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?


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


PIC – O melhor microcontrolador

desde a década de 70…




Duvida? http://www.dailymotion.com/video/k7xIgPVURqbpD196rFT?start=199


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


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


O que é Low Power?


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


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


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


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


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


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


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.


Comparação do processo tecnológico e potência consumida

l AN1416


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


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


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


AGENDAMENTO

Wake-up, fontes de transição,

controle de loop, gerenciamento

de clock e comutação

SAIDA

PROCESSO

Quebre a

aplicação em

fases

AQUISIÇÃO


Analisando a aplicação



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


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



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”



Uma das muitas soluções possíveis

É uma possível

solução?


Tecnologia nanoWatt XLP


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


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).


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)


Tempos típicos de Wake-up para diferentes osciladores

l AN1416


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


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!




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)


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


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


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>


Modos Low Power


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


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


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




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


Primary

OSC



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


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


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


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.


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


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


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


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


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



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



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


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


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


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


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


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


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


Considerações do sistema


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!


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;

}


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


Consumo de perifpericos comuns


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)


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


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


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

http://data.energizer.com/PDFs/l92.pdf


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


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


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


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


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


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


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)


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


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?


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!


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)


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


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


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


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


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


Sumário


nanoWatt XLP Microcontroladores Extreme Low Power

Hundreds

of XLP

Devices!


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)


Sumário Referências

PIC24F Family Reference

Manual


Sumário XLP Home Page

www.microchip.com/xlp


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


Obrigado! http://www.portalmcu.com.br

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