Оптимизация управления питанием с помощью микроконтроллера кроссовера i.MX RT500 от NXP

Эта статья представляет собой введение в концепции управления питанием микроконтроллера. Семейство кроссоверных микроконтроллеров NXP i.MX RT500 будет использовано для демонстрации примеров того, как разработчики встроенных систем могут использовать эти концепции управления питанием в своих приложениях.

Ключевым моментом для разработчиков микроконтроллеров является способ управления и распределения питания. Без учета тактовой частоты процессора, памяти и периферийных устройств разработчики могут оказаться не в состоянии перейти от проекта к реальному физическому продукту.

Эта статья представляет собой введение в концепции управления питанием микроконтроллера. Это будет включать обсуждение режимов питания MCU и того, как они влияют на работу устройства, сколько тока потребляет деталь в каждом режиме и сколько времени требуется MCU, чтобы выйти из режима пониженного энергопотребления. Мы также исследуем, как контакты ввода-вывода MCU и конфигурация SRAM влияют на общее энергопотребление устройства. Семейство кроссоверных микроконтроллеров NXP i.MX RT500 будет использоваться для демонстрации примеров того, как разработчики встроенных систем могут использовать эти концепции управления питанием в своих приложениях. MCU i.MX RT500 обеспечивает функции управления питанием и управления питанием, которые позволяют устройству работать с минимально возможным энергопотреблением.

Обзор микроконтроллера кроссовера i.MX RT500

i.MX RT500 - это семейство двухъядерных микроконтроллеров на базе мощного ядра Arm® Cortex®-M33 с тактовой частотой до 200 МГц. Серия i.MX RT500 предлагает богатые функции защиты, такие как Arm TrustZone® и встроенный блок защиты памяти (MPU), который поддерживает восемь регионов. Криптографический сопроцессор CASPER обеспечивает аппаратное ускорение для усиления различных функций, необходимых для асимметричных криптографических алгоритмов. Аппаратный ускоритель PowerQuad - еще один эффективный сопроцессор кроссоверного MCU i.MX RT500, помогающий главному процессору выполнять вычисления DSP. I.MX RT500 подходит для безопасных и маломощных встроенных приложений HMI, устройств IoT, наушников и интеллектуальных потребительских устройств благодаря дополнительному высокооптимизированному звуковому DSP Cadence® Tensilica® Fusion F1, специализированному 2D-графическому процессору с ускорением векторной графики, и различные интерфейсы отображения.

Рисунок 1. Микроконтроллеры i.MX RT500 подходят для работы с современными встраиваемыми приложениями HMI, которые требуют быстрой и визуально приятной графики и пользовательских интерфейсов. Изображение предоставлено NXP.

Сложные микроконтроллеры со смешанными сигналами часто содержат несколько источников питания на кристалле для улучшения управления мощностью и уменьшения перекрестных помех от источников питания. Для управления питанием ядро ​​может работать при более низком напряжении, чем входы / выходы. Кроме того, неиспользуемые секции MCU могут быть отключены, когда они не используются. Для подавления шума источники питания с шумом, которые питают ввод / вывод и цифровую логику, могут быть изолированы от аналоговых функций на кристалле.

В качестве примера использования отдельных шин питания микроконтроллеры семейства i.MX RT500 имеют четыре независимых шины питания, которые питают различные части внутренней схемы:

1. V _DDCORE Rail обеспечивает питание основной логики микросхемы, DSP, периферийных устройств и памяти. Эта шина питания регулируется в диапазоне от 0,6 В до 1,1 В, и инженеры могут использовать внутренний PMU устройства (блок управления питанием) или использовать внешний PMIC (ИС управления питанием). Требуемое напряжение зависит от тактовой частоты ядра перед делителем тактовой частоты процессора.
2. V _DD1V8 представляет собой источник питания 1,8 В, который управляет аналоговыми функциями на кристалле, кроме АЦП и компаратора. Эта шина также снабжает встроенный модуль PMC, включая запрещенную зону, POR, датчик температуры и обнаружение низкого и высокого напряжения сердечника. V _{DD1V8_1} питает встроенную цифровую логику.
3. V _{DD_AO1V8} rail обеспечивает питание постоянно включенных частей устройства, таких как RTC, таймер пробуждения RTC, всегда включенный POR и выводы RESET, LDO_ENABLE, PMIC_IRQ, PMIC_MODE0 и PMIC_MODE1. Эта шина обеспечивает источник пробуждения даже при отключении питания от других шин, позволяя MCU выйти из одного из режимов глубокого отключения питания.
4. V _{DD_IOn} обеспечивает контакты GPIO MCU. V _{DDIO_0} , V _{DDIO_1} , V _{DDIO_2} , и V _{DDIO_4} обеспечивают 1,8 В и В _{DDIO_3} обеспечивает напряжение питания до 3,6 В.

Исследование режимов питания микроконтроллера i.MX RT500

Современные микроконтроллеры обычно предоставляют несколько режимов работы, в которых потребляемая мощность меняется на производительность. При максимальных настройках мощности максимальная функциональность доступна при включении ЦП, памяти и периферийных устройств на кристалле, которые работают на максимально возможной тактовой частоте. Для снижения энергопотребления доступны режимы сна и отключения питания, позволяющие снизить тактовую частоту, снизить напряжение питания и даже полностью отключить неиспользуемые части MCU.

В микроконтроллере i.MX RT500 встроенный контроллер управления питанием (PMC) позволяет точно настраивать условия потребляемой мощности в соответствии с требованиями конкретных приложений. Для этой цели MCU позволяет использовать более низкие напряжения на шине VDDCORE, когда микросхема работает на более низкой тактовой частоте или когда устройство находится в режиме глубокого сна. Можно полностью отключить линию VDDCORE, когда микросхема находится в режиме пониженного энергопотребления. По умолчанию PMC устанавливает соответствующий уровень напряжения для основной логики. Однако можно использовать внешний PMIC в сочетании с выводами PMIC MCU для достижения того же эффекта.

Модуль управления питанием поддерживает пять режимов управления питанием (в порядке от максимального до минимального энергопотребления):

1. Активный
   MCU включается в активном режиме после сброса, и инженеры по встроенным системам могут изменить конфигурацию питания устройства по умолчанию, изменив значения определенных системных регистров. Конфигурацию питания можно изменить во время выполнения, например, с помощью специального API-интерфейса управления питанием. В этом режиме включены тактовые частоты ЦП, памяти и периферийных устройств, и большинство блоков могут находиться в нормальном режиме, режиме с низким энергопотреблением или выключены, как определено встроенным прикладным программистом. Кроме того, активный режим позволяет разработчикам системы и программистам точно настраивать энергопотребление, контролируя, какие периферийные устройства, блоки памяти и аксессуары остаются активными - дополнительные сведения об этом приведены в разделе 8.4.1.1.1 справочного руководства i.MX RT500. .
   
2. Спящий режим
   В этом режиме PMC останавливает синхронизацию системного ЦП, останавливая выполнение инструкций до тех пор, пока не появится сигнал сброса или прерывание. Этот режим позволяет разработчикам настраивать периферийные устройства для продолжения их работы, в то время как ЦП остается приостановленным. Эти периферийные устройства могут генерировать прерывания, которые пробуждают ЦП и заставляют MCU возвращаться в режим питания, определенный регистрами PDRUNCFG и PSCCTL. В спящем режиме ЦП поддерживает значения своих внутренних регистров и SRAM. Логические уровни контактов ввода / вывода также остаются статичными, если активные периферийные устройства не изменят свое состояние. Следовательно, этот режим питания устраняет динамическое питание, используемое ЦП, системой памяти и внутренней шиной. Обратите внимание, что в спящем режиме частота процессора не изменяется, а только отключается частота процессора.
   
3. Deep-Sleep
   Этот режим отключает тактовую частоту ЦП и, если не настроен иначе, также отключает тактовые сигналы периферийных устройств на кристалле и аналоговых блоков. Встроенные программисты могут свободно конфигурировать отдельные блоки для работы в их нормальном, маломощном или выключенном состоянии с помощью программного обеспечения. Регистры устройства и включенные разделы SRAM сохраняют свои значения. API профилей питания позволяет выбранным периферийным устройствам, таким как USB, DMIC, SPI, I2C, USART, WWDT, RTC и таймер микротиков, оставаться активными в режиме глубокого сна. Раздел 8.4.1.3.1 справочного руководства i.MX RT500 содержит дополнительные сведения о режиме глубокого сна.
   
4. Глубокое отключение питания
   В этом режиме питание и все часы отключены для всего чипа, кроме часов реального времени. Эта мера означает, что SRAM и регистры, кроме тех, что в модуле RTC, не могут сохранять свои значения. Кроме того, все функциональные контакты имеют тройное обозначение, если на устройство подается внешнее питание. Для этого режима нет дополнительных параметров конфигурации.
   
5. Полное глубокое отключение питания
   В этом режиме отключаются все внешние источники питания, кроме VDD_AO18, VDD_AO1V8 и VDD_EAO. Источники пробуждения могут запускать POR в доменах VDD1V8 и VDDCORE.

Пробуждение из состояний 4 и 5 проходит через весь процесс СБРОСА.

MCU имеет выделенные выводы PMIC_MODE для передачи изменений состояния внешнему PMIC при переключении между состояниями. Изначально для этих выводов существует только одно предопределенное состояние, и встроенные программисты должны настроить выводы PMIC_MODE с помощью программного обеспечения. В активном режиме MCU берет на себя управление выводами PMIC_MODE. Когда MCU работает в одном из режимов пониженной мощности, внешний PMIC берет на себя управление. Дополнительные сведения см. В разделе 8.4.2.1 справочного руководства.

Процесс пробуждения и типичное время пробуждения

Интуитивно понятно, что микроконтроллерам требуется больше времени для пробуждения из более глубоких спящих режимов, чем в спящих режимах с большим количеством периферийных устройств и включенных схем. Источники питания должны стабилизироваться, а кварцевые генераторы должны запуститься, чтобы схемы с повторным включением работали должным образом. В более глубоких режимах сна часто доступны ограниченные источники для пробуждения MCU

Для i.MX RT500 типичное время выхода из спящего режима при системных часах 200 МГц составляет около 150 мкс. Из режима глубокого сна устройство выходит из спящего режима примерно за 120 мкс. Пробуждение MCU из состояния полного глубокого отключения питания занимает приблизительно 8,64 миллисекунды из-за последовательности сброса. Обратите внимание, что это время не гарантируется, и действуют некоторые ограничения. Обратитесь к официальной таблице данных, раздел 1.3.4, для получения дополнительных сведений и условий испытаний. Также важно отметить, что чип всегда выходит из активного режима.

Чтобы разбудить MCU, когда он находится в режиме пониженного энергопотребления, встроенный программист должен настроить один или несколько источников пробуждения. В спящем режиме любое периферийное устройство, вызывающее прерывание и HWWAKE (интерфейсы Flexcomm и активность подсистемы DMIC), может разбудить MCU, как обсуждалось ранее. В режиме глубокого сна различные источники пробуждения, такие как прерывания вывода, вывод сброса, периферийные устройства Flexcomm, DMA, DMIC, HWWAKE, SDIO, HASH-AES, CASPER, PowerQuad, ADC, DSP, USB и ACMP, могут пробуждать вверх MCU. Помимо этих источников пробуждения, различные таймеры, такие как сторожевой таймер, RTC, таймер uTick и таймер событий ОС, также могут вызывать периодический возврат MCU из спящего режима. Когда MCU находится в режиме глубокого отключения питания, RTC и сброс системы - единственные способы вывести устройство из спящего режима.

Динамическое и статическое энергопотребление контактов ввода / вывода

Выводы ввода / вывода - это часто упускаемый из виду аспект общего энергопотребления. Контакты ввода / вывода могут вносить вклад в общее статическое и динамическое энергопотребление. В зависимости от настройки внутреннего тягового резистора каждого контакта и уровня напряжения может протекать статический ток и увеличивать общую потребляемую мощность устройства. Контакты ввода / вывода также вносят вклад в динамические требования к питанию MCU при каждом переключении. Часто данные о мощности микроконтроллера даже не включают потребляемую мощность на выводах ввода / вывода, поскольку это зависит от приложения от внешних нагрузок и частоты переключения вводов / выводов.

Различные режимы питания микроконтроллера i.MX RT500 влияют на различные периферийные устройства на кристалле и автоматически отключают некоторые схемы на устройстве, чтобы снизить его общее энергопотребление. Обратите внимание, что у большинства выводов GPIO внутренние подтягивающие и понижающие резисторы и входной буфер отключены при сбросе. Например, некоторые контакты имеют другую конфигурацию, чтобы облегчить отладку. Однако такое поведение приводит к тому, что неиспользуемые выводы GPIO по умолчанию переходят в режим высокого импеданса с отключением соответствующих входных буферов при сбросе, если иное не указано программистами в регистре IOCON. В режиме глубокого отключения питания контакты ввода-вывода по умолчанию плавающие.

Энергопотребление в спящем режиме и режиме глубокого сна

Теперь давайте воспользуемся микроконтроллером i.MX RT500, чтобы получить некоторые сведения о том, как основная тактовая частота системы и напряжение на V _DDCORE влияют на общее энергопотребление устройства:

	12 МГц	24 МГц	48 МГц	96 МГц	192 МГц
Активный режим (DSP без часов)	1,62 мА 0,7 В	2,5 мА 0,7 В	4,33 мА 0,7 В	9,35 мА 0,8 В	20,73 мА 0,9 В
Спящий режим (DSP без часов)	1,8 мА 0,7 В	4,78 мА 1,0 В	5,78 мА 1,0 В	7,78 мА 1,0 В	9,66 мА 0,9 В

Режимы глубокого сна и глубокого выключения питания отключают тактовую частоту основного процессора, а также можно отключать области SRAM, что влияет на общие требования к току питания части. В следующей таблице перечислены токи питания для шин активной мощности в режиме глубокого сна с включенным 128 КБ SRAM, отключенным внутренним LDO, включенным массивом и отключенной периферией при температуре окружающей среды около 25 ° C:

Шина электропитания	Типичное потребление тока
V DD1V8	8,5 мкА
V DDCORE	42 грн
V DD_AO1V8	0,79 мкА
Все V DDIO рельсы комбинированные	5,61 мкА
V DDA_1V8	11,8 мкА
V REFP	0,02 мкА
USB1_VDD_3V3	1,10 мкА

Таким образом, типичное потребление тока устройством составляет около 70 мкА в режиме глубокого сна. Пожалуйста, обратитесь к таблицам 11 и 12 в техническом описании устройства для получения более подробной информации и точных условий тестирования. Когда MCU находится в режиме глубокого или полного отключения питания, типичный ток питания составляет около 15 мкА.

Рекомендации по энергосбережению SRAM

Управление питанием также должно учитывать встроенную память. Для энергонезависимой памяти, такой как Flash, память может быть отключена без потери содержимого. Для SRAM разработчик встроенных систем должен будет решить, нужно ли сохранять содержимое памяти при использовании режима низкого энергопотребления. К счастью, многие продукты MCU позволяют разработчикам выбирать между максимальной экономией энергии с полной потерей данных и уменьшенной экономией энергии с полным сохранением данных.

Устройство i.MX RT500 содержит до пяти мегабайт статической оперативной памяти на кристалле, разделенной на 32 отдельных раздела. Каждый раздел доступен для обоих процессоров, обоих механизмов DMA и всех остальных мастеров шины AHB. Помимо других функций, можно независимо перевести каждый блок в режим сохранения низкого энергопотребления или полностью отключить его, чтобы снизить общее энергопотребление устройства. Это действие возможно, потому что каждый раздел памяти состоит из самого блока памяти и периферии, необходимой для взаимодействия с самим массивом памяти. Разработчики встроенных приложений могут сэкономить электроэнергию, отключив периферию, сохранив при этом содержимое самого массива памяти.

Принимая это во внимание, встроенные программисты должны понимать, что более низкие разделы SRAM имеют тенденцию экономить энергию по сравнению с их более высокими аналогами, поскольку физическое расположение каждого раздела SRAM в устройстве приводит к колебаниям потребления тока:

Рисунок 2. При попытке снизить общее энергопотребление микроконтроллера разработчики должны отдавать предпочтение разделам SRAM с меньшим объемом памяти, а не более высоким. Изображение предоставлено NXP.

В примечании к приложению i.MX RT500 Power Management и справочном руководстве по семейству i.MX RT500 более подробно рассматриваются различные меры по энергосбережению.

Микроконтроллеры i.MX RT500 для управления питанием и управления питанием

Сохранение мощности имеет решающее значение при разработке любого проекта. Кроссовер MCU i.MX RT500 предлагает функции управления питанием и управления питанием, которые позволяют устройствам работать, потребляя при этом как можно меньше энергии. В активном режиме синхронизация ЦП, памяти и периферийных устройств включена, и большинство блоков могут находиться в нормальном режиме, режиме с низким энергопотреблением или выключены, как определено встроенным прикладным программистом.

На веб-сайте NXP можно найти дополнительную информацию о возможностях и приложениях i.MX RT500. Он также предоставляет различные учебные материалы, такие как заметки по применению, видео и веб-семинары по запросу.

Отраслевые статьи - это форма содержания, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного содержания. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.