Az órajel frekvenciájának módosítása a mikrovezérlő energiafogyasztásának csökkentése érdekében

A fejlesztőknek mindig kihívást jelent a magas szintű funkcionalitás és teljesítmény biztosítása, miközben maximalizálják az akkumulátor élettartamát. Az elektronikus termékekről is a legfontosabb jellemző az akkumulátorfogyasztás. A lehető legkevesebbnek kell lennie az eszköz működési idejének növelésére. Az energiagazdálkodás nagyon fontos a hordozható és akkumulátoros alkalmazásokban. A mikroampere fogyasztások különbségei hónapok vagy évek működési idejéhez vezethetnek, ami növelheti vagy csökkentheti a termék népszerűségét és márkáját a piacon. A termékek növekedése az akkumulátorok használatának hatékonyabb optimalizálását igényli. Manapság a felhasználók hosszabb akkumulátor-mentést igényelnek kompakt méretű termékekkel, így a gyártók a kisebb méretű akkumulátorokra koncentrálnak, szuper hosszú akkumulátor-élettartammal, ami megkérdőjelezhető feladat. De,a fejlesztők az energiatakarékossági technológiákkal rukkoltak elő, miután sok tényezőn és kritikus paraméteren mentek keresztül az akkumulátor élettartamán.

Számos olyan paraméter befolyásolja az akkumulátor használatát, mint az alkalmazott mikrovezérlő, az üzemi feszültség, az áramfogyasztás, a környezeti hőmérséklet, a környezeti állapot, a használt perifériák, a töltési-újratöltési ciklusok stb. A piacra kerülő intelligens termékek trendjével nagyon fontos először az alkalmazott MCU-ra összpontosítani, optimalizálni az akkumulátor élettartamát. Az MCU kritikus részévé válik, amikor a kis méretű termékek energiatakarékosak. Ezért ajánlott először az MCU-val kezdeni. Az MCU a különféle energiatakarékossági technikákkal érkezik. Ha többet szeretne megtudni a mikrovezérlők (MCU) energiafogyasztásának minimalizálásáról, olvassa el az előző cikket. Ez a cikk elsősorban a mikrovezérlő energiafogyasztásának csökkentésére szolgáló egyik fontos paraméterre összpontosít, vagyis az órajel frekvenciájának módosítására.amire ügyelni kell, amikor az MCU-t alacsony fogyasztású alkalmazásokhoz használják.

Miért kell módosítani az óra frekvenciáját a mikrovezérlőkben?

A sok fent említett paraméter közül az órafrekvencia megválasztása nagyon fontos szerepet játszik az energiatakarékosságban. A tanulmány azt mutatja, hogy a mikrovezérlők működési frekvenciájának helytelen kiválasztása az akkumulátor energia jelentős százalékos (%) elvesztéséhez vezethet. A veszteség elkerülése érdekében a fejlesztőknek gondoskodniuk kell a mikrovezérlő futtatásához szükséges megfelelő frekvenciaválasztásról. Most nem szükséges, hogy a frekvenciaválasztás kezdetben elvégezhető legyen, miközben a mikrovezérlőt fel kell állítani, míg a programozás között is választható. Számos mikrovezérlő létezik bitválasztással a kívánt működési frekvencia kiválasztásához. A mikrovezérlő több frekvencián is képes működni, így a fejlesztőknek lehetőségük van kiválasztani a megfelelő frekvenciát az alkalmazástól függően.

Mi a több frekvencia kiválasztásának hatása a teljesítményre?

Kétségtelen, hogy a különféle frekvenciák kiválasztása hatással lesz a mikrovezérlő teljesítményére. A mikrokontrollerhez hasonlóan nagyon jól ismert, hogy a frekvencia és a teljesítmény arányos. Ez azt jelenti, hogy nagyobb frekvencia esetén kisebb lesz a kódfuttatási idő, és ezáltal nagyobb a programfuttatás sebessége. Tehát most nagyon világos, hogy ha a frekvenciát megváltoztatják, akkor a teljesítmény is változni fog. De nem szükséges, hogy a fejlesztőknek egy frekvencián kell ragaszkodniuk, csak a mikrokontroller nagyobb teljesítménye érdekében.

Alacsony vagy magas frekvencia, melyiket válasszuk?

Nem mindig van olyan helyzet, amikor a mikrovezérlőnek nagy teljesítményt kell nyújtania, számos alkalmazás igényli a mikrovezérlő mérsékelt teljesítményét, az ilyen típusú alkalmazásokban a fejlesztők csökkenthetik az üzemi frekvenciát GHz-ről MHz-re, sőt a szükséges minimális frekvenciára is. futtassa a mikrovezérlőt. Bár egyes esetekben az optimális teljesítményre van szükség, és a végrehajtási idő is kritikus, például amikor külső flash ADC-ket vezetnek FIFO puffer nélkül, vagy videofeldolgozásban és sok más alkalmazásban, ezeken a területeken a fejlesztők a mikrovezérlő optimális frekvenciáját használhatják. A fejlesztők még ilyen környezetben is használva okosan kódolhatnak a kód hosszának csökkentése érdekében a megfelelő utasítás kiválasztásával.

Például: Ha a „for” ciklus több utasítást vesz igénybe, és több olyan utasítássor is használható, amely kevesebb memóriát használ fel a feladat elvégzéséhez a for ciklus használata nélkül, akkor a fejlesztők több utasítássorral is eljuthatnak, elkerülve a „for” ciklus használatát.

A mikrovezérlő számára megfelelő frekvencia kiválasztása a feladat követelményeitől függ. A magasabb frekvencia magasabb energiafogyasztást, de nagyobb számítási teljesítményt is jelent. Tehát lényegében a frekvencia megválasztása kompromisszum az energiafogyasztás és a szükséges számítási teljesítmény között.

Az alacsony frekvencián végzett munka fő előnye az alacsony RFI (rádiófrekvenciás interferencia) mellett az alacsony tápfeszültség.

Tápfeszültség (I) = nyugalmi áram (I _q) + (K x frekvencia)

A második kifejezés domináns. A mikrokontroller RFI energiája olyan kicsi, hogy nagyon könnyen szűrhető.

Tehát, ha az alkalmazásnak gyors sebességre van szüksége, ne aggódjon a gyors futás miatt. De ha az energiafogyasztás aggodalomra ad okot, akkor fusson olyan lassabban, amennyit az alkalmazás megenged.

Óra-frekvencia kapcsolási technika

A PLL (Phases Lock Loop) egység mindig nagy sebességű, nagy teljesítményű MCU-ban létezik. A PLL növeli a bemeneti frekvenciát magasabb frekvenciára, például 8 MHz-ről 32 Mhz-re. A fejlesztő választhatja meg az alkalmazás megfelelő működési frekvenciáját. Egyes alkalmazásoknak nem kell nagy sebességgel futtatniuk, ebben az esetben a fejlesztőknek a feladat futtatásához a lehető legkisebbre kell tartaniuk az MCU órajelét. Azonban egy fix frekvenciájú platformon, például alacsony költségű, 8 bites MCU-ban, amely nem tartalmaz PLL egységet, javítania kell az utasításkódot a feldolgozási energia csökkentése érdekében. Továbbá, a PLL egységet tartalmazó MCU nem tudja kihasználni a frekvenciaváltási technika előnyeit, amely lehetővé teszi az MCU számára, hogy az adatfeldolgozási periódusban magas frekvencián működjön, majd visszatérjen az alacsony frekvenciájú működéshez az adatátviteli időszakra.

Az ábra elmagyarázza a PLL egység használatát a frekvenciaváltási technikában.

Óra kezelési módok kiválasztása

Néhány nagysebességű mikrovezérlő támogatja az óra különböző kezelési módjait, például a Stop módot, az Energiagazdálkodási módokat (PMM) és a Készenléti módot. E módok között lehet váltani, lehetővé téve a felhasználó számára, hogy az energiafogyasztás közben optimalizálja a készülék sebességét.

Választható Óraforrás

A kristályoszcillátor minden mikrovezérlő áramfogyasztója nagy, különösen alacsony fogyasztású üzem közben. A stop üzemmódból történő gyors indításhoz használt gyűrűs oszcillátor normál működés közben körülbelül 3-4 MHz-es órajelforrás biztosítására is használható. Bár bekapcsoláskor még mindig szükség van kristályoszcillátorra, a kristály stabilizálódása után a készülék működése átállítható a gyűrűs oszcillátorra, elérve akár 25 mA energiamegtakarítást is.

Órasebesség-szabályozás

A mikrovezérlő üzemi frekvenciája az egyetlen legnagyobb tényező az energiafogyasztás meghatározásában. A nagysebességű mikrovezérlő család mikrovezérlői különböző órajel-kezelési módokat támogatnak, amelyek a belső óra lassításával vagy leállításával kímélik az energiát. Ezek a módok lehetővé teszik a rendszerfejlesztő számára, hogy maximalizálja az energiamegtakarítást, a lehető legkisebb hatással a teljesítményre.

Szoftver végrehajtása nem felejtő memóriából vagy RAM-ból

A fejlesztőknek gondosan mérlegelniük kell, hogy a szoftvert nem felejtő memóriákból vagy RAM-ból futtatják-e az aktuális fogyasztás becsléséhez. A RAM-ról történő végrehajtás alacsonyabb aktív áram specifikációkat kínálhat; azonban sok alkalmazás nem elég kicsi ahhoz, hogy csak RAM-ról hajtson végre, és megköveteli, hogy a programokat nem felejtő memóriából futtassák.

Buszórák engedélyezve vagy letiltva

A legtöbb mikrovezérlő alkalmazáshoz a memória és a perifériákhoz van szükség a szoftver futtatása során. Ehhez engedélyezni kell a buszórákat, és ezt figyelembe kell venni az aktív jelenlegi becsléseknél.

A belső oszcillátor használata

A belső oszcillátorok használata és a külső oszcillátorok elkerülése jelentős energiát takaríthat meg. Mivel a külső oszcillátorok több áramot vesznek fel, ami nagyobb energiafelhasználást eredményez. Nem nehéz megkötni azt is, hogy belső oszcillátort kell használni, mivel a külső oszcillátorokat célszerű használni, ha az alkalmazások nagyobb órajel-frekvenciát igényelnek.

Következtetés

Az alacsony fogyasztású termék gyártása az MCU választásával kezdődik, és jelentősen nehéz, ha különféle lehetőségek állnak rendelkezésre a piacon. A frekvencia módosítása nagy hatással lehet az energiafelhasználásra, és jó energiafogyasztási eredményt is adhat. A frekvencia módosításának további előnye, hogy nincs további hardverköltség, és könnyen megvalósítható a szoftverben. Ez a technika felhasználható az alacsony költségű MCU energiahatékonyságának javítására. Ezenkívül az energiatakarékosság mértéke a működési frekvenciák, az adatfeldolgozási idő és az MCU architektúrája közötti különbségtől függ. Akár 66,9% -os energiatakarékosság érhető el a frekvenciaváltási technika alkalmazásával a normál működéshez képest.

A nap végén a fejlesztők számára jelentős kihívást jelent a megnövekedett rendszerfunkciók és teljesítménycélok igényeinek kielégítése, miközben megnövelik a termékek akkumulátor-élettartamát. A lehető leghosszabb akkumulátor-élettartamot biztosító - vagy akár akkumulátor nélküli működésű - termékek hatékony fejlesztéséhez mind a rendszerkövetelmények, mind a mikrovezérlő jelenlegi specifikációinak mély megértése szükséges. Ez sokkal összetettebb, mint egyszerűen megbecsülni, hogy az MCU mennyi áramot fogyaszt aktív állapotban. A fejlesztés alatt álló alkalmazástól függően a frekvenciaváltás, a készenléti áram, a perifériás áram jelentősen befolyásolhatja az akkumulátor élettartamát, mint az MCU teljesítménye.

Ez a cikk azért jött létre, hogy segítse a fejlesztőket annak megértésében, hogy az MCU-k hogyan fogyasztják az energiát a frekvencia szempontjából, és hogyan optimalizálhatók a frekvencia módosításával.