So ändern Sie die Taktfrequenz, um den Stromverbrauch des Mikrocontrollers zu senken

Entwickler stehen immer vor der Herausforderung, ein hohes Maß an Funktionalität und Leistung bereitzustellen und gleichzeitig die Akkulaufzeit zu maximieren. Auch bei elektronischen Produkten ist der Batterieverbrauch das wichtigste Merkmal. Die Betriebszeit des Geräts sollte so kurz wie möglich sein. Das Power Management ist in tragbaren und batteriebetriebenen Anwendungen sehr wichtig. Unterschiede im Mikroampere-Verbrauch können zu einer Lebensdauer von Monaten oder Jahren führen, was die Popularität und Marke des Produkts auf dem Markt erhöhen oder verringern kann. Die Zunahme der Produkte erfordert eine effizientere Optimierung des Batterieverbrauchs. Heutzutage fordern Benutzer eine längere Batteriesicherung mit einer kompakten Produktgröße, daher konzentrieren sich die Hersteller auf eine kleinere Batteriegröße mit einer super langen Batterielebensdauer, was eine fragwürdige Aufgabe ist. Aber,Die Entwickler haben sich Energiespartechnologien ausgedacht, nachdem sie viele Faktoren und kritische Parameter durchlaufen haben, die sich auf die Batterielebensdauer auswirken.

Es gibt viele Parameter, die den Batterieverbrauch beeinflussen, wie z. B. den verwendeten Mikrocontroller, die Betriebsspannung, den Stromverbrauch, die Umgebungstemperatur, die Umgebungsbedingungen, die verwendeten Peripheriegeräte, die Lade- / Ladezyklen usw. Angesichts des Trends, dass intelligente Produkte auf den Markt kommen, ist dies sehr wichtig um sich zunächst auf die verwendete MCU zu konzentrieren, um die Batterielebensdauer zu optimieren. Die MCU spielt eine wichtige Rolle bei der Energieeinsparung bei kleinen Produkten. Es wird daher empfohlen, zuerst mit der MCU zu beginnen. Jetzt kommt die MCU mit den verschiedenen Energiespartechniken. Weitere Informationen zum Minimieren des Stromverbrauchs in Mikrocontrollern (MCU) finden Sie im vorherigen Artikel. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf einen der wichtigen Parameter zur Reduzierung des Stromverbrauchs im Mikrocontroller, nämlich die Änderung der TaktfrequenzDies muss bei der Verwendung der MCU für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch beachtet werden.

Warum sollte die Taktfrequenz in Mikrocontrollern geändert werden?

Von vielen oben genannten Parametern spielt die Wahl der Taktfrequenz eine sehr wichtige Rolle bei der Energieeinsparung. Die Studie zeigt, dass eine falsche Auswahl der Betriebsfrequenz von Mikrocontrollern zu einem signifikanten prozentualen (%) Verlust der Batterieleistung führen kann. Um diesen Verlust zu vermeiden, müssen die Entwickler die richtige Frequenzauswahl treffen, um den Mikrocontroller auszuführen. Jetzt ist es nicht erforderlich, dass die Frequenzauswahl beim Einrichten des Mikrocontrollers anfänglich erfolgen kann, während sie auch zwischen den Programmierungen ausgewählt werden kann. Es gibt viele Mikrocontroller, die mit einer Bitauswahl zur Auswahl der gewünschten Betriebsfrequenz geliefert werden. Der Mikrocontroller kann auch mit mehreren Frequenzen betrieben werden, sodass die Entwickler je nach Anwendung die geeignete Frequenz auswählen können.

Wie wirkt sich die Auswahl mehrerer Frequenzen auf die Leistung aus?

Es besteht kein Zweifel, dass die Auswahl verschiedener Frequenzen die Leistung des Mikrocontrollers beeinträchtigt. Wie beim Mikrocontroller ist bekannt, dass Frequenz und Leistung proportional sind. Dies bedeutet, dass eine höhere Frequenz weniger Codeausführungszeit und damit eine höhere Geschwindigkeit der Programmausführung hat. Nun ist es sehr klar, dass sich auch die Leistung ändert, wenn die Frequenz geändert wird. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass Entwickler nur für eine höhere Leistung des Mikrocontrollers auf einer Frequenz bleiben müssen.

Niedrige oder hohe Frequenz, welche soll ausgewählt werden?

Es ist nicht immer der Fall, wenn der Mikrocontroller eine hohe Leistung liefern muss. Es gibt mehrere Anwendungen, die eine mäßige Leistung des Mikrocontrollers erfordern. Bei diesen Arten von Anwendungen können die Entwickler die Betriebsfrequenz von GHz auf MHz und sogar auf die erforderliche Mindestfrequenz verringern Mikrocontroller ausführen. Obwohl in einigen Fällen die optimale Leistung erforderlich ist und auch die Ausführungszeit entscheidend ist, z. B. beim Ansteuern externer Flash-ADCs ohne FIFO-Puffer oder bei der Videoverarbeitung und vielen anderen Anwendungen, können die Entwickler in diesen Bereichen die optimale Frequenz des Mikrocontrollers verwenden. Selbst in solchen Umgebungen können die Entwickler intelligent codieren, um die Codelänge durch Auswahl der richtigen Anweisung zu verringern.

Zum Beispiel: Wenn die 'for'- Schleife mehr Anweisungen benötigt und mehrere Anweisungszeilen verwendet werden können, die weniger Speicher für die Ausführung der Aufgabe benötigen, ohne die for- Schleife zu verwenden, können Entwickler mehrere Anweisungszeilen verwenden , ohne die' for' - Schleife zu verwenden.

Die Auswahl der geeigneten Frequenz für den Mikrocontroller hängt von den Aufgabenanforderungen ab. Eine höhere Frequenz bedeutet einen höheren Stromverbrauch, aber auch mehr Rechenleistung. Die Wahl der Frequenz ist also im Wesentlichen ein Kompromiss zwischen Stromverbrauch und erforderlicher Rechenleistung.

Der Hauptvorteil des Arbeitens bei niedriger Frequenz ist neben geringerem RFI (Radio Frequency Interference) auch der niedrige Versorgungsstrom.

Versorgungsstrom (I) = Ruhestrom (I _q) + (K x Frequenz)

Der zweite Begriff ist vorherrschend. Die RFI-Energie eines Mikrocontrollers ist so gering, dass sie sehr einfach zu filtern ist.

Wenn die Anwendung eine hohe Geschwindigkeit benötigt, machen Sie sich keine Sorgen, dass sie schnell ausgeführt wird. Wenn der Stromverbrauch jedoch ein Problem darstellt, fahren Sie so langsam, wie es die Anwendung zulässt.

Taktschalttechnik

Die PLL-Einheit (Phases Lock Loop) befindet sich immer in einer Hochleistungs-MCU, die mit hoher Geschwindigkeit läuft. Die PLL erhöht die Eingangsfrequenz auf eine höhere Frequenz, z. B. von 8 MHz auf 32 MHz. Der Entwickler kann die für die Anwendung geeignete Betriebsfrequenz auswählen. Einige Anwendungen müssen nicht mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden. In diesem Fall müssen Entwickler die Taktfrequenz der MCU so niedrig wie möglich halten, um die Aufgabe auszuführen. In einer Plattform mit fester Frequenz, wie einer kostengünstigen 8-Bit-MCU, die keine PLL-Einheit enthält, muss der Befehlscode jedoch verbessert werden, um die Verarbeitungsenergie zu reduzieren. Außerdem kann die MCU, die eine PLL-Einheit enthält, die Vorteile der Frequenzumschalttechnik nicht nutzen, die es der MCU ermöglicht, während der Datenverarbeitungsperiode mit hoher Frequenz zu arbeiten und dann für die Datenübertragungsperiode zum Niederfrequenzbetrieb zurückzukehren.

In der Abbildung wird die Verwendung der PLL-Einheit in der Frequenzumschalttechnik erläutert.

Auswählen der Betriebsarten der Uhrenverwaltung

Einige der Hochgeschwindigkeits-Mikrocontroller unterstützen verschiedene Taktverwaltungsmodi wie den Stoppmodus, die Energieverwaltungsmodi (PMMs) und den Leerlaufmodus. Es ist möglich, zwischen diesen Modi zu wechseln, sodass der Benutzer die Geschwindigkeit des Geräts während des Stromverbrauchs optimieren kann.

Wählbare Taktquelle

Der Quarzoszillator verbraucht viel Strom an jedem Mikrocontroller, insbesondere während des Betriebs mit geringer Leistung. Der Ringoszillator, der für Schnellstarts aus dem Stoppmodus verwendet wird, kann auch verwendet werden, um während des normalen Betriebs eine Taktquelle von ungefähr 3 bis 4 MHz bereitzustellen. Obwohl beim Einschalten immer noch ein Quarzoszillator erforderlich ist, kann der Gerätebetrieb nach Stabilisierung des Quarzes auf den Ringoszillator umgeschaltet werden, wodurch eine Energieeinsparung von bis zu 25 mA erzielt wird.

Taktregelung

Die Betriebsfrequenz eines Mikrocontrollers ist der größte Faktor bei der Bestimmung des Stromverbrauchs. Die High-Speed ​​Microcontroller-Familie von Mikrocontrollern unterstützt verschiedene Taktgeschwindigkeitsverwaltungsmodi, die durch Verlangsamen oder Stoppen der internen Uhr Strom sparen. Mit diesen Modi kann der Systementwickler die Energieeinsparungen bei minimaler Auswirkung auf die Leistung maximieren.

Softwareausführung aus nichtflüchtigem Speicher oder RAM

Entwickler müssen bei der Schätzung des Stromverbrauchs sorgfältig prüfen, ob Software aus nichtflüchtigen Speichern oder aus dem RAM ausgeführt wird. Die Ausführung aus dem RAM kann niedrigere aktive Stromspezifikationen bieten. Viele Anwendungen sind jedoch nicht klein genug, um nur aus dem RAM ausgeführt zu werden, und erfordern, dass Programme aus dem nichtflüchtigen Speicher ausgeführt werden.

Busuhren aktiviert oder deaktiviert

Die meisten Mikrocontroller-Anwendungen erfordern während der Softwareausführung Zugriff auf Speicher und Peripheriegeräte. Dies erfordert die Aktivierung von Bustakte und muss bei aktiven Stromschätzungen berücksichtigt werden.

Verwendung des internen Oszillators

Die Verwendung interner Oszillatoren und die Vermeidung externer Oszillatoren kann erhebliche Energieeinsparungen ermöglichen. Wenn externe Oszillatoren mehr Strom ziehen, wird mehr Strom verbraucht. Es ist auch nicht fest daran gebunden, einen internen Oszillator zu verwenden, da externe Oszillatoren ratsam sind, wenn die Anwendungen mehr Taktfrequenz erfordern.

Fazit

Die Herstellung eines Produkts mit geringem Stromverbrauch beginnt mit der Auswahl einer MCU und es ist erheblich schwierig, wenn auf dem Markt verschiedene Optionen verfügbar sind. Die Änderung der Frequenz kann große Auswirkungen auf den Stromverbrauch haben und auch zu einem guten Stromverbrauch führen. Der zusätzliche Vorteil des Änderns der Frequenz besteht darin, dass keine zusätzlichen Hardwarekosten anfallen und diese einfach in die Software implementiert werden können. Diese Technik kann verwendet werden, um die Energieeffizienz einer kostengünstigen MCU zu verbessern. Darüber hinaus hängt die Höhe der Energieeinsparung von der Differenz zwischen den Betriebsfrequenzen, der Datenverarbeitungszeit und der Architektur der MCU ab. Die Energieeinsparung von bis zu 66,9% kann bei Verwendung der Frequenzumschalttechnik im Vergleich zum normalen Betrieb erreicht werden.

Letztendlich ist es für Entwickler eine große Herausforderung, die Anforderungen an verbesserte Systemfunktionalität und Leistungsziele zu erfüllen und gleichzeitig die Akkulaufzeit von Produkten zu verlängern. Um effektiv Produkte zu entwickeln, die eine möglichst lange Batterielebensdauer bieten - oder sogar ohne Batterie arbeiten -, müssen Sie sowohl die Systemanforderungen als auch die aktuellen Spezifikationen des Mikrocontrollers genau kennen. Dies ist viel komplexer als nur zu schätzen, wie viel Strom die MCU verbraucht, wenn sie aktiv ist. Abhängig von der zu entwickelnden Anwendung können Frequenzänderung, Standby-Strom und Peripheriestrom einen größeren Einfluss auf die Batterielebensdauer haben als die MCU-Leistung.

Dieser Artikel wurde erstellt, um Entwicklern zu helfen, zu verstehen, wie die MCUs in Bezug auf die Frequenz Strom verbrauchen, und kann durch Ändern der Frequenz optimiert werden.