un shunt de curent sau un jumper pentru un aparat de măsură. Lasă firmware-ul să intre în fiecare mod de repaus și să înregistreze curentul timp de câteva minute. Scăde consumul de curent în repaus al regulatorului. Numerele din fișa tehnică rareori se potrivesc cu placa ta de bază.
Când ar trebui să aleg un convertor LDO în loc de un convertor DC-DC?
Alegeți un LDO pentru șine sensibile la zgomot, cum ar fi referințele ADC, front-end-urile RF și senzorii analogici . Alegeți un convertor DC-DC atunci când căderea de tensiune și curentul de sarcină sunt mari. Un hibrid funcționează bine: reduceți tensiunea aproape de țintă, apoi LDO pentru curățare. Acest lucru menține căldura scăzută și zgomotul controlat.
Ce sursă de trezire ar trebui să aleg pentru un dispozitiv cu baterie?
Alegeți cea mai lentă declanșare pe care o poate tolera aplicația dvs. Un front GPIO se activează cel mai rapid, dar se declanșează des. O alarmă RTC, un comparator analogic sau un prag ADC se activează mai rar și economisește mai multă energie. Potriviți sursa de activare cu rata reală de evenimente, apoi măsurați energia per ciclu de activare.
Cum evaluez o afirmație de putere redusă pe o fișă tehnică?
Ignorați numele modurilor și comparați curentul măsurat pe MHz în modul activ. Verificați curentul de standby, latența de activare și costul de retenție SRAM. Rulați valorile ULPMark-CP și ULPMark-PP dacă producătorul le publică. Apoi confirmați valorile pe propria placă la temperaturile extreme. Un microcontroler bun își obține calificativul în circuitul dvs., nu pe hârtie.
Designul eficient al energiei recompensează răbdarea. Mai întâi, stabiliți profilul, fixați cel mai mare consumator și măsurați din nou. Fiecare trecere aduce produsul mai aproape de obiectivul de durată de viață a bateriei.
