Технология picoPower для 8-разрядных микроконтроллеров AVR: способы снижения потребления в активных режимах
Теоретически, цифровая КМОП-логика, используемая в микроконтроллерах AVR, потребляет энергию только при изменении состояния логических сигналов или тактовых сигналов. Под изменением состояния понимается изменение логического уровня с 0 на 1 или, наоборот, с 1 на 0. Когда все цифровые сигналы статичны, например, в режиме выключения, потребляемый ток составляют ток утечки и ток аналоговых модулей. Потребляемая мощность микроконтроллера может быть вычислена по следующему выражению:
P = 1/2 * F * C * V2,
где F - частота переключения, С - емкость нагрузки и V - напряжение питания.
Частоту переключения для заданного устройства можно рассматривать как число логических элементов, используемых для решения определенной задачи. Таким образом, потребляемая мощность может быть минимизирована, как за счет количества логических элементов, так и за счет длительности их работы.
Управление пропусканием синхронизации
Управление пропусканием синхронизации используется для снижения частоты переключения. Тактовый сигнал может быть прекращен с помощью логического элемента. Любое ответвление тактового сигнала или домен синхронизации с управлением пропусканием синхронизации может быть отключен и в этом случае исключается потребление мощности. Логический элемент должен быть способен обработать тактовый сигнал с любым импульсом.
Первый уровень управления пропусканием синхронизации - использование традиционных режимов сна, в т.ч. холостой ход, отключение и экономичный режимы. В режимах сна выполняется управление пропусканием синхронизации к различным функциональным группам, таким образом, регулируя глубину бездействия.
Второй уровень управления пропусканием синхронизации - использование регистра снижения мощности (PRR). Многие периферийные модули используются кратковременно или вообще не используются. Регистр снижения мощности содержит биты управления для отключения неиспользуемых периферийных модулей. При отключении модуля к нему блокируется поступление сигнала синхронизации. Данный подход является более эффективным по сравнению с использованием собственного бита отключения модуля, т.к. при отключении через регистр PRR также отключаются регистры ввода-вывода этого модуля.
Регистр снижения мощности управляется программно, что позволяет пользователю включать и выключать периферийные модули в любой момент. После выключения модуля его текущее состояние замораживается, а все его регистры становятся недоступными. После разрешения работы периферийный модуль продолжит работу с того же состояния, в котором он был отключен. Отключение одного периферийного модуля позволяет снизить на 5..10% общую потребляемую мощность в активном режиме и на 10..20% в режиме холостого хода.
Потребляемая мощность флэш-памяти и кратковременное включение флэш-памяти
Флэш-память - аналоговый блок со статическим потреблением тока. Традиционная архитектура флэш-памяти подразумевает ее постоянную работу в активном режиме. Однако при низких частотах синхронизации время считывания флэш-памяти меньше периода тактового сигнала, поэтому, ее можно отключать для снижения общего потребления. При работе микроконтроллеров на частоте несколько мегагерц или менее микроконтроллеры AVR используют способ, называемый "выборка флэш-памяти". Данный способ подразумевает включение флэш-памяти только на несколько наносекунд для выборки содержимого массива памяти, а затем отключение для снижения средней потребляемой мощности.
Способ выборки флэш-памяти позволяет создать надежную и маломощную архитектуру флэш-памяти, которая работает при напряжении 1.8В..5.5В.
Утечки на входах и регистр отключения цифровых входов
Модули АЦП, встроенные в микроконтроллеры AVR, содержат мультиплексированный вход. Входы АЦП, как правило, совмещены с линиями цифрового ввода-вывода, как альтернативная функция. Мультиплексирование увеличивает гибкость микроконтроллеров с малым числом выводов, но также является потенциальным источником увеличения потребляемой мощности. Цифровой вход представляет собой буферный элемент на основе двух транзисторов. Если к входу приложены действительные высокий или низкий уровни, то потребление будет ничтожным. Однако, если уровень входного напряжения будет близок к Vcc/2, то возникнет ток утечки через буфер, т.к. оба транзистора будут незначительно открыты.
Таким образом, присутствие на входе аналогового напряжения увеличивает статическое потребление и указывает на необходимость управления отключением цифрового входа. Выполнить автоматическое отключение с помощью мультиплексора АЦП не представляется возможным, т.к. мультиплексор управляется программно и микроконтроллер самостоятельно не может предвидеть его переключения. У AVR микроконтроллеров данная проблема решена с помощью специализированного регистра отключения цифрового входа DIDR с отдельными битами отключения для каждого аналогового входа.
Буферы цифрового входа автоматически отключаются, когда вводится режим сна. Исключением являются выводы, которых используются для возобновления работы микроконтроллера. Т.о., DIDR способствует снижению общего уровня потребления.
| 
