Конструкция системы питания определяет, насколько долговечным будет ваш продукт в полевых условиях. Срок службы батареи, температурные ограничения, шумы от питания и себестоимость производства — все это сводится к нескольким решениям на уровне платы. Часто потери энергии происходят в местах, которые инженеры упускают из виду: неисправный регулятор, периферийное устройство работает с задержкой, источник бесперебойного питания срабатывает слишком часто.
Решение затрагивает все аспекты конструкции микросхемы, компоновку платы и микропрограммное обеспечение. Ни один отдельный чип не решает проблему. Необходимо управление микроконтроллером на всех трех уровнях.
Микроконтроллер с низким энергопотреблением — это устройство, рассчитанное на низкое потребление тока в спящем и активном режимах. Управление питанием — это практика регулирования, масштабирования и последовательности подачи питания и тактовых сигналов в соответствии с реальным потреблением.
Основные выводы
Сначала измерьте энергопотребление вашей платы. Найдите компонент, который потребляет больше всего энергии, и устраните проблему в первую очередь.
Используйте спящие режимы и отключайте ненужные периферийные устройства. По возможности позволяйте процессору находиться в спящем режиме для экономии энергии.
Выберите подходящий стабилизатор для каждой линии питания. Используйте DC-DC преобразователи для больших падений напряжения и LDO для компонентов, чувствительных к помехам.
Выбирайте микроконтроллер, ориентируясь на измеренный ток и время пробуждения. Сопоставьте его характеристики с фактически используемым вами рабочим циклом.
При проектировании платы учитывайте правильную компоновку и контроль температуры . Используйте короткие дорожки для кварцевого резонатора и непрерывные заземляющие плоскости.
Что делает микроконтроллер маломощным?
Определение маломощных микроконтроллеров
Микроконтроллер с низким энергопотреблением разработан таким образом, чтобы потреблять очень мало тока во всех состояниях, а не только во время работы процессора. Одной лишь маркировки недостаточно. Определить энергоэффективность микроконтроллера следует по тому, что остается включенным в каждом режиме и что требуется для выхода из этого режима.
Режимы сна во многом определяют это поведение. Типичная схема выглядит следующим образом:
Режим сна: процессор и большинство периферийных устройств отключаются, но регистры и память сохраняются, а внешнее прерывание или сброс сторожевого таймера пробуждают устройство.
В режиме ожидания: тактовая частота процессора останавливается, но периферийные устройства продолжают работать, поэтому микросхема по-прежнему реагирует на события.
Глубокий сон: большинство внутренних цепей отключаются, и остаются активными только сторожевой таймер и система обнаружения внешних событий.
В некоторых маломощных микроконтроллерах во время спящего режима добавляются выбираемые пользователем параметры регулятора. Более низкие значения энергопотребления означают более длительное время пробуждения. Функция отключения периферийных модулей позволяет отключать неиспользуемые блоки для еще большей экономии.
Ключевые характеристики для оценки
Сравнивайте маломощные микроконтроллеры по измеренному току, а не по названиям режимов. Носимые устройства с работающим RTC могут потреблять около 0.3 мкА, а в некоторых режимах ожидания — до 0.1 мкА. В режиме сна в устройстве безопасности потребление тока также может составлять 0.1 мкА, или 0.2 мкА при активном RTC.
Метрика | Что это вам говорит |
|---|---|
Активная сила | Ток на МГц во время выполнения ЦП |
Ток в режиме ожидания | Утечка происходит, когда почти всё устройство выключено. |
Время пробуждения | Задержка установления тактового сигнала и задержки нарастания сигнала регулятора. |
Стоимость удержания | SRAM поддерживается в рабочем состоянии во время сна |
Энергопотребление за цикл пробуждения так же важно, как и потребление в спящем режиме. Аналоговое установление может занимать миллисекунды. Утечка энергии определяет минимальный срок службы батареи, и она примерно удваивается при каждом повышении температуры на 10°C, поэтому проверяйте общую утечку энергии в системе при экстремальных температурах. Для объективного сравнения между производителями используйте ULPMark-CP для оценки энергопотребления в режиме глубокого сна и ULPMark-PP для оценки влияния на периферийные устройства. Выберите микроконтроллер с низким энергопотреблением, источники пробуждения и задержка которого соответствуют вашему рабочему циклу.
Основы энергопотребления
Динамическая и статическая мощность
Динамическая мощность — это энергия, потребляемая при переключении сигналов. Каждый импульс тактового сигнала заряжает и разряжает емкость в затворах и проводниках. Динамическая мощность возрастает пропорционально емкости, квадрату напряжения питания и частоте. Все три параметра регулируются установкой тактовой частоты, напряжения питания и объема активной части микросхемы.
Статическая мощность — это ток, протекающий в момент, когда ничего не переключается. Он возникает из-за утечки тока в каждом транзисторе на кристалле. Эта часть энергопотребления не зависит от тактовой частоты. Она протекает до тех пор, пока активна линия питания, поэтому она устанавливает минимальный ток в режиме ожидания для любого микроконтроллера.
Масштабирование частоты, напряжения и утечки
Масштабирование утечки зависит от процесса и от соотношения напряжения питания к пороговому напряжению. Активность сигнала не играет никакой роли. Величина масштабирования определяется несколькими факторами:
Подпороговая утечка экспоненциально зависит от напряжения затвор-исток и порогового напряжения.
Соотношение ширины и длины транзистора, а также параметры технологического процесса определяют абсолютный уровень.
Повышение порогового напряжения или понижение напряжения питания уменьшает утечку, но снижает скорость переключения.
Утечка увеличивается с повышением температуры, поэтому в худшем случае перегрев углов может существенно повлиять на ваш бюджет.
В передовых технологических процессах утечка составляет около 40-60% потерь мощности. Высокодиэлектрические материалы затвора и смещение подложки помогают снизить её до уровня ниже 100 пА/мкм.
Передовые технологические процессы, такие как 22-нм FD-SOI, поддерживают работу в субпороговом режиме, но этот режим делает чип более чувствительным к изменениям температуры, поэтому производительность следует проверять в диапазоне температур от -40°C до 85°C.
Для маломощного микроконтроллера сначала масштабируйте частоту, затем напряжение. Проверяйте энергопотребление микроконтроллера при реальном коэффициенте заполнения, а не при пиковом значении. Измеряйте потребляемую мощность в каждом спящем режиме на вашей плате. Маломощный микроконтроллер с хорошими показателями утечки все равно будет расходовать энергию впустую, если ваша прошивка никогда не позволяет ему переходить в спящий режим.
Архитектура микроконтроллера с низким энергопотреблением
Режимы сна, управление тактовой частотой и области питания
Режимы сна устанавливают минимальное значение вашего энергетического бюджета. Потребляемый ток обычно значительно снижается по мере уменьшения этого значения. В режиме сна потребление составляет около 2–5 мА, в режиме остановки — около 20–100 мкА, а в режиме ожидания — около 1–5 мкА. Источники пробуждения определяют, как часто вы будете возвращаться в спящий режим. Для пробуждения микросхемы могут использоваться импульсы GPIO, RTC, аналоговый компаратор и пороговое значение АЦП. Выберите самый медленный триггер, который может обработать ваше приложение.
Управление тактированием останавливает тактирование блоков, находящихся в режиме ожидания, а разделение по доменам питания отключает питание целых областей кристалла. Эти домены на уровне микросхемы соответствуют шинам платы. Домен, который никогда не используется, не должен получать никакого напряжения. Это соответствие является основой управления питанием микроконтроллера.
При масштабировании частоты в прошивке следует сначала понижать частоту, а затем напряжение. Масштабирование частоты происходит мгновенно и безопасно. Для масштабирования напряжения необходим стабильный регулятор и задержка установления. Используйте этот порядок во всех архитектурах микроконтроллеров с низким энергопотреблением, которые вы создаете.
Таймеры, АЦП и встроенные преобразователи постоянного тока
Архитектура микроконтроллера с низким энергопотреблением основана на периферийных устройствах, работающих без центрального процессора. Микроконтроллер с низким энергопотреблением и таймером может пробуждаться с длительным интервалом, позволяя ядру оставаться в режиме глубокого сна. АЦП помогает, сравнивая показания с пороговым значением, заданным аппаратно. В этом случае ядро пробуждается только при реальном событии. Это сокращает время работы в активном режиме и улучшает энергопотребление микроконтроллера на системном уровне.
Встроенный DC-DC преобразователь меняет компромисс. Он сохраняет эффективность в широком диапазоне входного напряжения и снижает тепловыделение. Маломощный микроконтроллер со встроенным преобразователем часто превосходит по току в режиме глубокого сна микроконтроллер на основе LDO. Перед покупкой проверьте ток покоя преобразователя. Эффективность маломощного микроконтроллера зависит от качества его питания.
Рассматривайте микроконтроллер как центр управления питанием. Контролируйте каждый периферийный канал по требованию. Измеряйте ток в режиме сна в каждом режиме на вашей плате. Низкоэнергетическая архитектура микроконтроллера поощряет такой подход. Низкоэнергетический микроконтроллер, который никогда не переходит в спящий режим, тратит свой кремний впустую. Режим глубокого сна — это решение, принимаемое прошивкой, а не функция, указанная в техническом описании. Ток в режиме глубокого сна зависит от того, какие функции вы оставляете включенными. Режим глубокого сна окупается только тогда, когда все неиспользуемые блоки отключены.
Почему энергопотребление важно для устройств Интернета вещей и устройств с батарейным питанием
Срок службы батареи и распределение энергии
Работа устройства с батарейным питанием зависит от его энергетического баланса . Начинается всё с количества миллиампер-часов в ячейке, и это количество распределяется между всеми задачами, выполняемыми устройством. Ток в спящем режиме, энергия при пробуждении, радиоимпульсы и стабилизация работы датчиков — всё это потребляет энергию из одного и того же источника. Одна неучтённая нагрузка может полностью перекрыть общий баланс.
Составляйте бюджет, основываясь на измеренных данных, а не на оценках. Проанализируйте энергопотребление каждого состояния на вашей плате. Затем умножьте ток каждого состояния на время, которое устройство проводит в этом состоянии. Сумма покажет вам реальное время работы от батареи. Если результат окажется меньше, чем нужно, сначала найдите наибольший член. В большинстве схем больше энергии тратится на простаивающие периферийные устройства, чем на активные вычисления.
Тепловые и надежные аспекты
Электрическое сопротивление в полупроводниках приводит к выделению тепла пропорционально протекающему току и частоте переключения. Более высокие тактовые частоты и более плотная интеграция усугубляют этот процесс. Важным параметром является температура перехода. Кремниевые устройства обычно рассчитаны на максимальную температуру перехода от 85°C до 150°C в зависимости от марки. Превышение этих пределов ускоряет старение из-за электромиграции, термических циклов и деградации металлизации.
Тепловое сопротивление корпуса, часто составляющее от 20°C/Вт до 60°C/Вт для компонентов QFN и BGA, создает градиент между кристаллом и окружающей средой. Локальные горячие точки в ядрах ЦП, ФАПЧ и блоках управления питанием могут достигать температуры на 20–30°C выше средней температуры кристалла. Каждое повышение рабочей температуры на 10°C может сократить ожидаемый срок службы устройства вдвое, согласно уравнению Аррениуса для ускорения скорости отказов.
У вас есть несколько способов снизить нагрев и продлить срок службы:
Выберите компонент с более низким тепловым сопротивлением в том же корпусе.
Улучшите систему охлаждения или перейдите на активное охлаждение.
Снизьте частоту переключения, чтобы уменьшить динамические потери.
Изменение температуры на 70 К, определяемое профилем нагрузки, позволяет достичь максимальной температуры радиатора в 55 °C при предельной температуре чипа в 125 °C.
Проверьте соответствие потребляемой мощности каждой шины этим ограничениям. Консервативный тепловой расчет с запасом мощности предпочтительнее жесткого, если это позволяет стоимость.
Управление энергопотреблением и энергоэффективность на практике
Методы разработки встроенного программного обеспечения для сокращения времени активной работы
Время — ваш главный рычаг. Сократите время, затрачиваемое на активную обработку, и позвольте системе дольше находиться в спящем режиме, и общее энергопотребление системы снизится. Заявленный микроконтроллером ток в спящем режиме задает нижний предел. То, как микропрограмма планирует задачи, определяет верхний предел того, что вы получите на самом деле.
Программа, использующая носимый датчик, наглядно это продемонстрировала. Основной цикл находился в режиме ожидания транзакций I2C вместо того, чтобы перейти к инструкции WFI (WaterField), которая останавливает тактовую частоту процессора до следующего прерывания. Все последующие исправления — синхронизация датчиков, дерево тактовых сигналов, тактовая частота eMMC — были ограничены этим единственным решением. Циклы опроса обходятся в 200 мкА — 3 мА. Пробуждение, управляемое прерываниями, устраняет эти издержки.
Техника прошивки | Типичная экономия | Усилие |
|---|---|---|
Исправлен цикл сна, нет вращения | 500 мкА – 2 мА | Низкий |
Радиосвязь в режиме циклического режима | 50–800 мкА в среднем | Средний |
Управление питанием периферийных устройств через переключатель нагрузки | 7–800 мкА | Средний |
Состояние вывода SPI в спящем режиме (низкий уровень сигнала драйвера) | 10–30 мкА | Низкий |
Пробуждение по прерываниям, без опроса. | 200 мкА – 3 мА | Средний |
SPIM DMA + PPI ярлык | 50–200 мкА | Высокий |
Включение регулятора постоянного тока DC/DC | 20–50 мкА активного тока | Низкий |
Выбор источника синхронизации | 0.1–0.9 мкА | Низкий |
На nRF52840 система включена при выключенном процессоре потребляет около 1.5 мкА плюс периферийные устройства и пробуждается примерно за 6 мкс. Система выключена потребляет около 0.4 мкА, но пробуждается как при холодной загрузке, что обходится примерно в 20 мс и 6 мА·мс на событие. При реалистичной частоте событий система включена лучше.
Тщательно выбирайте режимы глубокого сна. Глубокий сон выгоден только тогда, когда все неиспользуемые блоки отключены. Выбирайте цифровые датчики, которые пробуждаются по прерыванию или обрабатывают данные пакетами. Избегайте постоянного считывания данных с АЦП, так как это заставляет микроконтроллер оставаться активным. Используйте триггеры, управляемые событиями, чтобы периферийные устройства и дисплеи включались только тогда, когда это необходимо. Эти методы оптимизации энергопотребления повышают энергоэффективность без необходимости установки нового оборудования.
Стратегии организации периферийных и железнодорожных шлюзов
Представьте микроконтроллер как интеллектуальный центр управления питанием. Создайте механизм управления питанием , чтобы модемы, дисплеи, АЦП и датчики отключались в режиме ожидания. Учитывайте время включения и пусковой ток, прежде чем устанавливать напряжение питания. Некоторые нагрузки не выдерживают полного цикла включения/выключения.
Использование регулирования напряжения по шинам (rail gating) выгодно, когда две области напряжения обеспечивают реальную экономию. Взамен вы получаете дополнительный преобразователь и преобразователи уровней. Предпочтительнее использовать импульсные DC-DC преобразователи, а не линейные стабилизаторы напряжения (LDO), поскольку линейный стабилизатор сжигает падение напряжения в виде тепла. Отключайте внутренние модули микроконтроллера, когда они не используются, и управляйте ими динамически в коде.
Отдавайте приоритет периферийным устройствам, а не выбору микроконтроллера. Если плата потребляет около 500 мА, а микроконтроллер — около 10 мА, оптимизация компонента малоэффективна. Вместо этого используйте управляющие воздействия на большие нагрузки. В схемах с энергосбережением ток покоя на уровне наноампер в регуляторе поддерживает напряжение питания между событиями. Измеряйте каждый этап с помощью профилировщика, а не оценивайте его приблизительно. Такой подход защищает срок службы батареи и энергоэффективность при переходе от одной версии к другой.
Проектирование системы электропитания микроконтроллеров на уровне печатной платы
Компромиссы между LDO и DC-DC преобразователями
Выбранный вами регулятор определяет эффективность, тепловыделение и уровень шума до запуска какой-либо прошивки. Сравните два варианта по параметрам, важным для вашей шины питания.
Размеры | DC-DC преобразователь | Регулятор LDO |
|---|---|---|
Эффективность | Обычно 80–95% | Обычно 50–70% |
Тепловыделение | Низкая | Высокая |
Выходной шум | Более высокий уровень (пульсации при переключении + электромагнитные помехи) | Очень слабый шум, практически без пульсаций. |
Внешние компоненты | Несколько (индуктор, конденсатор, переключающие элементы) | Несколько |
Ток покоя | Иногда выше | Часто очень низкий |
Наилучшее использование | Системы с высокими токами и большим падением напряжения. | ВЧ, аналоговые и чувствительные к шуму шины |
Потери LDO растут с увеличением падения напряжения и тока нагрузки. В режиме 5 В до 3.3 В при токе 100 мА потери составляют 0.17 Вт, что легко компенсируется. В режиме 12 В до 3.3 В при токе 500 мА потери составляют 4.35 Вт, что приводит к чрезмерному выделению тепла. Выбирайте DC-DC преобразователь, поскольку падение напряжения и ток увеличиваются.
Шум определяет все остальное. Пульсации при переключении ухудшают точность АЦП, высокочастотные гармоники снижают чувствительность ВЧ-сигнала, а импульсы переключения вызывают слышимый шипение в аудиотрактах. Обычно схема работает от батареи или 12 В, подавая напряжение на понижающий DC-DC преобразователь, затем на линейный стабилизатор напряжения (LDO) для подавления шума, а затем на ВЧ-сигнал, АЦП и датчик. Для высокоточного 24-битного АЦП на шине 5–3.3 В необходим LDO, поскольку пульсации понижающего преобразователя в 10–30 мВ заглушат микровольтные сигналы. Для автомобильной шины 12–14 В до 5 В при токе 1.5 А необходим понижающий преобразователь, поскольку LDO будет расходовать около 13.5 Вт. Для ВЧ-трансивера IoT на частоте 9–3.3 В и токе 300 мА лучше всего подходит гибридная схема: понижающий преобразователь до 3.6 В, затем LDO до 3.3 В, расходуя всего 0.09 Вт.
Последовательность движения поездов, расцепление и шум
Разделение обеспечивает стабильность напряжения при возникновении переходных процессов в нагрузке. Размещайте конденсаторы для накопления энергии как можно ближе к цепям, вызывающим эти переходные процессы. Такое локальное питание уменьшает площадь токовой петли и снижает паразитную индуктивность.
Соблюдайте следующие правила размещения:
Разместите каждый конденсатор рядом с соответствующей парой выводов VDD–VSS и сделайте контур небольшим.
Соедините высокочастотный конденсатор емкостью 0.1 мкФ с расположенным рядом конденсатором большой емкости 4.7 мкФ или 10 мкФ.
Используйте по одному конденсатору на каждый вывод питания и никогда не используйте общие конденсаторы для выводов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга.
Соедините один вывод с дорожкой VDD, а другой пропустите прямо через переходное отверстие в плоскость заземления.
Используйте сплошные плоскости заземления и питания, чтобы обратные пути оставались низкоимпедансными. Добавьте ферритовые бусины или небольшие резисторы на линии VDD для формирования RC- или LC-фильтров. На печатных платах со смешанными сигналами соедините аналоговые и цифровые заземления в одной точке и фильтруйте AVDD отдельно.
Проверяйте поведение микроконтроллера при просадке напряжения и перезагрузке на ранней стадии. Контроллер перезагрузки должен удерживать микроконтроллер в состоянии перезагрузки до тех пор, пока напряжение на шине не стабилизируется, а линии GPIO, выходящие из платы, должны быть снабжены последовательными резисторами и ограничительными диодами.
Эти шаги защищают управление микроконтроллером во время запуска и обеспечивают предсказуемость управления питанием микроконтроллера в разных сборках.
Вопросы компоновки, тепловых характеристик и проектирования с учетом технологичности производства (DFM).
Схема расположения кварцевого резонатора, тактового генератора и заземляющей плоскости.
Разместите кварцевый резонатор как можно ближе к микроконтроллеру, насколько это позволяет корпус. Короткие дорожки уменьшают шум и обеспечивают чистоту сигнала. Проводку дорожек следует выполнять сбалансированно, поскольку неравная длина может привести к нестабильности колебаний. Избегайте использования переходных отверстий на дорожках кварцевого резонатора, так как дополнительная индуктивность ухудшает точность синхронизации. Используйте нагрузочные конденсаторы с номиналами, соответствующими характеристикам кварцевого резонатора, и подключите их к низкоимпедансной земле.
Длинные дорожки добавляют нежелательную индуктивность и емкость. Они изменяют нагрузку, воспринимаемую кварцевым резонатором, и делают генератор более восприимчивым к электромагнитным помехам . Прокладывайте дорожки кварцевого резонатора подальше от высокоскоростных импульсных сигналов и линий электропитания. Наводящийся шум увеличивает джиттер, ухудшает фазовый шум и может даже препятствовать надежному запуску. Защитные кольца и локальные медные заливки повышают помехоустойчивость, но слишком много меди вблизи выводов добавляет паразитную емкость. Сбалансируйте экранирование и нагрузку, и следуйте рекомендациям производителя кварцевого резонатора относительно значений конденсаторов, уровня возбуждения и запаса при запуске.
Стратегия заземления поддерживает все это. Используйте одну сплошную плоскость под микроконтроллером и поддерживайте короткие обратные токи. Фильтруйте опорный сигнал АЦП отдельно, поскольку шум опорного сигнала напрямую отражается на ваших показаниях.
Компромиссы между тепловым проектированием и производством
Нагрев сокращает срок службы. Температура перехода ускоряет старение, и корпуса, рассчитанные на температуру от 85°C до 150°C, оставляют мало места для запаса по верхнему пределу диапазона. Тепловое сопротивление корпуса от 20°C/Вт до 60°C/Вт для QFN и BGA компонентов задает градиент от кристалла к окружающей среде. Медные заливки под компонентом и тепловые переходные отверстия к внутренним слоям распространяют это тепло. Проверьте каждый канал на соответствие этим пределам, прежде чем фиксировать структуру.
Ограничения DFM влияют на те же решения. Тонкие дорожки экономят место , но увеличивают сопротивление и тепловыделение. Переходные отверстия в контактных площадках повышают тепловые характеристики и увеличивают стоимость изготовления. Использование панелей и количество слоев влияют на стоимость, поэтому заранее уточните минимальные требования к зазорам между отверстиями, кольцевыми зазорами и паяльной маской на вашем заводе. Компоновка, игнорирующая эти правила, потребует доработки. Если рассматривать тепловые характеристики и DFM вместе, то силовая схема выдержит испытания как на стенде, так и на производственной линии.
Выбор правильного микроконтроллера
Критерии и компромиссы
Начните с фактически измеренного тока, а не с названий режимов. Разделите активный ток на МГц, чтобы сравнивать компоненты на равных условиях. Обратите внимание на ток в спящем режиме, поскольку он определяет время работы батареи в режиме ожидания. Затем убедитесь, что флэш-память и оперативная память могут вместить вашу прошивку, библиотеки безопасности и образ OTA.
Критерий | Почему это важно | Типичный диапазон энергопотребления устройств IoT |
|---|---|---|
Активный ток | Контролирует энергопотребление во время пиковых вычислительных нагрузок. | ~30–120 мкА/МГц |
Текущий ток в режиме сна/ожидания | Устанавливает время работы батареи в режиме ожидания | ~50 нА – 5 мкА |
Облой | Содержит прошивку, средства безопасности, OTA-обновления. | ~64 КБ – 1 МБ |
Оперативная память | Буферизация данных датчиков и криптографических блоков. | ~8 КБ – 256 КБ |
Встроенное радио | Разрезает внешние детали и пути утечки. | BLE / Субгигагерцовый / Wi-Fi SoC |
Сопоставьте скорость и время автономной работы. Более высокая тактовая частота позволяет быстрее выполнить работу, но при этом потребляет больше тока в этот момент. Короткие периоды работы с последующим глубоким сном обычно позволяют поддерживать минимальное общее энергопотребление. Также сопоставьте стоимость и интеграцию. Отдельный микроконтроллер плюс внешний радиомодуль снижают себестоимость устройства, но увеличивают утечку тока на плате и потери в регуляторе. Интегрированный SoC упрощает компоновку и обеспечивает более надежное питание, хотя стоимость самого кремниевого кристалла выше.
Сравнение популярных семейств киновселенной Marvel
Микроконтроллеры ARM Cortex-M , такие как STM32F0 и STM32F3, предлагают режимы низкого энергопотребления и развитую экосистему. STM32F0 ориентирован на экономию энергии, а STM32F3 жертвует мощностью ради скорости. Espressif ESP8266 и ESP32 включают Wi-Fi, а ESP32 добавляет Bluetooth. ATmega328 остается недорогим и простым в использовании, с солидной поддержкой сообщества.
Микроконтроллер MSP430 заслужил своё название благодаря сверхнизкому энергопотреблению. Более новые семейства ARM Cortex-M0 и STM32U0 в основном догнали его. MSP430 по-прежнему имеет реальное преимущество благодаря FRAM, которая обеспечивает практически неограниченную износостойкость при записи и очень низкое энергопотребление при записи. Это подходит для сбора энергии и постоянной регистрации данных. Для большинства новых разработок в первую очередь следует рассматривать Cortex-M0 или STM32U0. Выбирайте MSP430, когда важна FRAM. Варианты модернизации включают TI MSPM0 или STM32U0.
Подберите операционную систему в соответствии с вашими потребностями в памяти и энергопотреблении. FreeRTOS работает на небольших компонентах, а Embedded Linux требует гораздо больше оперативной и флэш-памяти. Оптимизацию микроконтроллера/процессора следует рассматривать как задачу для всей системы. Даже самый энергоэффективный микроконтроллер будет расходовать энергию впустую, если ваша прошивка никогда не переходит в спящий режим. Сравнивайте маломощные микроконтроллеры, используя собственный рабочий цикл. Маломощный микроконтроллер с отличными характеристиками может всё равно уступить маломощному микроконтроллеру с лучшей задержкой пробуждения. Выбирайте маломощный микроконтроллер, источники пробуждения которого соответствуют вашим событиям. Этот выбор важнее любой отдельной спецификации. Маломощный микроконтроллер, подходящий для вашей рабочей нагрузки, выигрывает.
Будущие тенденции в области энергопотребления микроконтроллеров.
Технологические достижения и интегрированные системы преобразования энергии
Производители микросхем постоянно уменьшают технологические процессы изготовления кремниевых чипов, и каждый шаг снижает напряжение, необходимое ядру для переключения. Это снижение уменьшает динамическое энергопотребление, но при этом увеличивается доля утечки в общем энергопотреблении. В ответ на это разработчики используют смещение подложки, диэлектрики с высоким значением диэлектрической проницаемости и более тонкое разделение силовых доменов. Ожидайте, что в будущих микросхемах будет больше доменов, а не меньше, поэтому планируйте свой бюджет на питание с запасом.
Ещё одним важным изменением является интеграция. Теперь производители размещают понижающие преобразователи и LDO на том же кристалле, что и ядро. Один из последних 32-битных процессоров ARM Cortex-M0 работает на частоте 24 МГц при напряжении 1.8–3.3 В и потребляет 18 мкА/МГц в тесте CoreMark. Ток в режиме глубокого сна составляет 340 нА при работающем RTC и 8 КБ SRAM. Это стало возможным благодаря встроенным индуктивным понижающим преобразователям, LDO и режиму низкого энергопотребления с частотой 1 МГц. Энергоэффективность повышается, поскольку преобразователь согласовывает напряжение с ядром, а не сжигает разницу в виде тепла.
Сбор энергии и сверхнизкое энергопотребление
Технология сбора энергии переходит из лабораторных демонстраций в сферу интеллектуальных меток и датчиков. В современных конструкциях с двумя источниками энергии радиочастотное излучение сочетается с фотоэлектрическими элементами, поэтому метка продолжает работать, даже когда один из источников иссякает. Сопутствующая микросхема управления питанием (PMIC) отвечает за работу системы сбора энергии. Производители предлагают компоненты для фотоэлектрических, радиочастотных, вибрационных, тепловых и двухканальных входов, а также гибридные варианты с низкой и высокой мощностью.
Рассматривайте микроконтроллер как управляющий каналом питания, на котором используется энергия. Микроконтроллер с низким энергопотреблением должен пробуждаться по сигналу компаратора или таймера, выполнять одно измерение и возвращаться в глубокий сон. Микроконтроллер с низким энергопотреблением, указанный в таблице выше, поддерживает в глубоком сне 8 КБ SRAM, что позволяет избежать перезагрузки при каждом событии. Такая привычка продлевает срок службы батареи в устройствах, в которых всё ещё используется элемент питания. Выберите микроконтроллер с низким энергопотреблением, широким диапазоном напряжения питания и истинным режимом 1 МГц. Затем измерьте ток покоя каждого канала питания, поскольку при использовании энергии не остаётся потерь.
Сначала измерьте энергопотребление. Затем используйте архитектуру, методы разработки прошивки, проектирование на уровне платы и интеллектуальный выбор микроконтроллера — именно в таком порядке. Каждый последующий уровень основывается на данных, полученных ранее.
Качественное проектирование системы питания требует многократных доработок. Оно охватывает кремниевую основу, плату и программное обеспечение. Ни один выбор микросхемы не гарантирует успеха, и ни одна доработка не завершает процесс. Вы улучшаете управление микроконтроллером по мере повышения точности измерений.
Начните прямо сейчас. Проанализируйте текущую конструкцию и найдите микроконтроллера, потребляющего больше всего энергии. Сначала устраните проблему, а затем проведите повторные измерения. Учитывайте компромиссы между DFM (проектирование для производства) и технологичностью изготовления, и ваш микроконтроллер достигнет целевого времени автономной работы.
FAQ
Как измерить реальный ток, выделяемый во время сна, на моей собственной доске?
Измеряйте ток непосредственно на шине питания, а не на лабораторном блоке питания. Перережьте дорожку, ведущую к микроконтроллеру, и вставьте токовый шунт или перемычку для подключения измерительного прибора. Дайте прошивке перейти в каждый спящий режим и регистрируйте ток в течение нескольких минут. Вычтите потребление тока регулятором в режиме ожидания. Номера, указанные в технической документации, редко совпадают с данными вашей платы.
В каких случаях следует выбирать LDO-регулятор вместо DC-DC преобразователя?
Для чувствительных к шуму источников питания, таких как опорные напряжения АЦП, ВЧ-преобразователи и аналоговые датчики , выбирайте LDO . При больших падениях напряжения и больших токах нагрузки используйте DC-DC преобразователь. Хорошо работает гибридная схема: понижающий преобразователь, близкий к целевому значению, затем LDO для очистки. Это позволяет снизить нагрев и контролировать уровень шума.
Какой источник пробуждения следует выбрать для устройства с батарейным питанием?
Выберите самый медленный триггер, который может выдержать ваше приложение. Сигнал по фронту GPIO активируется быстрее всего, но срабатывает часто. Сигнал тревоги RTC, аналоговый компаратор или пороговое значение АЦП активируются реже и экономят больше энергии. Согласуйте источник активации с реальной частотой событий, а затем измерьте энергопотребление за один цикл активации.
Как определить, является ли заявленное значение малой мощности в технической документации?
Не обращайте внимания на названия режимов и сравнивайте измеренный ток на МГц в активном режиме. Проверьте ток в режиме ожидания, задержку пробуждения и стоимость сохранения данных в SRAM. Проверьте результаты тестов ULPMark-CP и ULPMark-PP, если производитель их публикует. Затем подтвердите полученные значения на вашей плате при экстремальных температурах. Хороший микроконтроллер заслуживает свою оценку в вашей схеме, а не на бумаге.
Эффективное проектирование энергопотребления вознаграждает терпение. Сначала проведите профилирование, устраните основного потребителя и повторите измерения. Каждый этап приближает ваш продукт к целевому сроку службы батареи.
