Освоение управления питанием с кроссоверными МК NXP i.MX RT500

Эта статья предоставляет введение в концепции управления питанием микроконтроллеров. Семейство кроссоверных МК NXP i.MX RT500 будет использовано для иллюстрации того, как эти концепции могут применяться встроенными разработчиками в реальных приложениях.

Эффективное управление питанием — краеугольный камень дизайна МК. Игнорирование потоков питания ЦПУ тактов, памяти и периферии может препятствовать переходу от дизайна к функционирующему продукту.

Это руководство покрывает режимы питания МК, потребление тока на режим, задержку пробуждения и как I/O пины и конфигурация SRAM влияют на общее потребление питания. Серия NXP i.MX RT500 экземплифицирует, как фичи power-control позволяют устройствам работать с минимальным питанием.

Обзор кроссоверного МК i.MX RT500

i.MX RT500 — двухъядерное семейство, построенное вокруг ядра Arm® Cortex®-M33, тактируемого до 200 МГц. Оно предлагает надежную безопасность с Arm TrustZone® и восьмирегионным MPU, крипто-сопроцессор CASPER для асимметричных алгоритмов и DSP-ускоритель PowerQuad. Интегрированный Cadence® Tensilica® Fusion F1 аудио DSP, выделенный 2D GPU и множественные дисплейные интерфейсы делают его идеальным для безопасных, низкопотребляющих HMI, IoT, hearable и умных потребительских устройств.

Рисунок 1. i.MX RT500 МК питают современные встраиваемые HMI приложения, требующие быструю и визуально приятную графику и пользовательские интерфейсы. Изображение предоставлено NXP.

Сложные mixed-signal МК часто интегрируют множественные on-chip источники питания для усиления контроля и снижения перекрестных шумов. Разделяя core, I/O, analog и always-on рельсы, i.MX RT500 позволяет ядру работать на более низком напряжении чем I/O и отключать неиспользуемые секции в простое.

Ключевые рельсы питания в семействе i.MX RT500 включают:

1. VDDCORE — питает основную логику, DSP, периферию и память. Регулируемое между 0,6 В и 1,1 В, может управляться внутренним PMU или внешним PMIC. Требуемое напряжение зависит от предделителя core clock.
2. VDD1V8 — 1,8 В рельса для on-chip аналоговых функций (исключая АЦП/компаратор) и модуля PMC (bandgap, POR, температурный сенсор, детектирование напряжения). Линия VDD1V8_1 питает on-chip цифровую логику.
3. VDD_AO1V8 — питает always-on блоки такие как RTC, wake-up таймер, POR, RESET, LDO_ENABLE, PMIC_IRQ, PMIC_MODE0 и PMIC_MODE1 пины. Эта рельса предоставляет источник пробуждения даже когда другие рельсы отключены, позволяя восстановление из deep power-down.
4. VDDIO — питает GPIO пины. VDDIO_0, VDDIO_1, VDDIO_2 и VDDIO_4 предоставляют 1,8 В, в то время как VDDIO_3 поддерживает до 3,6 В.

Исследование режимов питания i.MX RT500 МК

Современные МК предлагают спектр операционных режимов, торгующих производительность за питание. В активном режиме все блоки работают на полной скорости. Sleep и power-down режимы прогрессивно снижают тактовые частоты, напряжения питания и питание неиспользуемых секций.

PMC i.MX RT500 тонко настраивает входы питания, позволяя более низкие VDDCORE напряжения на сниженных core частотах или во время deep sleep. Он может даже полностью отключить VDDCORE в power-down. Пока PMC устанавливает дефолтные напряжения, разработчики могут переопределить их с внешним PMIC через PMIC пины.

PMC поддерживает пять режимов питания, перечисленных от наибольшего к наименьшему потреблению:

1. Active — все такты к ЦПУ, памяти и периферии включены. Дизайнер может конфигурировать энергетическое состояние каждого блока через системные регистры или runtime APIs (см. секцию 8.4.1.1.1 reference manual).
2. Sleep — ЦПУ такт остановлен; периферия может оставаться активной и генерировать прерывания, пробуждающие ЦПУ. Уровни I/O пинов остаются статичными если не изменены активной периферией. Только ЦПУ такт отключен.
3. Deep-Sleep — ЦПУ такты отключены, и большинство периферии и аналоговых блоков могут быть отключены питанием если явно не удержаны. ПО может держать ключевую периферию (USB, DMIC, SPI, I2C, USART, WWDT, RTC, uTick) активной. См. секцию 8.4.1.3.1 для деталей.
4. Deep Power-Down — все такты и питание отключены кроме RTC. SRAM и регистры, кроме тех в RTC, не могут удерживать данные. Все пины три-стейтятся.
5. Full Deep Power-Down — только VDD_AO18, VDD_AO1V8 и VDD_EAO остаются под питанием. Пробуждение триггерит POR в доменах VDD1V8 и VDDCORE.

Выход из deep power-down или full deep power-down требует полной последовательности сброса. PMIC_MODE пины МК сигнализируют изменения состояния внешнему PMIC; в активном режиме МК контролирует эти пины, в то время как в reduced-power режимах внешний PMIC берет контроль.

Процесс пробуждения и типичные времена пробуждения

Задержка пробуждения увеличивается с более глубокими sleep режимами из-за стабилизации питания и запуска осциллятора. Типичные времена пробуждения для i.MX RT500:

• Sleep (200 МГц) — ~150 мкс
• Deep-Sleep — ~120 мкс
• Full Deep Power-Down — ~8,64 мс (последовательность сброса)

Эти цифры применимы под тестовыми условиями, специфицированными в секции 1.3.4 даташита. МК всегда возвращается в активный режим при пробуждении.

Источники пробуждения варьируются по режиму: в sleep — любое периферийное прерывание, HWWAKE активность или пин-прерывание могут пробудить МК; deep-sleep поддерживает более широкий набор (DMA, DMIC, SDIO, HASH-AES, CASPER, PowerQuad, ADC, DSP, USB, ACMP, таймеры). В full deep power-down только RTC и системный сброс могут пробудить устройство.

Динамическое и статическое потребление питания I/O пинов

I/O пины могут значительно влиять на статическое и динамическое потребление. Внутренние подтягивающие резисторы и уровни напряжения могут дрейнить непрерывный ток, в то время как коммутационная активность добавляет динамическое потребление. Даташиты МК часто опускают I/O питание цифры потому что они application-зависимы.

В deep power-down I/O пины по дефолту в floating, high-impedance состоянии. Сброс отключает внутренние pull-up/down и входные буферы если не сконфигурированы через регистр IOCON.

Потребление питания в Sleep режиме и Deep-Sleep режиме

Ниже примерные токи для i.MX RT500 при различных частотах и напряжениях VDDCORE в активном и sleep режимах (DSP clock отключен). Все значения измерены при 25 °C с отключенным внутренним LDO и 128 КБ SRAM под питанием.

	12 МГц	24 МГц	48 МГц	96 МГц	192 МГц
Active Mode (DSP no clock)	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
Sleep Mode (DSP no clock)	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

В deep-sleep типичное потребление тока рельс питания с 128 КБ SRAM on и отключенным внутренним LDO:

Power Rail	Типичное потребление тока
VDD1V8	8,5 мкА
VDDCORE	42 мкА
VDD_AO1V8	0,79 мкА
All VDDIO rails combined	5,61 мкА
VDD_AO1V8	11,8 мкА
REFP	0,02 мкА
USB1_VDD_3V3	1,10 мкА

Таким образом, deep-sleep режим потребляет примерно 70 мкА, в то время как deep power-down или full deep power-down потребляют около 15 мкА. Обратитесь к таблицам 11 и 12 даташита для точных тестовых условий.

Соображения экономии питания SRAM

Управление on-chip памятью критично для энергоэффективности. Flash память может быть отключена без потери данных, в то время как SRAM требует явных решений об удержании. i.MX RT500 предлагает до 5 МБ SRAM, разделенного на 32 партиции. Каждая партиция может быть отключена или удержана независимо, позволяя fine-grained энергетические компромиссы.

Нижеадресованные SRAM партиции потребляют меньше тока чем вышеадресованные из-за их физического размещения. Разработчикам следует предпочитать нижние партиции когда экономия питания первостепенна.

Рисунок 2. Разработчикам следует предпочитать использование нижних SRAM партиций над верхними когда пытаются снизить общее потребление питания МК. Изображение предоставлено NXP.

Для более глубокого инсайта консультируйтесь с i.MX RT500 Power Management application note и reference manual, детализирующими различные power-saving техники.

i.MX RT500 МК для контроля и управления питанием

Сохранение питания необходимо для любого встраиваемого решения. Кроссоверный МК i.MX RT500 доставляет комплексные power-control фичи, позволяющие операцию с минимальным питанием при сохранении полной функциональности. В активном режиме дизайнер может селективно включать или отключать блоки через системные регистры или runtime APIs для адаптации потребления питания к нуждам приложения.

Для дальнейшей информации, веб-сайт NXP хостит аппноуты, видео и вебинары, исследующие power-management возможности i.MX RT500 в глубине.

Индустриальные статьи — форма контента, позволяющая промышленным партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits способом, не подходящим для редакционного контента. Все индустриальные статьи подлежат строгим редакционным рекомендациям с намерением предложить читателям полезные новости, техническую экспертизу или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в индустриальных статьях, принадлежат партнеру и не обязательно All About Circuits или его авторам.