Hur man ändrar klockfrekvensen för att minska strömförbrukningen för mikrokontroller

Utvecklare har alltid en utmaning att leverera höga nivåer av funktionalitet och prestanda och samtidigt maximera batteriets livslängd. Även när det gäller elektroniska produkter är den viktigaste funktionen batteriförbrukningen. Det borde vara så mindre som möjligt att öka enhetens driftstid. Energihantering är mycket kritisk i bärbara och batteridrivna applikationer. Skillnader i konsumtion av mikroampere kan leda till månader eller år av livslängd som kan öka eller minska produktens popularitet och varumärke på marknaden. Ökningen av produkter kräver effektivare optimering av batterianvändningen. Numera kräver användare längre batteribackup med kompakt storlek på produkter så tillverkare fokuserar på mindre batteristorlek med superlång batteritid vilket är en tveksam uppgift. Men,utvecklarna har kommit med Power Saving Technologies efter att ha gått igenom många faktorer och kritiska parametrar som påverkar batteriets livslängd.

Det finns många parametrar som påverkar batterianvändningen, såsom mikrokontroller som används, driftspänning, strömförbrukning, omgivningstemperatur, miljöförhållande, kringutrustning som används, laddningscykler etc. Med trenden för smarta produkter som kommer på marknaden är det mycket viktigt att först fokusera på den MCU som används, för att optimera batteriets livslängd. MCU blir en viktig del när det gäller att spara energi i små produkter. Så det rekommenderas att börja med MCU först. Nu kommer MCU med de olika energisparteknikerna. För att veta mer om att minimera strömförbrukningen i mikrokontroller (MCU), se tidigare artikel. Denna artikel fokuserar huvudsakligen på en av de viktiga parametrarna för att minska strömförbrukningen i mikrokontroller, det vill säga modifiera klockfrekvensensom måste tas om hand när MCU används för applikationer med låg effekt.

Varför ändra klockfrekvensen i mikrokontroller?

Av många parametrar som nämns ovan spelar valet av klockfrekvens en mycket viktig roll för att spara energi. Studien visar att fel val av frekvens för mikrokontroller kan leda till betydande (%) förlust av batteriström. För att undvika denna förlust måste utvecklarna ta hand om lämpligt frekvensval för att köra mikrokontrollern. Nu är det inte nödvändigt att frekvensvalet kan göras initialt, medan du ställer in mikrokontroller, medan det också kan väljas mellan programmeringen. Det finns många mikrokontroller som kommer med bitval för att välja önskad frekvens. Mikrokontrollern kan också köras vid flera frekvenser, så utvecklarna har möjlighet att välja lämplig frekvens beroende på applikation.

Vad är effekten av att välja flera frekvenser på prestanda?

Det råder ingen tvekan om att val av olika frekvenser kommer att påverka mikrokontrollerns prestanda. Som när det gäller mikrokontroller är det mycket välkänt att frekvens och prestanda är proportionella. Det betyder att ju högre frekvensen kommer att ha kortare exekveringstid och därmed högre hastighet för programkörning. Så nu är det mycket tydligt att om frekvensen ändras kommer också prestandan att förändras. Men det är inte nödvändigt att utvecklare behöver hålla fast vid en frekvens bara för mikrokontrollerns högre prestanda.

Låg eller hög frekvens, vilken ska du välja?

Det är inte alltid fallet när mikrokontroller måste leverera hög prestanda, det finns flera applikationer som kräver måttlig prestanda hos mikrokontrollern, i denna typ av applikationer kan utvecklarna minska arbetsfrekvensen från GHz till MHz och till och med till minsta frekvens kör mikrokontroller. Även om det i vissa fall krävs optimal prestanda och även exekveringstid är avgörande, t.ex. vid körning av externa flash-ADC utan FIFO-buffert, eller vid videobearbetning och många andra applikationer, i dessa områden kan utvecklarna använda den optimala frekvensen för mikrokontroller. Även i sådana miljöer kan utvecklarna koda smart för att minska kodlängden genom att välja rätt instruktion.

Till exempel: Om 'för' slingan tar fler instruktioner och man kan använda flera rader med instruktioner som använder mindre minne för att utföra uppgiften utan att använda for- slingan, kan utvecklare gå med flera rader med instruktioner och undvika att använda 'för' slinga.

Valet av lämplig frekvens för mikrokontroller beror på uppgiftskraven. Högre frekvens innebär högre strömförbrukning men också mer beräkningskraft. Så i huvudsak är valet av frekvens en avvägning mellan strömförbrukning och erforderlig beräkningskraft.

Den största fördelen med att arbeta vid låg frekvens är också låg matningsström förutom lägre RFI (Radio Frequency Interference).

Matningsström (I) = Viloström (I _q) + (K x Frekvens)

Den andra termen är dominerande. RFI-energin hos en mikrokontroller är så liten att den är mycket lätt att filtrera.

Så om applikationen behöver snabb hastighet, oroa dig inte för att springa snabbt. Men om strömförbrukningen är ett problem, kör så långsammare som applikationen tillåter.

Klockfrekvensomkopplingsteknik

PLL (Phases Lock Loop) Enheten finns alltid i en högpresterande MCU som körs med hög hastighet. Den PLL ökar infrekvensen till en högre frekvens, t.ex., från 8 MHz till 32 MHz. Det är utvecklarens möjlighet att välja lämplig driftsfrekvens för applikationen. Vissa applikationer behöver inte köras med hög hastighet, i så fall behöver utvecklare hålla klockfrekvensen för MCU så låg som möjligt för att köra uppgiften. I en fast frekvensplattform, såsom lågkostnad 8-bitars MCU som inte innehåller PLL-enhet, måste man dock förbättra instruktionskoden för att minska processens energi. MCU som innehåller en PLL-enhet kan inte heller utnyttja fördelarna med frekvensomkopplingsteknik som gör att MCU kan arbeta med hög frekvens under databehandlingsperioden och sedan återgå till lågfrekvent drift under dataöverföringsperioden.

Figuren förklarar användningen av PLL-enheten i frekvensomkopplingsteknik.

Välja klockhanteringslägen

Vissa av de snabba mikrokontrollerna stöder olika klockhanteringslägen som stoppläge, energihanteringslägen (PMM) och viloläge. Det är möjligt att växla mellan dessa lägen så att användaren kan optimera enhetens hastighet under strömförbrukning.

Valbar klockkälla

Kristalloscillatorn är en stor strömkonsument på vilken mikrokontroller som helst, särskilt vid lågeffektdrift. Ringoscillatorn, som används för snabbstart från stoppläge, kan också användas för att ge en klockkälla på cirka 3 till 4 MHz under normal drift. Även om en kristalloscillator fortfarande krävs vid uppstart, kan en gång kristallen har stabiliserats, enhetsfunktionen bytas till ringoscillatorn, vilket ger en energibesparing på så mycket som 25 mA.

Klockhastighetskontroll

Driftfrekvensen för en mikrokontroller är den enskilt största faktorn för att bestämma strömförbrukningen. High-Speed ​​Microcontroller-familjen av mikrokontroller stöder olika klockhastighetshanteringslägen som sparar ström genom att sakta ner eller stoppa den interna klockan. Dessa lägen gör det möjligt för systemutvecklaren att maximera energibesparingar med minimal påverkan på prestanda.

Programkörning från icke-flyktigt minne eller RAM

Utvecklare måste noga överväga om programvara körs från icke-flyktiga minnen eller RAM för att uppskatta den nuvarande förbrukningen. Att köra från RAM kan erbjuda lägre specifikationer för aktiv ström; många applikationer är emellertid inte tillräckligt små för att köra från RAM ensam och kräver att program körs från icke-flyktigt minne.

Bussur aktiverat eller inaktiverat

De flesta mikrokontrollapplikationer kräver åtkomst till minnen och kringutrustning under programkörning. Detta kräver att bussur är aktiverat och måste beaktas i aktiva aktuella uppskattningar.

Använda den interna oscillatorn

Att använda interna oscillatorer och undvika externa oscillatorer kan spara betydande energi. När externa oscillatorer drar mer ström vilket resulterar i mer strömförbrukning. Det är inte heller svårt att använda en intern oscillator, eftersom externa oscillatorer rekommenderas att använda när applikationerna kräver mer klockfrekvens.

Slutsats

Att göra en lågeffektprodukt börjar med ett val av MCU och det är betydligt svårt när olika alternativ finns tillgängliga på marknaden. Frekvensändringen kan ha stor inverkan på strömförbrukningen och också ge ett bra effektförbrukningsresultat. Den ytterligare fördelen med att ändra frekvensen är att det inte finns någon extra hårdvarukostnad och att den enkelt kan implementeras i programvaran. Denna teknik kan användas för att förbättra energieffektiviteten hos ett billigt MCU. Dessutom beror mängden energibesparing på skillnaden mellan arbetsfrekvenser, databehandlingstid och MCU: s arkitektur. Energibesparingen upp till 66,9% kan uppnås när man använder frekvensomkopplingstekniken jämfört med normal drift.

I slutet av dagen är utvecklare att möta behoven av ökad systemfunktionalitet och prestandamål samtidigt som batteriets livslängd ökar, en stor utmaning. För att effektivt utveckla produkter som levererar så lång livslängd som möjligt - eller till och med fungerar utan batteri alls - krävs en djup förståelse för både systemkraven och mikrokontrollerens nuvarande specifikationer. Detta är mycket mer komplicerat än att bara uppskatta hur mycket ström MCU förbrukar när den är aktiv. Beroende på vilken applikation som utvecklas kan frekvensmodifiering, standbyström, perifer ström ha en mer betydande inverkan på batteriets livslängd än MCU-ström.

Den här artikeln skapades för att hjälpa utvecklare att förstå hur MCU: erna förbrukar ström när det gäller frekvens och kan optimeras med frekvensändringar.