Låg energiförbrukning är den mest kritiska parametern i många MCU-tillämpningar, men det finns många sätt att nå dit. Donald Schneider från Microchip Technology Inc gör här en genomgång av vad som gäller i olika typer av applikationer och hur enkapseldatorernas driftlägen kan användas på bästa sätt.

Låg energi betraktas ofta som den central trossatsen för miljövänliga produkter, men vilket slag av låg energi klargörs eller kvantifieras sällan.
Beroende på tillämpning och hur MCUn kommer att användas i tillämpningen kommer kraven på en energisnål styrkrets (MCU) att variera. Användningen kan delas in i tre huvudområden:
* Minimalt energiläge – Detta kommer att användas i tillämpningar såsom en batteridriven termostat. Det minimala energiläget definierar den lägsta kraftnivå som finns tillgänglig för drift av LCD-skärmen. Sådan energiminskning leder till längre batterilivslängd.
* Förbrukad ström i aktivt läge – För tillämpningar såsom en elmätare handlar nivån på och slaget av låg energi om den aktiva ström som förbrukas av systemet vid drift.
* Tidsspecifika tillämpningar – Detta är system som kräver att datum och tid bibehålls, oberoende av närvaro av systemets primära spänningskälla, såsom en elmätare under ett elavbrott.

Flexibla
Eftersom tillämpningarna ställer olika krav letar konstruktörer efter MCUer med ännu mer flexibla energilägen för att ytterligare skräddarsy systemens drift.
Tidigare hade MCUer ett aktivt läge som möjliggjorde drift av utrustningen; overksamma lägen och vilolägen för att minska eller utesluta CPUns switchspänning samtidigt som kringutrustning fortfarande kunde vara i drift; och sovlägen som möjliggjorde begränsad drift av kringutrustning med minimal effektförbrukning.

Fig 1. BLE-verktygets huvudskärm

Ett antal nya lågenergilägen tillkommer nu för att öka flexibiliteten för avancerade MCUer som ett led mot mer avancerade halvledarprocesser som minimerar kostnaden och minskar strömmen i aktivt läge. För att demonstrera några av de driftlägen som finns på dagens avancerade MCUer, kommer denna artikel att undersöka hur dessa nya energisnåla driftlägen utnyttjas i olika tillämpningar.
Samtliga exempel kommer att skapas med hjälp av ett programvaruverktyg för beräkning av batterilivslängden (BLE, Battery Life Estimator) och en 16-bitars MCU för att ge en jämförelse av olika energilägen, när de implementeras i olika tillämpningar. Microchips BLE-verktyg är ett kostnadsfritt programvaruverktyg som gör det möjligt för en konstruktör att uppskatta batterilivslängden för system och avgöra vilket av tillgängliga driftlägen som passar bäst för en viss tillämpning. Funktionaliteten hos MCU-familjen PIC24FJ128GA310 inkluderar ett antal nya energisnåla lägen och en LCD-drivkrets, såsom visas i följande exempel.

Termostater
Termostater har blivit mer komplicerade, de måste visa mer information och täcka flera regioner. Stora mängder av inbyggt flashminne behövs därmed ofta för att lagra komplicerade menyer på flera språk.
I allmänhet behövs avancerade processer för att göra MCUer med större minne till konkurrenskraftiga priser. Förbättrade halvledarprocesser brukar leda till minskad ström i drift-(aktivt)-läge och ökad läckström hos transistorn. Den ökade läckströmmen är som mest tydlig i strömspecifikationerna för energisnåla, såsom ett sovläge.
För avancerade MCUer ligger strömmen i sovläge normalt inom området 3 till 5 µA, medan en typisk termostattillämpning inte gör mycket mer än att driva en LCD-skärm under större delen av tiden. LCD-skärmen drivs typiskt i ett sovläge som gör att kringutrustningen — i detta fall LCD-drivkretsen — kan fungera medan CPUn och flertalet kringutrustning är avstängda.
Termostaten kommer att vakna emellanåt och gå upp i aktivt läge – läsa av temperaturen, uppdatera skärmen och eventuellt skicka en signal till värmeelementet, fläkten eller nätaggregatet att starta. Eftersom bara sovläget behövs 99% av tiden är strömmen i sovläge det område där förbättringar framför allt kan ge stora fördelar för systemets batterilivslängd.

Deep sleep med minne
För att tillhandahålla MCUer med ett strömläge på under 1 µA har många leverantörer introducerat nya energisnåla s k “Deep Sleep”-lägen. Normalt ligger strömmen i ett sådant djupt sovläge i området 10 till 50 nA, och sådana kretsar kan köra en RTCC (realtidsklocka/-kalender) med ett strömtillägg på 400 nA. Ett alternativ är att stänga av hela kretsen – förutom en liten mängd minne, en realtidsklocka och, eventuellt, en “Watch Dog”-timer – för att åstadkomma extremt låg strömförbrukning.
Djupa sovlägen möjliggör dock inte drift av kringutrustning eller att RAM-data bibehålls på kretsen. Förlusten av RAM-innehållet kräver att kretsen exekverar en rutin för återstart innan programmerade uppgifter kan återupptas när systemet vaknar upp ur sitt djupa sovläge.

Fig 2. BLE-verktygets skärmbild för redigering av driftläge

Nya energisnåla lägen ger ett annat alternativ. Ett exempel är ett lågspänningssovläge, som bibehåller kretsens RAM-data vid en typisk basström på 330 nA och som möjliggör drift av annan energisnål kringutrustning. Detta sovläge bibehåller kretsens RAM och sänker strömmen i sovläge genom att minska uteffekten hos kretsens inbyggda regulator.
Genom att minska matningsspänningen till kretsens logik och begränsa den aktiva kringutrustningen kan MCUns ström i sovläge minskas från 3,7 µA till 330 nA. Kringutrustning såsom LCD-drivkretsar, timers och RTCC kan fungera med minimal extra strömförbrukning som underställs MCUns sovläge. Det "spänningssnåla" sovläget gör det möjligt för kretsen att återgå till sitt aktiva tillstånd på mindre än hälften av tiden jämfört med uppvakning från djupt sovläge. Kretsen börjar då att utföra uppgifter vid nästa instruktion, snarare än att börja med den sekvens för återstart som vanligtvis krävs för uppvakning från djupt sovläge.
Fig 1 visar BLE-verktygets huvudskärm MCUn och dess driftspänning, batteri och driftlägen. Resutatet för termostatmodellen är en beräknad livslängd på 11 år och 88 dagar.

Modellera
BLE-verktyget modellerar den tid en styrkrets kommer att spendera i vardera driftläge och hur mycket kraft kretsen kommer att förbruka i vardera läge. Fig 1 visar den skärmbild som ges av BLE och som används för att ställa in flera viktiga parametrar för systemet och för att ge den resulterande uppskattningen av systemets livslängd och genomsnittliga ström. Först väljs systemets MCU och driftspänning. Det möjliggör för BLE att hämta relevanta specifikationsparametrar. Ett batteri eller batteripar väljs sedan — i detta fall 2 alkaliska AAA-batterier. Systemets förväntade driftspänning och drifttemperatur kan också väljas, så att den lämpligaste specifikationen hämtas för användning i beräkningsmodellen för livslängden. Slutligen definieras de driftlägen som kommer att användas i systemet. I fallet med vår termostat kommer två lägen att utnyttjas.
För att modellera den tid då termostaten endast visar uppgifter på LCD-skärmen skapas ett driftläge kallat “Display LCD”. Det driftläget utnyttjar det spänningssnåla sovläget för att ge det lägsta strömläge som kan driva LCDn. BLE-verktyget är inställt att modellera det spänningssnåla sovläget under 29,5 sekunder av den slinga på 30 sekunder som utnyttjas för att modellera kretsens driftlivslängd. Ett andra driftläge för uppdatering av temperatur och LCD utnyttjas för att modellera den tid MCUn kommer att använda för att kontrollera temperaturen, uppdatera skärmen och kommunicera med HVAC-enheterna.

Systemström
Det nya spänningssnåla sovläget och implementeringen av driftlägen i BLE-verktyget visas i fig 2 – skärmbilden för Lägg till/modifiera-läge. Här kan konstruktören justera tidsinställningen, som för närvarande är satt till 29,5 sekunder.
Genom att använda rutan för “Additional System Current”, dvs mer ström till systemet, kan konstruktörer lägga till en beräknad strömförbrukning för den ström som omger MCUn. I det här fallet har systemström på 4 µA lagts till för att motsvara den ström som förbrukas av LCD-skärmen och ytterligare 1 µA för att motsvara den ström som krävs för LCDns interna förspänningsmotstånd. Därefter väljs energiläget, i detta fall “Low-Voltage Sleep” (spänningssnålt sovläge), och den kringutrustning som behövs. För att ge en noggrann modell av systemets ström har LCD-drivkretsen, BOR, WDT och RTCC valts.
Den sammanlagda systemström som förbrukas av MCUn, i sig, är 1,88 µA, vilket läggs till vår systemström på 5 µA och ger de 6,88 µA som systemet behöver medan det befinner sig i det spänningssnåla sovläget.
Såsom visas i fig 2 gör BLE-verktygets skärmbild för redigering av driftlägen det möjligt för en konstruktör att namnge och specificera villkoren för samtliga energilägen som utnyttjas.

Fig 3. BLE-verktyget

BLE-verktygets huvudskärm visar att i genomsnitt 6,88 µA förbrukas medan utrustningen befinner sig i det spänningssnåla sovläget och endast lite drygt 327 µA förbrukas under den korta tid då utrustningen befinner sig i ett aktivt tillstånd, vilket ger en genomsnittlig ström på mindre än 6,9 µA. Den beräknade batterilivslängden för systemet är nästan 12 år, eller nästan 5 år längre än batteriernas lagringstid. En liknande analys för sovläget snarare än det spänningssnåla sovläget visas i fig 3, och ger en genomsnittlig ström på ungefär 10,5 µA och tre år kortare batterilivslängd.

Elmätare
En kontrasterande tillämpning för en MCU är ett system som spenderar större delen av tiden i ett aktivt läge, till exempel en elmätare. Dagens elmätare ägnar all sin tid i ett av två tillstånd. Det normala driftläget är när elektrisk kraft finns tillgänglig. I detta “normala” driftläge är MCUn aktiv och mäter kontinuerligt spänning och ström, samt beräknar den energi som tas ut via mätaren. Mätaren kan även övervaka potentiellt fusk, driva en LCD-skärm och eventuellt kommunicera med infrastruktur för mätaravläsning.
Medan elmätaren är igång kan det se ut som om det finns energi i överskott. I verkligheten är energin den produkt som levereras av elbolaget—mätartillverkarens slutkund. Elbolaget levererar elkraft till miljontals kunder och t o m ett litet energiuttag är dyrbart för ett kraftbolags verksamhet. Flertalet mätare måste faktiskt fungera med den kraftbudget på under 10 VA, som har etablerats av IEC. När möjliga linjevariationer, komponenttoleranser och systemkonstruktionsmarginaler tagits med i beräkningen blir slutresultatet en strömbudget på cirka 10 mA för systemets MCU, när kapacitiv kraftmatning utnyttjas.
Vissa av dagens billiga elmätare utnyttjar 8-bitars MCUer som normalt förbrukar över 10 mA, när de arbetar på full hastighet i ett aktivt läge. För att hålla sig inom systemets kraftbudget måste konstruktörer ofta driva MCUn på minskad frekvens.
Många av dagens 16-bitars MCUer drar nytta av avancerade processer och konstruktionstekniker för att ge en normal driftström som är så låg som 150 µA/MHz, och som kan fungera vid full hastighet på 16 MIPS samtidigt som de drar maximalt 6,9 mA. Den minskade driftströmmen ger konstruktören möjlighet att välja att antingen minska MCUns arbetshastighet för att sänka systemets strömförbrukning eller att lägga till ytterligare funktioner samtidigt som systemet hålls inom den givna strömbudgeten.

Backup
Eftersom elmätare befinner sig i ett aktivt tillstånd under större delen av tiden är de också ett exempel på en tillämpning som kan dra fördel av ett av de energisnålaste lägena — Vbat. Vbat-funktionalitet ger ett speciellt anslutningsben försett med en reservkraftkälla, t ex ett LTC-batteri eller en superkondensator. Om den primära kraften till systemet försvinner, som vid ett strömavbrott, övergår matningen av RTCC automatiskt till Vbat-benets reserv.
RTCC är viktigt i en elmätare under ett strömavbrott, eftersom det blir allt vanligare att användningstiden ligger till grund för elräkningen. Drift av RTCC via Vbat gör att ett LTC-batteri kan vara tillräckligt för drift i tiotals år, vilket möjliggör nästan oändlig reservkraftdrift.
Användning av Vbat-funktionalitet med RTCC är inte begränsad till elmätare. Många tillämpningar, inkluderande den termostat som behandlades tidigare, kan utnyttja RTCC för att hålla reda på tiden under strömavbrott eller batteribyten. Vbat, med en kondensator eller ett batteri, kan gå lång väg mot att utesluta det irriterande blinkande ljus som ett strömavbrott resulterar i.
Utvecklingen av strömsnåla MCUer i en energimedveten värld har lett till mycket flexibla universal-MCUer. Framsteg inom processteknik och konstruktionstekniker har lett till 16-bitars MCUer med ström i aktivt läge som är så låg som 150 µA/MHz. Flexibilitet har lagts till krafthanteringskedjan genom nya energisnåla lägen, såsom spänningssnålt sovläge och Vbat, och möjliggör för universal-MCUer att fungera i en bredare mångfald av tillämpningar. Resultatet är att konstruktörer har tillgång till kraftfulla och anpassningsbara styrkretsar som kommer att möjliggöra mer energieffektiva och kundvänliga sluttillämpningar.
Donald Schneider, produktmarknadschef, enheten för avancerade styrkretsarkitekturer, Microchip Technology Inc

Filed under: Enkapseldatorer