low-power: como reduzir o consumo de energia do seu produto e aumentar a vida útil da bateria?
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Low-power: Como reduzir o consumo
de energia do seu produto e aumentar
a vida útil da bateria?
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Sobre o palestrante…
Daniel Rodrigues de Sousa
Mestrando em Ciências da Computação pela UFABC
Engenheiro eletricista formado pela Universidade Cruzeiro do
Sul - 2001
Autor dos livros Microcontroladores ARM7 – O poder dos 32
bits, Desbravando o PIC24 – Conheça os Microcontroladores de
16 bits, Desbravando o PIC18 – Recursos Avançados,
Desbravando o Desbravando o PIC18 – Ensino Didático, todos
pela Editora Érica
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PIC – O melhor microcontrolador
desde a década de 70…
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PIC – O melhor microcontrolador
desde a década de 70…
© 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 5
PIC – O melhor microcontrolador
desde a década de 70…
Duvida? http://www.dailymotion.com/video/k7xIgPVURqbpD196rFT?start=199
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Objetivos
No final desta aula, você será capaz:
l Definir o que é baixo consumo, seus diversos modos e como gerenciar eles
l Diferenciar nanoWatt, nanoWatt XLP Technology, Deep Sleep e outras técnicas low power
l Análisar e desenvolver de um sistema com um menor consumo possível
l Identificar e escolher o melhor microcontrolador PIC® nanoWatt para sua aplicação
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l O que é Low Power?
l Definindo e planejando o consumo
l Tecnologia nanoWatt XLP
l Considerações do sistema
l Sumário e referências
Agenda
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O que é Low Power?
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O que é Low Power? Relações usuais
l Lei de Watt:
l Lei de Joule:
l Carga:
)()()( amperesIvoltsVWattsPower
(sec))()()( tamperesIvoltsVJoulesEnergy
Definição
Carga (ampere x segundo) é a corrente utilizada durante um
determinado período de tempo. Isso é útil para calcular a potência de
cada fase de uma aplicação, ou a capacidade total de uma bateria.
(sec))()( tamperesIcoulombsq
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O que é Low Power? Modos de consumo
l Existem vários modos de consumo em aplicações com microcontroladores:
l Dinâmico (ou Ativo) l Clocks do sistema modos de operação
l Parasita, Clock, Periféricos, Core e I/O
l Estático l Clocks do sistema desligado
l Parasita e I/O
l Médio l Integral do consumo usada para completar um
ciclo da aplicação
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O que é Low Power? Consumo dinâmico
Definição
Consumo dinâmico (ativo) é a potência consumida enquanto a aplicação está ativa e executando tarefas. Este consumo é devido as correntes de chaveamento CMOS em função da frequência e tensão. Consumo adicional é devido aos periféricos e pinos de I/O.
Po
we
r (
μA
*V)
Time (μs)
dynamic dynamic
static
wake-up
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O que é Low Power? Elementos que contribuem para o consumo dinâmico
input output
CP+CL
l Capacitâcia da porta
l Perdas adicionam capacitâncias
(CL)
l Capacitâncias parasita (CP)
está sempre presente ~5-10pF
l Perdas por chaveamento CMOS
l Ambos estão temporariamente
durante a transição
l Chaveamento rápido = mais
tempo = mais fugas
VDD
l Fonte de alimentação
l Menor a tensão, menor é o
consumo
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dtdVVCVIP
Para constante V:
O que é Low Power? Elementos que contribuem para o consumo dinâmico
dtdVCI
fCVP 2
Capacitância (C) é afetado por Desenvolvimento do chip
Seleção do periférico
Tensão (V) é afetado por Seleção do componente
Frequência (f) é afetado por Clock do sistema
Eficiência do código
Perfil de consumo
Necessidades da aplicação
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O que Low Power? Consumo estático
Definição
Consumo estático é a potência consumida enquanto a aplicação está ligada, mas não ativo (por exemplo, clock do sistema desligado). Esta dissipação de energia vem de fugas transistor inerente a processos CMOS, clock necessário para manter o RTC durante o sleep, supervisores de tensão do sistema, circuitos watchdog, I/O, etc.
Po
we
r (
μA
*V)
Time (μs)
dynamic
dynamic
static
wake-up
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O que é Low Power? Elementos que contribuem para o consumo estático
Fugas são afetada por: l Processo geometrico: transistores menores significam maior fugas
l Tensão: menor tensão, menor fuga
l Temperatura: temperaturas mais elevadas aumentam dramaticamente fugas
source drain
VDRAIN
VGATE
VSOURCE gate
Sub-threshold Leakage
Drain to substrate
leakage
Gate-junction tunneling
Transistores menores aumentar o consumo estático, mas isso pode ser compensado pelo menor consumo dinâmico, uma vez que pode operar a uma tensão mais baixa.
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Comparação do processo tecnológico e potência consumida
l AN1416
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O que é Low Power? Consumo médio
)()(1
staticstaticstaticactiveactiveactive
cycle
avg tIVtIVt
P
Definição
Consumo médio é a energia consumida através de um ciclo
completo quando operando em ambos os estados de operação
estática e ativa. O consumo médio inclui a quantidade de tempo gasto
em cada estado, bem como o tempo de transição necessário para
alternar entre os modos dinâmicos e estáticos.
Po
we
r (
μA
*V)
Time (μs)
dynamic dynamic
static
wake-up
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O que é Low Power? Medindo o consumo
l Multímetro l Medir o valor RMS da corrente
l Tipicamente na escala de 20nA-100nA
Vdd
3.3V
device
under test
Vdd
3.3V
device
under test
Rshunt
l Osciloscópio com resistor shunt no VDD
l Medidas e exibe perfil de energia
l Valor do Rshunt deve ser escolhido com cuidado
l 10Ω-100Ω
l Valor alto de Rshunt causa BOR
l VDD Descarga do capacitor
l Medida da taxa de descarga I=C(∆V/ ∆t)
l Útil para medição de corrente muito baixa
device
under test
Vdd
3.3V
10µF
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Definindo e planejando o consumo
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Definindo e planejando o consumo
Analisando a aplicação
l Quebre a aplicação em fases l Calcule a corrente utilizada nessas fases
l Determinar quanto tempo deve ser gasto em cada fase
l Calcular a energia consumida por cada fase
l Calcula-se a potência média de toda a aplicação l Ele pode ser baixado por gastar menos tempo no modo ativo?
l Pode tensão, fonte de clock ou modos de baixo consumo pode ser alterado em qualquer uma das fases?
l Identificar os piores casos e revisita l Diferentes combinações de modo pode ser usado?
l Traçar o perfil de energia
l Construir, medir e confirmar o perfil de energia
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AGENDAMENTO
Wake-up, fontes de transição,
controle de loop, gerenciamento
de clock e comutação
SAIDA
PROCESSO
Quebre a
aplicação em
fases
AQUISIÇÃO
Definindo e planejando o consumo
Analisando a aplicação
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Definindo e planejando o consumo
Diagrama em blocos de uma típica aplicação
1. Leitura de sensores
2. Escrita na EEPROM
3. Escrita no LCD
4. Aguardar 5s (RTCC)
5. Repete
Analog.
Sensor de
Temp.
MCP9700
RTCC
INT0
I2C™
EEPROM
24AA256
INT1
INTOSC 16 MHz
INTOSC 31 kHz
SOSC
POSC
T1OSC
MSSP2
MSSP1
CORE
3.3V
S2
32kHz
8Mhz
S3
PIC18F
ADC
Potenciometro
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Definindo e planejando o consumo Perfil de consumo
l Run A – Escrita na EEPROM (5ms @ 3mA)
l Run B – Ler sensor de temperatura (800µs @ 6µA)
l Loop/Sleep/Idle/Deep Sleep por (10s)
l Run clock pode ser mudado dinamicamente
l Tensão de operação também pode ser alterado dinamicamente
NOT TO SCALE
Minimizar as áreas sob a curva
Po
we
r (
μA
*V)
Time (μs)
idle
wake-up
RUN A
RUN B
RUN A
RUN B
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Definindo e planejando o consumo
nanoWatt XLP Battery Life Estimator
Select Device & Parameters Novos dados do dispositivo fornecido com
novas revisões, ou você pode criar arquivos. Por exemplo:“PIC18LFxxJ11.csv”
Digite modos perfil potência
Review & Salvar
Select Battery Novos dados da bateria pode ser
adicionado, modificando“CustomBattery.csv”
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Definindo e planejando o consumo
Uma das muitas soluções possíveis
É uma possível
solução?
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Tecnologia nanoWatt XLP
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nanoWatt XLP Recursos úteis de gerenciamento de energia
l Flexibilidade l Várias opções de clock
l Velocidades dinamicamente configurável e fontes
l Periféricos equipados para os modos de baixa potência
l Opções de periféricos e wake-up, opções de configuração para os modos de baixa potência
l Osciladores de baixo consumo l Marcação de tempo com WDT, Timer1 ou RTCC sem quebrar o
planejamento de consumo
l Baixa corrente de fuga entrada digital l Tipicamente < 50nA, alguns menor que 5nA
l Minimiza o consumo estático
l Rápido tempo de wake-up l Minimiza o tempo perdido na zona de transição de wake-up
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nanoWatt XLP nanoWatt Technology (2003)
l Tecnologia nanoWatt l Introduzido em 2003
l Padrão para todos os novos MCUs Microchip desde 2003
l Afetadas pelo design de chips, processos de fabricação, mistura de periféricos e clock e capacidades de teste
l Definido como: l Standby (Sleep mode) power < 1μW
l @3V Ipd < 333nA (PIC24H)
l @2V Ipd < 500nA (PIC16,PIC18,PIC24F)
Definição
nanoWatt Technology Conjunto de técnicas proprietárias da Microchip usados para projetar microcontroladores capazes de consumo de energia abaixo 1μW em modo standby (Ipd).
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l IDLE mode
l CPU OFF, Periféricos ON
l On-chip, oscilador RC de alta velocidade (INTRC) com PLL e postscaler programável. Possui:
l Inicialização rápida em 1µs-5µs
l Duas velocidade de start up (inicia em INTRC, depois chaveia para o cristal)
l Velocidade de clock ajustável dinamicamente
l Extended WDT
l O tempo máximo de estouro de18ms a 131s
l Timer1 Low Power (TMR1) e oscilador secundário de 32 kHZ (SOSC)
l BOR Low Power configurável por SW
l BOR padrão foi redesenhado para consumir menos energia
l Software pode desligá-lo quando não for necessário, ex. durante Modo Sleep
nanoWatt XLP nanoWatt Technology (2003)
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Tempos típicos de Wake-up para diferentes osciladores
l AN1416
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nanoWatt XLP nanoWatt XLP Technology (2009)
l nanoWatt XLP (eXtreme Low Power)
l Introduzido em 2009 como a próxima geração de nanoWatt
l Portas de baixa corrente de fuga empregado em todo dispositivo
l Desenvolvimento e processos de fabricação sintonizados para baixo consumo
l Introdução de periféricos de baixo consumo
l Definido como:
l Sleep: 100nA ou menor até 9nA
l Real-Time Clock Calendar (RTCC): 800nA ou menor até 200nA
l Watchdog Timer (WDT): 800nA ou menor até 450nA
Definição
nanoWatt XLP (eXtreme Low Power) Technology
Conjunto de técnicas proprietárias da Microchip usados para projetar microcontroladores capazes de consumo de energia abaixo 100nA em modo standby, 800nA rodando RTCC e 800nA rodando WDT.
Requiremento Melhor especificação
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l Deep Sleep (DS)
l Deep Sleep Brown-Out Reset (DSBOR)
l Deep Sleep Watchdog Timer (DSWDT)
l Entradas com baixa corrente de fuga
l Especificações a 60 C para aplicações com bateria
Exemplo de melhoria da vida útil da bateria(25°C) Tipo de bateria: Coin Cell (moeda) (CR2032)
1ms RUN a 1MHz, em seguida Deep Sleep com RTCC habilitado
PIC24FXXKA com nanoWatt XLP - Acima de 20 anos!
nanoWatt XLP nanoWatt XLP Technology (2009)
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nanoWatt XLP nanoWatt XLP Technology (2012)
Melhorias de partes XLP:
l Retention regulator (VRET)
l Permite modelos XLP trabalhe em 5V
l Permite modelos XLP com processos de silício menores
l Pino VBAT para bateria de backup
l Automação periférica melhorada e trigger
l Retira carga de operação para gerenciamento de periféricos l ADC Auto-scan
l DMA (Direct Memory Access)
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nanoWatt XLP Duplo Brown-Out Resets
l Brown-Out Reset (BOR) l Standard nanoWatt BOR
l Alguns dispositivos podem chamar LPBOR
l Configurável para quatro níveis de tensão
l Consumo típico de ~5µA
l Low Power BOR (LPBOR) l Disponível em adição ao BOR no PIC18 e PIC24
com modo Deep Sleep
l Tensão fixa em ~1.8V
l Alguns devices com corrente de 5nA
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nanoWatt XLP Watchdog Timers duplo
l Watchdog Timer (WDT) l Standard nanoWatt WDT
l IΔWDT até 500nA
l Time out: 1ms–131s
l Deep Sleep WDT (DSWDT) l Disponível em adição ao WDT em devices
com modo Deep Sleep
l Útil para aplicativos que estão inativas por longos períodos de tempo
l DSWDT permanece ativo em modo Deep Sleep
l IΔWDT até 370nA
l Time-out: 2.1ms-25.1 days
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nanoWatt XLP Modulo de cotrole de periféricos
l Peripheral Enable Bits l Localizado no SFRs controle de cada periférico
l Ativa / desativa a funcionalidade para cada periférico
l Registradores de controle ainda estão disponíveis para leitura e escrita
l exemplo : AD1CON1<ADON>
l Alguns de devices possuem ainda o Peripheral Module Disable (PMD) l Localizado nos registradores PMD
l Desabilita todas as fontes de clock para cada periféricos
l Remove alimentação dos registros de controle e status correspondente
l exemplo: PMD1<ADC1MD>
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Modos Low Power
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Modos Low Power Modos de operação
l RUN [active power] l Core & Periféricos com clock do sistema
l Corrente típica de 50-360µA/MHz (3V, 25°C)
l LP INTRC (31kHz) é menor que 8µA (1.8V, 25°C, PIC24F04KA201)
l DOZE (some devices) [active power] l Core com consumo menor que periféricos, periféricos full speed
l Tipicamente 35%-75% da corrente do modo RUN
l IDLE (some devices) [active power] l Core OFF, peripherals ON
l Tipicamente 25% da corrente do modo RUN
l SLEEP [static power]
l Tipicamente100nA (3V, 25°C)
l A 85°C menor que 1.35μA (1.8V, 85°C,PIC24F04KA201)
l DEEP SLEEP (alguns devices) [static power] l SRAM, VREG, VBOR, RTCC off
l Tipicamente 35nA (3V, 25°C)
Inc
rea
sin
g B
att
ery
Lif
e
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nanoWatt XLP modos de operação – olhando com mais atenção
PIC16 PIC18 PIC24
RUN
All systems running
DOZE
CPU slower than peripherals
IDLE
CPU off, Peripherals on
SLEEP
System clock off
RETENTION SLEEP
VREG off, VRET on
DEEP SLEEP
RAM off, VREG off
certamente nanoWatt XLP
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nanoWatt XLP PIC16 XLP - opções de clock
PIC16 XLP – opções de clock
Secondary
OSC
Primary
OSC
Internal
RC
16MHz
500kHz
31kHz
4X PLL
POSTSCALER
(31kHz to
16MHz)
...
CPU &
Peripherals
SLEEP
RUN
WDT, PWRT
& FSCM
Optional Peripheral
Clock Source
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nanoWatt XLP PIC18 XLP - opções de clock
PIC18 XLP – opções de clock
Secondary
OSC
Primary
OSC
4X PLL
POSTSCALER
(31kHz to
16MHz)
...
Peripherals
CPU
SLEEP
RUN
WDT, PWRT
& FSCM
Optional Peripheral
Clock Source
Internal
RC
16MHz
500kHz
31kHz
IDLE
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Primary
OSC
nanoWatt XLP PIC24 XLP - opções de clock
PIC24 XLP – opções de clock
Secondary
OSC
Internal
RC
8MHz
500kHz
31kHz
4X PLL
POSTSCALER
(1.95kHz to
8MHz)
...
CPU
POSTSCALER
DOZE
Ext. Clock Output
WDT, PWRT
& FSCM
Optional Peripheral
Clock Source
Peripherals
SLEEP
RUN
IDLE
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nanoWatt XLP Run Mode
Todos os recursos ativo
Clock do sistema dinamicamente reconfigurável
CPU
RAM
Flash INTRC HS
INTRC LP
T1OSC
POSC
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer 1
INT 0
VDD VDDCORE VREG
SOSC
Post-Scaler
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nanoWatt XLP Chaveamento de clock
CPU
RAM
Flash INTRC HS
INTRC LP
T1OSC
POSC
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer 1
INT 0
VDD VDDCORE VREG
SOSC
Post-Scaler
INTRC HS
INTRC LP
T1OSC
POSC
SOSC
INTRC HS
POSC
INTRC HS
INTRC LP
INTRC LP
T1OSC
SOSC
Múltiplas fontes de clock
Pode mudar dinamicamente
Afeta todas as partes do chip
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nanoWatt XLP Chaveamento de clock
l Retardar o clock pode economizar mais energia do que Idle/Doze modes l Retardar clock afeta todas as áreas do chip
l Two speed startup l Inicialização do INTRC em 1μs-5μs
l Chaveamento do cristal é necessário
l Roda no modo INTRC enquanto aguarda o PLL travar
l Útil quando à espera de eventos externos ou periféricos lentos, como ADC, comparadores, portas de comunicação, etc.
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CPU
RAM
Flash INTRC HS
INTRC LP
T1OSC
POSC
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer 1
INT 0
VDD VDDCORE VREG
SOSC
nanoWatt XLP Doze Mode
CPU e memória roda com um clock mais lento
Periféricos podem rodar com o clock do sistema
35-75% do Run Mode
Post-Scaler
CPU
RAM
Flash
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CPU
RAM
Flash INTRC HS
INTRC LP
T1OSC
POSC
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer 1
INT 0
VDD VDDCORE VREG
SOSC
Post-Scaler
nanoWatt XLP Idle Mode
CPU é desligada
Periféricos continua ligado
25% do Run Mode
CPU
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nanoWatt XLP Idle & Doze Modes
l Quando os modos Idle ou Doze modes deve ser usado? l Substitua loops while(!Interrupt)
l Lentidão enquanto aguarda o periférico ou uma interrupção
l Quando são necessários tempos curtos com cortes de energia que requerer um wake-up rápido l e.g. wake-up menor que ~1 ciclo de instrução
l Tempo de transição é mínima
l Durante as transferências de DMA
l Quando a aplicação deve continuamente amostrar ou comunicar
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nanoWatt XLP Sleep Mode
50-100nA sem regulador
3-5μA com regulador interno
Clock do sistema, CPU desligados
RAM permanece ligado
Reguladores ligados
Alguns periféricos podem ser configurados para serem executados durante o sleep
CPU
RAM
Flash INTRC HS
INTRC LP
T1OSC
POSC
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer 1
INT 0
VDD VDDCORE VREG
SOSC
Post-Scaler
CPU
Flash INTRC HS
INTRC LP
T1OSC
POSC
SOSC
Post-Scaler
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nanoWatt XLP Retention Sleep Mode
100-300nA com regulador de retenção
Relógios do sistema, CPU desligado
RAM permanece ligado
VREG principal é desligado
Low-power VRET é ligado
CPU
RAM
Flash
INTRC HS
INTRC
LP
T1OSC
POSC
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer 1
INT 0
VDD
VDDCORE
SOSC
Post-
Scaler
VREG
VRET
VREG
CPU
Flash
INTRC HS
INTRC
LP
T1OSC
POSC
SOSC
Post-
Scaler
VRET
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nanoWatt XLP Retention Sleep Mode
l Alimentado por regulador low power alternativo chamado Retention Regulator
l Fornece saída de tensão mais baixa para o núcleo
l Baixa corrente quiescente, mas corrente de saída limitada
l 100-300 nA corrente quiescente
l Máxima corrente de saída d e 15 uA
VREG VRET
3V Devices 1.8 V 1.2 V
5V Devices 3.3 V 2.5 V
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nanoWatt XLP Retention Sleep Mode
l Similar ao modo Sleep
l RAM e SFRs mantidos
l Continua a operação após instrução PWRSAV
l Todas as fontes de wakeup disponíveis
l Diferente do modo Sleep
l Uso do periférico é limitada pela corrente de de saída do regulador
l Tempo de wakeup longo: requer tempo de para o VREG reiniciar de ~100 µs
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nanoWatt XLP Deep Sleep Mode
<50nA
RAM é desligado
Reguladores são desligados
Alguns periféricos de continuar a executar em Deep Sleep
DSBOR
DSWDT
RTCC
INT0
CPU
RAM
Flash INTRC HS
INTRC LP
T1OSC
POSC
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer 1
INT 0
VDD VDDCORE VREG
SOSC
Post-Scaler RAM
VDDCORE VREG
CPU
Flash INTRC HS
INTRC LP
T1OSC
POSC
SOSC
Post-Scaler DSGPR (2)
DSBOR
DSWDT
INT0
RTCC
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nanoWatt XLP Deep Sleep Mode
l Alimentação do core é desligada l Isso causa perda de memória RAM, SFR e contador de
programa
l Dois registradores DSGPR são fornecidos para manter variáveis durante Deep Sleep
l Tempo de wake-up inclui o tempo de subida do regulador de tensão (usando Vreg interno)
l Wake-up causa Power-On Reset (POR) l Sleep padrão
l Continua a execução no ponto onde ocorreu o sleep
l Deep Sleep não acorda com a limpeza do contador de programa
l Estado dos I/O são mantidos
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Deep Sleep Quando o DS é efetivo?
l Quando a aplicação:
l Fica boa parte do tempo desligado
l Tipicamente maior que 1s
l É inativo por longos período de tempo
l Requer timekeeping exato com corrente mínima
l Funciona em temperaturas extremas
l Requer pequeno grupo de periféricos ativos
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Deep Sleep Break-Even Time
l Break-Even Time l DS desliga o core, SRAM & regulador de tensão
l No wake-up após DS: l Regulador de tensão é ligado
l Completa o ciclo POR
l Clock é ligado
l Contexto é restaurado
l Tempo de Wake-Up torna-se dominante
l Para tempos de sleep curto, o modo sleep padrão é a melhor escolha
Definição
Break-Even Time O ponto onde o Deep Sleep consome menos que o Sleep
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PIC18F46J11
on-chip LDO off
DEEP SLEEP
1s 10s 100s 1000s
Tempo entre eventos de Wake-up
Co
rren
te m
éd
ia
Deep Sleep Quando usar o Deep Sleep?
Tbreak-even Use DS quando o tempo
entre os eventos wake-up
é maior que o tempo que
demora a acordar do DS
e liguar o LDO
PIC18LF46J11 NO on-chip LDO SLEEP
54nA
PIC18F46J11 On-chip LDO ON
SLEEP
3.1μA
13nA 70nA
420nA
3.9μA
PIC18F46J11 On-chip LDO OFF
DEEP SLEEP
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nanoWatt XLP Sumário dos modos
Modes Active Clocks Active Peripherals Wakeup Sources
Typical Current
Typical Usage
RUN All All
DOZE All All All
Software wake-up ~50% of Run Current
Applications with high-speed peripherals requiring low CPU use
IDLE
Peripheral Clocks Timer1 Secondary OSC INTRC LPRC ADC RC
All All ~25% of Run Current
Anytime device is waiting for an event
SLEEP
Timer1 Secondary OSC INTRC LPRC ADC RC
RTCC WDT BOR HLVD Timer 1 INTx
ADC CVREF Comp Serial RX MCCP CLC
All 50-100 nA w/o regulator 3-5 uA with regulator
Most low-power apps
RETENTION
SLEEP
Timer1 Secondary OSC INTRC LPRC ADC RC
RTCC WDT BOR HLVD Timer 1 INTx
ADC CVREF Comp Serial RX MCCP CLC
All 100-300 nA 5V Low-power applications Low-power in high performance applications
DEEP SLEEP
Secondary OSC LPRC
RTCC DSWDT DSBOR INT0
RTCC DSWDT DSBOR INT0 MCLR ULPWU
< 50 nA base Peripherals add incremental current
Long-life battery based applications, applications with long sleep times
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Considerações do sistema
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Considerações do sistema Eficiência de instrução
l Quantos instrução ciclos leva para executar uma tarefa?
l Nem todas as arquiteturas são igualmente eficientes l Benchmarks de avaliação como o EEMBC’s CoreMark são
usados para análise
l Compilado e benchmark com simulador
l Compilado e medido no hardware l Ferramenta de desenvolvimento de 16 bits nanoWatt
XLP Evaluation board usado para a análise
l Não pare na primeira página do data sheet
μA/MHz não conta toda a história!
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Considerações do sistema Exemplo de eficiência de instrução
l Exceto a multiplicação, maior parte das instruções PIC16 e PIC18 são equivalentes l PIC18 possui um hardware de multiplicação 8x8, um ciclo de máquina de execução.
l PIC16 emula multiplicação
l Quanta energia é necessária para realizar uma multiplicação de 8x8?
l PIC16LF727 @1MHz @1.8V @25 C
l 80μA/MHz
l Instruction cycle @1MHz = 4μs
l 62 instruction cycles = 248μs
l 80μA * 1.8V = 144μW
l 144μW * 248μs = 35.7nJ
l PIC18LF46J11 @1MHz @2.0V @25 C l 275μA/MHz
l Instruction cycle @1MHz = 4μs
l 5 instruction cycles = 20μs
l 2.0V * 275μA = 550μW
l 550μW * 20μs = 11nJ
#include <htc.h>
unsigned char A,B;
unsigned int C;
void main (void)
{
A = 2;
B = 4;
C = (unsigned int)A * (unsigned int)B;
}
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Considerações do sistema Eficiência de instrução
Note:
Competitor 16-bit MCU family at 16 MIPS - Speed & Size trade off = 5
PIC24F family at 16 MIPS using MPLAB® C Compiler for PIC24F with Optimization level O3
0
1
2
3
4
5
6
A2T FFT
FIRIF
FT
Bas
eFP
Bit
Man
ipul
ation
CAN
IDCT
IIR
Pointe
rsPW
M
Rsp
eed
TBL
look
up
TTSpark
Mat
rix A
rith
Industry Standard Benchmark Algorithms
No
rma
lize
d E
xe
cu
tio
n T
ime
PIC MCU
Competitor
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Consumo de perifpericos comuns
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Considerações do sistema Trigando periféricos e automação
l Periféricos com automação
l ADC l Auto sample e conversão
l Limiar de varredura e comparação
l Direct Memory Access (DMA)
l Periféricos com Trigger avançado
l Master Capture Compare Peripheral (MCCP)
l Configurable Logic Cell (CLC)
l Charge-Time Measurement Unit (CTMU)
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Considerações do sistema Trigando periféricos e automação
l Reduzir a carga de processamento ao mover a carga periféricos
l DMA permite a transferência de dados sem intervenção da CPU
l Reduza a potência, diminuindo a frequência de wakeup da CPU
l Trigger de disparo de alguns periféricos sem o uso da CPU
l Threshold-scan ADC permite conversões e comparações sem acordar
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Considerações do sistema Seleção de baterias
l Química da bateria é fundamental l Células de lítio
l Auto-descarga muito baixo para uma boa vida útil (de prateleira)
l Limites de corrente maxíma muito baixo
l Resistência interna elevada. Correntes de pico de alta tensão diminui vida útil
l Novo! Células Lithium AAA l Faixa útil corresponde à faixa de tensão da maioria dos microcontroladores
l Resistência interna baixa. Suportar altas correntes de pico
l Auto-descarga baixa - longa vida útil
l Pilhas alcalinas l Alta capacidade e alta corrente de dreno suportados
l Capacidade cai como a subida da corrente
l Células secundárias (recarregável NiCd, NiMH, etc) l Auto-descarga alta
l Necessitam de recarga frequente ainda que a aplicação é muito baixo consumo de energia
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Considerações do sistema Lithium AAA
1
2
Source: http://data.energizer.com/PDFs/l92.pdf
l Para uma aplicação de lítio típica funcionando em temperatura ambiente (20-25ºC): l O MCU deve operar abaixo 3V (2 x 1,5V) {ponto 1 do gráfico}
l Maximização da vida da bateria significaria ser capaz de rodar abaixo de 1,8V (2 x 0,9V) {ponto 2 do gráfico}
l Operação segura com faixa de operação
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Considerações do sistema Especificação de bateria a 60 C
l Baterias como a maioria dos produtos químicos são especificadas até 60 C
l Devices nanoWatt XLP incluem agora ponto de especificação nos dados a 60 C
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Considerações do sistema Pino VBAT Battery Backup
l Fornece via separada para bateria de backup do RTCC
l VBAT é chaveado quando VDD é removido
VBAT
CPU
Flash
INTRC HS
INTRC
LP
POSC
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer 1
INT 0
VDDCORE
Post-
Scaler
VREG
VRET
VREG
CPU
Flash
INTRC HS
INTRC
LP
T1OSC
POSC
SOSC
Post-
Scaler
VRET
DSGPR (2)
RTCC
VDD
RAM
T1OSC
SOSC
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Considerações do sistema Pino VBAT Battery Backup
l Permite o uso de bateria de backup sem componentes externos
l Roda RTCC e mantém dois registradores de dados
l VBAT sai quando é reaplicado VDD
l No modo VBAT outros periféricos estão desligados
l Todos I/O deve ser desenergizado
l Recomendam não alimentar outros circuitos VBAT battery
Modo VBAT pode ser desligado via configuração
VBAT pin deve ser ligado a VDD quando desativado
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Considerações do sistema Gerenciando Circuito de Alimentação Externa
Todos os circuitos são sempre alimentado
O gerenciamento de energia baseia-se em modos de espera individuais
Analog.
Sensor
de Temp.
MCP9700 I2C™
Serial
EEPROM
24AA256
3.3V
S2
32kHz
8Mhz
S3
Saída de
alta
corrente
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Considerações do sistema Gerenciando Circuito de Alimentação Externa
Microcontrolador PIC® pode fornecer energia diretamente de pinos I/O, se necessário
FET pode ser usado para circuitos de alta corrente ou de diferentes tensões
Analog.
Sensor de
Temp.
MCP9700 I2C™
Serial
EEPROM
24AA256
3.3V
S2
32kHz
8Mhz
S3
Saída de
alta
corrente
GPIO
GPIO
GPIO
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Considerações do sistema Redução de tensão
l Redução da tensão impacta nas correntes estática e dinâmica
l Requer uso de reguladores de tensão com tensão baixa
l Considere a redução Vdd com reguladores de tensão programável enquanto no modo sleep ou idle
3.30V
15μA 3mA
32kHz
11mA
2.50V
8μA
2mA
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Considerações do sistema Alimentação
l Alguns devices nanoWatt XLP dispositivos baseiam-se no processo de baixa tensão:
l Core requer 2,5V ou 1,8V
l Conexão de tensão 3,3V ou I/O logico
requer regulador de tensão low dropout
voltage (LDO)
l Alguns devices F possui LDO interno
l Devices LF usualmente não possui
l Opções:
l Use devices F com LDO interno
l Aplicações com 2,5V (ou 1,8V) I/O e
alimentação
l Use múltiplas fontes de alimentação
(Regulator Enabled)
(no Regulator)
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Considerações do sistema Gerenciando VDDCORE
l Escolher com cuidado o sistema low drop out regulator pode resultar em baixa corrente estática l PIC18F46J11 LDO quiescent current ~3μA
l MCP1702 external LDO quiescent current ~2μA
l Para aplicações de baixa corrente, LDO externo pode ser melhor escolha
MCP1702 Linear Regulator Specifications:
2.0 µA typical quiescent current
2.7V-13.2V input voltage
Low Dropout Voltage: 650mV (typ) @250mA
0.2%/V Line regulation 0.2%/V
Short Circuit & Thermal Shutdown protection
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Considerações do sistema Minimizar acesso da RAM
l Leitura de memória RAM (dados) requer mais energia do que a leitura de memória FLASH (código)
Standard_Routine: // compiles to 3 instructions
while(!_T1IF) i++;
19.1 mA
l A rotina lê _T1IF (Timer1 interrupt flag) escreve em I cada iteração do loop.
l At 32MHz: l Tempo de laço é 187ns
l Corrente média medida é 19,1mA enquanto neste loop
l Ele vai ler e escrever RAM duas vezes a cada 187ns
l O aplicativo realmente precisa deste tempo de resposta?
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Considerações do sistema Minimizar acesso RAM
Low_Power_Routine: // compiles to 8 instructions
while(!_T1IF){
i++;
Nop();
Nop();
Nop();
Nop();
Nop();}
16.4 mA
l A 32MHz tempo loop é 500ns
l lê e escreve RAM duas vezes a cada 500ns
l Nota melhoria de 2,5 mA
l Redução da corrente de ~ 13%, adicionando cinco NOPS!
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Considerações do sistema Recomendação sobre I/Os
l Use pull-ups internos para botões l Pull-ups internos podem ser desabilitados após
detecção
l Use de-bouncing por SW l Elimina picos de corrente em comparação ao uso de
circuito RC
l Use LEDs de altro brilho l Driver com corrente muito menor do que a corrente
nominal
l PWM em vez de acionamento direto
l LEDs de alto brilho podem ser visíveis com corrente muito baixa (100uA)
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Considerações do sistema Recomendação sobre I/Os
l Se possível use resistores de pull-up com maior valor possível
l Rede de resistores ligados a um pino comum l Ligue o I/O quando necessário
l Use capacitores com baixa corrente de fuga l Tantalo possui altas correntes
l Pode ser maior que 1µA @10µF
l Cerâmicos possem correntes baixas l ~20nA @10µF
l Use capacitores de bypass com modereação
l Mantenha trilhas curtas
Modelo equivalente do capacitor
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Considerações do sistema Elimine I/Os em flutuação
l Pinos CMOS em flutuação l Flutua em VDD/2
l Altas corrente de fuga
l Sinais externos podem ser introduzidos no pino
l Elimine pinos em flutuação l Setar pinos I/O não usados como saída
l Colecar em nível zero
Típico caso Pior caso
1 pino em flutuação 35 µA 0.5 mA
2 pino em flutuação 65 µA 1 mA
10 pino em flutuação 305 µA 5 mA
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Considerações do sistema Redução do tempo de Wake-Up
l Cristais: l Aguarda1024 ciclos para start up confiável
l Garante que o cristal é para cima e estável
l Característica extremamente importante para a confiabilidade em toda variedade de temperatura e arranque de condições
l Estabiliza 32ms @32kHz, 64μs @ 8MHz
l Pode ser significativamente mais longo - sob determinadas condições ambientais podem ter até 1s
l Internal RC (INTRC) Oscillators: l Pode acordar entre 1μs-5μs
l Two-Speed Start-Up Mode l Wake-up com INTRC
l Alguns dispositivos possuem precisão INTRC de 0,25%
l Mudar para cristal quando estiver pronto se a precisão PPM é necessária
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Considerações do sistema Abaixando a corrente ativa
l Desabilite a periféricos não usados l Todos os periféricos on-chip tem alguns bits de controle ou bits PMD
para desativar
l Otimizando o código pelo compilador l Experiência com combinações de velocidade, tamanho do código e
otimizações de uso RAM
l Olhe para a execução mais rápida em menor tamanho do código com acesso mínimo RAM
l Meça o tempo de execução de seu algoritmo l Por exemplo:
l 32MHz em diferentes plataformas pode não ser igual tempo mesma execução
l 90% das instruções do PIC® são executadas em um ciclo de máquina
l Simulador disponível no MPLAB® IDE
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Considerações do sistema Abaixando a corrente ativa
l Considere o uso de periféricos SPI ao invés de I2C™ l Sem uso de resistores de pull-up
l Rápido l Menor consumo dinâmico
l Reduz tempo de loop
l Muitos periféricos como EEPROM tem dos dois tipos
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Sumário
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nanoWatt XLP Microcontroladores Extreme Low Power
Hundreds
of XLP
Devices!
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C Compilers
Available from Microchip
Available in free evaluation versions
XLP 8-bit Development Board (DM240313)
PIC18F87K22 PIM (MA183032)
PIC18F46J11 PIM (MA180023)
PIC16LF1947 PIM (MA160015)
Sumário Ferramentas nanoWatt XLP
XLP 16-bit Development Board (DM240311)
© 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 87
Sumário Referências
PIC24F Family Reference
Manual
© 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 88
Sumário XLP Home Page
www.microchip.com/xlp
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Sumário
Hoje você aprendeu:
l Definir o que é baixo consumo, seus diversos modos e como gerenciar eles
l Diferenciar nanoWatt, nanoWatt XLP Technology, Deep Sleep e outras técnicas low power
l Análisar e desenvolver de um sistema com um menor consumo possível
l Identificar e escolher o melhor microcontrolador PIC® nanoWatt para sua aplicação
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Obrigado! http://www.portalmcu.com.br
@PortalMCU
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daniel_rsousa@hotmail.com
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