Технология picoPower для 8-разрядных микроконтроллеров AVR: способы снижения потребления в режимах сна
Наилучший способ описания потребляемой мощности микроконтроллера - бюджет мощности, показанный на рисунке. Бюджет мощности вычисляется как коэффициент рабочего цикла и демонстрирует среднюю потребляемую мощность. Средний потребляемый ток позволяет рассчитать часовой ресурс батареи питания, а также другие характеристики источника питания.
Бюджет мощности позволяет определить потребление в каком режиме, активном или экономичном, наиболее критично в рамках данного приложения.
В большинстве маломощных приложений бюджет мощности указывает на потребление в экономичном режиме работы, как наиболее критичный параметр. Технология picoPower включает в себя ряд способов, которые в конечном счете позволяют достичь наименьшего уровня потребления микроконтроллера в режиме сна среди прочих известных на сегодняшний микроконтроллеров.
Действительная поддержка напряжения питания 1.8В
Потребляемая мощность равна произведению напряжению на ток, поэтому, работа при напряжении 1.8В гарантирует снижение потребляемой мощности и, кроме того, расширяет возможности использования емкости батареи. Минимальные рабочие напряжения современных микроконтроллеров, как правило, равны 1.8..2В, но при этом часто оговариваются ограничения по выполнению определенных функций только при повышенных напряжениях питания. Например, 1.8В-ые микроконтроллеры MSP430 компании TI требуют, чтобы при записи в параметрическую память напряжение питания было 2.2В. Микроконтроллеры AVR характеризуются действительной поддержкой напряжения 1.8В. Все функции, в т.ч. аналоговые модули, ЭСППЗУ и ОЗУ могут работать при напряжении питания 1.8В.
Минимизированный ток утечки
Минимально-возможное значение тока в режиме сна ограничивается током утечки микроконтроллера. Ток утечки зависит от температуры, напряжения питания и, что более важно, технологии производства. Atmel использует запатентованную технологию, которая базируется на многолетних исследованиях и предназначена для снижения потребляемой мощности. В результате ток утечки микроконтроллеров picoPower AVR достигнут на уровне 100 нА.
Детектору снижения напряжения добавлена функция автоматического включения/отключения
Несмотря на то, что существуют детекторы снижения напряжения с нулевым потреблением, как, например, в микроконтроллерах MSP430 компании TI, их существенным недостатком является низкое быстродействие с миллисекундной задержкой реагирования на снижение напряжения ниже порогового уровня. Низкое быстродействие может стать причиной сбоя работы микроконтроллера. Детектор снижения напряжения Atmel реагирует на нарушение питания за 2 мкс, но и потребляет ток порядка 20 мкА, что является существенным довеском к потреблению микроконтроллера в режиме отключения (100 нА).
В микроконтроллерах picoPower также используется сильноточный и быстродействующий детектор снижения напряжения, но он поддерживается в рабочем состоянии только тогда, когда это необходимо, тем самым, уменьшая среднее потребление. В результате, достигнуто и наименьшее значение общей потребляемой мощности и поддерживается точная детекция пересечения порогов 1.8В, 2.7В или 4.5В.
Поскольку потребность в работе детектора снижения напряжения, когда микроконтроллер находится в режиме глубокого сна, отсутствует, то его целесообразно отключить автоматически при переводе микроконтроллера в следующие режимы работы: расширенный дежурный (Extended Standby), дежурный (Standby), экономичный (Power Save) и отключение (Power Down).
Отключение детектора снижения напряжения в микроконтроллерах picoPower выполняется в два защищенных шага и полностью автоматически. После ввода режима сна, детектор снижения напряжения отключается сразу после перехода микроконтроллера в режим сна и активизируется перед возобновлением работы микроконтроллера для проверки достаточности уровня напряжения для его корректной работы. Если напряжение питания недопустимо низкое, то микроконтроллер переходит в состояние сброса, прежде чем начнется выполнение программного кода.
Когда микроконтроллер находится в режиме сна, то единственными критичными параметрами, которые могут быть подвержены нарушению, являются содержимое ОЗУ и регистров. Для AVR-микроконтроллеров содержимое данных устройств не затрагивается при напряжении Vcc около 0.3В, а схема сброса при подаче питания срабатывает при напряжении около 1В. Если напряжение питания снижается в режиме сна при отключенном детекторе снижения напряжения, то содержимое статического ОЗУ и регистров будет действительно до возникновения сброса при подаче питания. Сброс при подаче питания инициирует возобновление работы детектора снижения напряжения и устанавливает флаг POR, доступный для считывания прикладной программой.
Отключение детектора снижения напряжения исключает с его стороны потребление тока в режиме сна и, при этом, обеспечивает полную защиту микроконтроллера в активном режиме.
Сверхмаломощный кварцевый генератор частотой 32 кГц
Гарантировать минимум потребления в режиме сна чрезвычайно важно, однако в некоторых приложениях требуется возобновление работы и выполнение каких-либо действий. Возобновление работы возможно путем сброса или прерывания, а наиболее типично используемым прерыванием в маломощных приложениях является прерывание счетчика реального времени. Счетчик реального времени позволяет приложению продолжать счет времени и возобновлять работу микроконтроллера через определенные интервалы времени. Режим работы микроконтроллера AVR, в котором работают счетчик реального времени, называется экономичный режим (Power-save). Последняя версия 32 кГц-ого кварцевого генератора, интегрированного в микроконтроллеры AVR, позволяет достичь потребления в экономичном режиме работы на сопоставимом уровне с режимом выключения.
Конкурирующие микроконтроллеры характеризуются потребляемым током в экономичном режиме работы 700 нА, в т.ч. генератор и детектор снижения напряжения. При напряжении питания 1.8В микроконтроллеры AVR picoPower достигают наименьшего уровня потребления в экономичном режиме - 650 нА с работающим генератором частотой 32 кГц и автоматически отключаемым детектором снижения напряжения.
| 
