Технологии nanoWatt и nanoWatt XLP. Цель — снижение энергопотребления микроконтроллеров

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 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 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-контролле-ров. По данным таблицы 2 можно сравнить несколько
nanoWatt PIC-контроллеров с конкурентами, производства других
фирм.

Таблица 1. Энергосберегающие режимы
PIC-контроллеров

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

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.

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, Timerl/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.

Рисунок. Общий алгоритм работы режима Deep
Sleep

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 — Timerl) 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 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
(T_BE). Приведем формулы для расчета T_BE:

Сначала рассчитывается потребление энергии в режимах Sleep
(Q_SLP) и Deep Sleep (Q_DS). Если быть точнее,
то рассчитывается протекающий заряд, так как напряжение постоянно и
одинаково для обоих режимов. В режиме Sleep энергопотребление
определяется произведением тока потребления
(I_PDS1_P) и времени пребывания в данном режиме
(T_PD) (1).

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

• Потребление в режиме ожидания (ток потребления
  (I_PDDS) на время пребывания в режиме Deep Sleep
  (T_PD)).
• Потребление в момент пробуждения по сбросу POR (с момента
  появления события, вызвавшего пробуждение, до начала выполнения
  первой инструкции). Обычно T_POR — значение из
  документации на контроллер, I_POR — замеряется
  экспериментально и зависит от условий работы контроллера. Также
  здесь учитывается время и ток, необходимые на зарядку конденсатора
  V_CAP (если он разряжается в режиме Deep Sleep) для
  контроллеров со встроенным стабилизатором напряжения.
• Потребление контроллера (I_DD) на время исполнения
  кода инициализации (T_INIT) 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 (T_BE)
соответствует равенству Q_SLP и Q_ds. Режим
Deep Sleep предпочтительнее, когда ожидаемое время пребывания в
энергосберегающем режиме превышает T_BE, 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/сравнения/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.