Sådan ændres urfrekvensen for at reducere mikrocontrollerens strømforbrug

Udviklere har altid en udfordring med at levere høje niveauer af funktionalitet og ydeevne og samtidig maksimere batteriets levetid. Også når det kommer til elektroniske produkter, er den vigtigste funktion batteriforbruget. Det skal være så mindre som muligt at øge enhedens driftstid. Strømstyring er meget kritisk i bærbare og batteridrevne applikationer. Forskelle i mikroampereforbrug kan føre til måneder eller år med levetid, som kan øge eller mindske produktets popularitet og brand på markedet. Stigningen i produkter kræver mere effektiv optimering af batteriforbruget. I dag kræver brugerne længere batteribackup med kompakt størrelse på produkter, så producenterne fokuserer på mindre batteristørrelse med super lang batterilevetid, hvilket er en tvivlsom opgave. Men,udviklerne er kommet med Power Saving Technologies efter at have gennemgået mange faktorer og kritiske parametre, der påvirker batteriets levetid.

Der er mange parametre, som påvirker batteriforbruget, f.eks. Brugt mikrocontroller, driftsspænding, strømforbrug, omgivelsestemperatur, miljøtilstand, anvendt perifert udstyr, opladningscyklusser osv. Med udviklingen af smarte produkter, der kommer på markedet, er det meget vigtigt for først at fokusere på den anvendte MCU for at optimere batteriets levetid. MCU bliver kritisk del, når det kommer til at spare strøm i små produkter. Så det anbefales at starte med MCU først. Nu kommer MCU med de forskellige strømbesparende teknikker. For at vide mere om minimering af strømforbrug i mikrocontrollere (MCU), henvises til forrige artikel. Denne artikel fokuserer hovedsageligt på en af de vigtige parametre til reduktion af strømforbruget i mikrocontroller, det er at ændre urfrekvensender skal tages hånd om, når du bruger MCU til applikationer med lav effekt.

Hvorfor ændre urfrekvensen i mikrocontrollere?

Ud af mange ovennævnte parametre spiller valget af urfrekvens en meget vigtig rolle for at spare strøm. Undersøgelsen viser, at forkert valg af driftsfrekvens for mikrokontrollere kan føre til markant procentdel (%) tab af batteristrøm. For at undgå dette tab skal udviklerne tage sig af det passende frekvensvalg for at køre mikrocontrolleren. Nu er det ikke nødvendigt, at frekvensvalget først kan foretages under opsætning af mikrokontroller, hvorimod det også kan vælges mellem programmeringen. Der er mange mikrokontroller, der kommer med bitvalg for at vælge den ønskede driftsfrekvens. Mikrocontrolleren kan også køre ved flere frekvenser, så udviklerne har mulighed for at vælge passende frekvens afhængigt af applikationen.

Hvad er effekten af at vælge flere frekvenser på ydeevnen?

Der er ingen tvivl om, at valg af forskellige frekvenser vil påvirke mikrocontrollerens ydeevne. Som med hensyn til mikrokontroller er det meget velkendt, at frekvens og ydelse er proportional. Det betyder, at større frekvens vil have mindre kodeudførelsestid og dermed større hastighed for programudførelse. Så nu er det meget klart, at hvis frekvensen ændres, ændres ydeevnen også. Men det er ikke nødvendigt, at udviklere har brug for at holde sig på en frekvens bare for at øge ydeevnen for mikrocontroller.

Lav eller høj frekvens, hvilken skal du vælge?

Det er ikke altid tilfældet, når mikrocontroller skal levere en høj ydeevne, der er flere applikationer, der har brug for moderat ydeevne af mikrocontrolleren, i denne type applikationer kan udviklerne reducere driftsfrekvensen fra GHz til MHz og endda til minimumsfrekvens, der kræves til kør mikrokontroller. Selv om den optimale ydeevne i nogle tilfælde er påkrævet, og også udførelsestiden er kritisk, f.eks. Ved kørsel af eksterne flash-ADC'er uden FIFO-buffer eller i videobehandling og mange andre applikationer, kan udviklerne i disse områder bruge den optimale frekvens af mikrocontroller. Selv ved brug i denne slags miljø kan udviklerne kode smart for at mindske kodelængden ved at vælge den rigtige instruktion.

For eksempel: Hvis 'for' -sløjfen tager flere instruktioner, og man kan bruge flere instruktionslinjer, der bruger mindre hukommelse til at udføre opgaven uden at bruge for- sløjfen, så kan udviklere gå med flere linjer med instruktioner og undgå at bruge 'til' -sløjfen.

Valget af passende frekvens for mikrocontroller afhænger af opgavens krav. Højere frekvens betyder højere strømforbrug, men også mere beregningskraft. Så i det væsentlige er valg af frekvens en afvejning mellem strømforbrug og krævet beregningskraft.

Den største fordel ved at arbejde ved lav frekvens er også lav forsyningsstrøm udover lavere RFI (radiofrekvensinterferens).

Forsyningsstrøm (I) = Hvilestrøm (I _q) + (K x Frekvens)

Det andet udtryk er dominerende. En mikrocontrollers RFI-energi er så lille, at det er meget let at filtrere.

Så hvis applikationen har brug for en hurtig hastighed, skal du ikke bekymre dig om at løbe hurtigt. Men hvis strømforbruget er et problem, skal du køre så langsommere, som applikationen tillader.

Clock-Frequency Switching-teknik

PLL (Phases Lock Loop) Enheden findes altid i en højtydende MCU, der kører med høj hastighed. Den PLL boosts indgangsfrekvens til en højere frekvens for eksempel fra 8 MHz til 32 MHz. Det er udviklerens mulighed for at vælge den passende driftsfrekvens til applikationen. Nogle applikationer har ikke brug for at køre med høj hastighed, i så fald skal udviklere holde MCU's urfrekvens så lav som muligt for at køre opgaven. På en fast frekvensplatform, såsom billig 8-bit MCU, der ikke indeholder PLL-enhed, skal man imidlertid forbedre instruktionskoden for at reducere behandlingsenergien. MCU'en, der indeholder en PLL-enhed, kan heller ikke udnytte fordelene ved frekvensskifteteknik, der gør det muligt for MCU'en at fungere med høj frekvens i databehandlingsperioden og derefter vende tilbage til lavfrekvent drift i datatransmissionsperioden.

Figuren forklarer brugen af PLL-enhed i frekvensomskiftningsteknik.

Valg af urstyringsfunktioner

Nogle af de hurtige mikrocontrollere understøtter forskellige urstyringsfunktioner såsom Stop-tilstand, Power Management Modes (PMM'er) og inaktiv tilstand. Det er muligt at skifte mellem disse tilstande, så brugeren kan optimere enhedens hastighed under strømforbrug.

Valgbar urkilde

Krystaloscillatoren er en stor strømforbruger på enhver mikrokontroller, især under drift med lav effekt. Ringoscillatoren, der bruges til hurtig start fra Stop-tilstand, kan også bruges til at give en ca. 3 til 4MHz urkilde under normal drift. Selvom der stadig kræves en krystaloscillator ved opstart, kan enhedens drift, når krystallet er stabiliseret, skiftes til ringoscillatoren, hvilket indebærer en strømbesparelse på så meget som 25 mA.

Urhastighedskontrol

Driftsfrekvensen for en mikrokontroller er den største enkeltstående faktor til bestemmelse af strømforbrug. High-Speed Microcontroller-familien af mikrocontrollere understøtter forskellige styringsfunktioner til klokkehastighed, der sparer strøm ved at bremse eller stoppe det interne ur. Disse tilstande giver systemudvikleren mulighed for at maksimere strømbesparelser med en minimal indvirkning på ydeevnen.

Softwareudførelse fra ikke-flygtig hukommelse eller RAM

Udviklere skal nøje overveje, om software udføres fra ikke-flygtige minder eller RAM ved estimering af det aktuelle forbrug. Udførelse fra RAM kan tilbyde lavere aktive strømspecifikationer; mange applikationer er dog ikke små nok til at udføre fra RAM alene og kræver, at programmer udføres fra ikke-flygtig hukommelse.

Busure aktiveret eller deaktiveret

De fleste mikrocontroller-applikationer kræver adgang til hukommelser og perifert udstyr under softwareudførelse. Dette kræver, at busure er aktiveret og skal overvejes i aktive aktuelle estimater.

Brug af den interne oscillator

Brug af interne oscillatorer og undgåelse af eksterne oscillatorer kan spare betydelig energi. Da eksterne oscillatorer trækker mere strøm, hvilket resulterer i mere strømforbrug. Det er heller ikke hårdt bundet, at man skal bruge intern oscillator, da eksterne oscillatorer tilrådes at bruge, når applikationerne kræver mere urfrekvens.

Konklusion

At lave et laveffektprodukt starter med et valg af MCU, og det er betydeligt vanskeligt, når forskellige muligheder er tilgængelige på markedet. Ændring af frekvens kan have stor indflydelse på strømforbruget og også give et godt strømforbrugsresultat. Den yderligere fordel ved at ændre frekvensen er, at der ikke er yderligere hardwareomkostninger, og at den let kan implementeres i softwaren. Denne teknik kan bruges til at forbedre energieffektiviteten af en billig MCU. Desuden afhænger mængden af energibesparelse af forskellen mellem driftsfrekvenser, databehandlingstid og MCU's arkitektur. Energibesparelsen på op til 66,9% kan opnås ved anvendelse af frekvensomskiftningsteknik sammenlignet med normal drift.

I slutningen af dagen er det en væsentlig udfordring for udviklere at imødekomme behovene for øget systemfunktionalitet og ydeevnemål, mens produktets batterilevetid øges. For effektivt at udvikle produkter, der leverer den længst mulige batterilevetid - eller endda køre uden batteri overhovedet - kræves en dyb forståelse af både systemkravene og mikrocontrollerens nuværende specifikationer. Dette er meget mere komplekst end blot at estimere, hvor meget strøm MCU bruger, når den er aktiv. Afhængigt af applikationen, der udvikles, kan frekvensændring, standbystrøm, perifer strøm have en mere betydelig indvirkning på batteriets levetid end MCU-strøm.

Denne artikel blev oprettet for at hjælpe udviklere med at forstå, hvordan MCU'erne bruger strøm med hensyn til frekvens og kan optimeres med frekvensændring.