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Low-power: Como reduzir o consumo de energia do seu produto e aumentar a vida útil da bateria? 2. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 2
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
3. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 3
PIC – O melhor microcontrolador desde a década de 70… 4. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 4
PIC – O melhor microcontrolador desde a década de 70… 5. © 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 6. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 6
Objetivos
No final desta aula, você será capaz:
lDefinir o que é baixo consumo, seus diversos modos e como gerenciar eles
lDiferenciar nanoWatt, nanoWatt XLP Technology, Deep Sleep e outras técnicas low power
lAnálisar e desenvolver de um sistema com um menor consumo possível
lIdentificar e escolher o melhor microcontrolador PIC® nanoWatt para sua aplicação 7. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 7
lO que é Low Power?
lDefinindo e planejando o consumo
lTecnologia nanoWatt XLP
lConsiderações do sistema
lSumário e referências
Agenda 8. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 8
O que é Low Power? 9. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 9
O que é Low Power?
Relações usuais
l Lei de Watt:
l Lei de Joule:
l Carga:
Power(Watts) V(volts) I(amperes)
Energy(Joules) V(volts) I(amperes) t(sec)
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.
q(coulombs) I(amperes) t(sec)
10. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 10
O que é Low Power? Modos de consumo
lExistem vários modos de consumo em aplicações com microcontroladores:
lDinâmico (ou Ativo)
lClocks do sistema modos de operação
lParasita, Clock, Periféricos, Core e I/O
lEstático
lClocks do sistema desligado
lParasita e I/O
lMédio
lIntegral do consumo usada para completar um ciclo da aplicação 11. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 11
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.
Power (μA*V)
Time (μs)
dynamic
dynamic
static
wake-up 12. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 12
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
13. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 13
dt
P VI VCdV
Para constante V:
O que é Low Power?
Elementos que contribuem para o consumo dinâmico
dt
I CdV
P CV2 f
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
14. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 14
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.
Power (μA*V)
Time (μs)
dynamic
dynamic
static
wake-up 15. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 15
O que é Low Power? Elementos que contribuem para o consumo estático
Fugas são afetada por:
lProcesso geometrico: transistores menores significam maior fugas
lTensão: menor tensão, menor fuga
lTemperatura: 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. 16. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 16
Comparação do processo tecnológico e potência consumida
lAN1416 17. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 17
O que é Low Power?
Consumo médio
( ) ( )
1
active active active static static static
cycle
avg V I t V I t
t
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.
Power (μA*V)
Time (μs)
dynamic dynamic
static
wake-up
18. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 18
O que é Low Power? Medindo o consumo
lMultímetro
lMedir o valor RMS da corrente
lTipicamente na escala de 20nA-100nA
Vdd
3.3V
device under test
Vdd
3.3V
device under test
Rshunt
lOsciloscópio com resistor shunt no VDD
lMedidas e exibe perfil de energia
lValor do Rshunt deve ser escolhido com cuidado
l10Ω-100Ω
lValor alto de Rshunt causa BOR
lVDD Descarga do capacitor
lMedida da taxa de descarga I=C(ΔV/ Δt)
lÚtil para medição de corrente muito baixa
device under test
Vdd
3.3V
10μF 19. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 19
Definindo e planejando o consumo 20. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 20
Definindo e planejando o consumo Analisando a aplicação
lQuebre a aplicação em fases
lCalcule a corrente utilizada nessas fases
lDeterminar quanto tempo deve ser gasto em cada fase
lCalcular a energia consumida por cada fase
lCalcula-se a potência média de toda a aplicação
lEle pode ser baixado por gastar menos tempo no modo ativo?
lPode tensão, fonte de clock ou modos de baixo consumo pode ser alterado em qualquer uma das fases?
lIdentificar os piores casos e revisita
lDiferentes combinações de modo pode ser usado?
lTraçar o perfil de energia
lConstruir, medir e confirmar o perfil de energia 21. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 21
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
22. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 22
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
INTO SC
16 MHz
INTO SC
31 kHz
SOSC
POS C
T1OSC
MSSP2
MSSP1
CORE
3.3V
S2
32kHz
8Mhz
S3
PIC18F
ADC
Potenciometro
23. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 23
Definindo e planejando o consumo Perfil de consumo
lRun A – Escrita na EEPROM (5ms @ 3mA)
lRun B – Ler sensor de temperatura (800μs @ 6μA)
lLoop/Sleep/Idle/Deep Sleep por (10s)
lRun clock pode ser mudado dinamicamente
lTensão de operação também pode ser alterado dinamicamente
NOT TO SCALE
Minimizar as áreas sob a curva
Power (μA*V)
Time (μs)
idle
wake-up
RUN A
RUN B
RUN A
RUN B 24. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 24
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” 25. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 25
Definindo e planejando o consumo Uma das muitas soluções possíveis
É uma possível solução? 26. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 26
Tecnologia nanoWatt XLP 27. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 27
nanoWatt XLP Recursos úteis de gerenciamento de energia
lFlexibilidade
lVárias opções de clock
lVelocidades dinamicamente configurável e fontes
lPeriféricos equipados para os modos de baixa potência
lOpções de periféricos e wake-up, opções de configuração para os modos de baixa potência
lOsciladores de baixo consumo
lMarcação de tempo com WDT, Timer1 ou RTCC sem quebrar o planejamento de consumo
lBaixa corrente de fuga entrada digital
lTipicamente < 50nA, alguns menor que 5nA
lMinimiza o consumo estático
lRápido tempo de wake-up
lMinimiza o tempo perdido na zona de transição de wake-up 28. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 28
nanoWatt XLP nanoWatt Technology (2003)
lTecnologia nanoWatt
lIntroduzido em 2003
lPadrão para todos os novos MCUs Microchip desde 2003
lAfetadas pelo design de chips, processos de fabricação, mistura de periféricos e clock e capacidades de teste
lDefinido como:
lStandby (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). 29. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 29
lIDLE mode
lCPU OFF, Periféricos ON
lOn-chip, oscilador RC de alta velocidade (INTRC) com PLL e postscaler programável. Possui:
lInicialização rápida em 1μs-5μs
lDuas velocidade de start up (inicia em INTRC, depois chaveia para o cristal)
lVelocidade de clock ajustável dinamicamente
lExtended WDT
lO tempo máximo de estouro de18ms a 131s
lTimer1 Low Power (TMR1) e oscilador secundário de 32 kHZ (SOSC)
lBOR Low Power configurável por SW
lBOR padrão foi redesenhado para consumir menos energia
lSoftware pode desligá-lo quando não for necessário, ex. durante Modo Sleep
nanoWatt XLP nanoWatt Technology (2003) 30. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 30
Tempos típicos de Wake-up para diferentes osciladores
lAN1416 31. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 31
nanoWatt XLP nanoWatt XLP Technology (2009)
lnanoWatt XLP (eXtreme Low Power)
lIntroduzido em 2009 como a próxima geração de nanoWatt
lPortas de baixa corrente de fuga empregado em todo dispositivo
lDesenvolvimento e processos de fabricação sintonizados para baixo consumo
lIntrodução de periféricos de baixo consumo
lDefinido como:
lSleep: 100nA ou menor até 9nA
lReal-Time Clock Calendar (RTCC): 800nA ou menor até 200nA
lWatchdog 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 32. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 32
lDeep Sleep (DS)
lDeep Sleep Brown-Out Reset (DSBOR)
lDeep Sleep Watchdog Timer (DSWDT)
lEntradas com baixa corrente de fuga
lEspecificações a 60C 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) 33. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 33
nanoWatt XLP nanoWatt XLP Technology (2012)
Melhorias de partes XLP:
lRetention regulator (VRET)
lPermite modelos XLP trabalhe em 5V
lPermite modelos XLP com processos de silício menores
lPino VBAT para bateria de backup
lAutomação periférica melhorada e trigger
lRetira carga de operação para gerenciamento de periféricos
lADC Auto-scan
lDMA (Direct Memory Access) 34. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 34
nanoWatt XLP Duplo Brown-Out Resets
lBrown-Out Reset (BOR)
lStandard nanoWatt BOR
lAlguns dispositivos podem chamar LPBOR
lConfigurável para quatro níveis de tensão
lConsumo típico de ~5μA
lLow Power BOR (LPBOR)
lDisponível em adição ao BOR no PIC18 e PIC24 com modo Deep Sleep
lTensão fixa em ~1.8V
lAlguns devices com corrente de 5nA 35. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 35
nanoWatt XLP Watchdog Timers duplo
lWatchdog Timer (WDT)
lStandard nanoWatt WDT
lIΔWDT até 500nA
lTime out: 1ms–131s
lDeep Sleep WDT (DSWDT)
lDisponível em adição ao WDT em devices com modo Deep Sleep
lÚtil para aplicativos que estão inativas por longos períodos de tempo
lDSWDT permanece ativo em modo Deep Sleep
lIΔWDT até 370nA
lTime-out: 2.1ms-25.1 days 36. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 36
nanoWatt XLP Modulo de cotrole de periféricos
lPeripheral Enable Bits
lLocalizado no SFRs controle de cada periférico
lAtiva / desativa a funcionalidade para cada periférico
lRegistradores de controle ainda estão disponíveis para leitura e escrita
lexemplo : AD1CON1<ADON>
lAlguns de devices possuem ainda o Peripheral Module Disable (PMD)
lLocalizado nos registradores PMD
lDesabilita todas as fontes de clock para cada periféricos
lRemove alimentação dos registros de controle e status correspondente
lexemplo: PMD1<ADC1MD> 37. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 37
Modos Low Power 38. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 38
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)
Increasing Battery
Life
39. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 39
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 40. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 40
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 41. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 41
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 42. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 42
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 43. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 43
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 44. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 44
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
Múltiplas fontes de clock
Pode mudar dinamicamente
Afeta todas as partes do chip 45. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 45
nanoWatt XLP Chaveamento de clock
lRetardar o clock pode economizar mais energia do que Idle/Doze modes
lRetardar clock afeta todas as áreas do chip
lTwo speed startup
lInicialização do INTRC em 1μs-5μs
lChaveamento do cristal é necessário
lRoda no modo INTRC enquanto aguarda o PLL travar
lÚtil quando à espera de eventos externos ou periféricos lentos, como ADC, comparadores, portas de comunicação, etc. 46. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 46
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
47. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 47
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
48. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 48
nanoWatt XLP Idle & Doze Modes
lQuando os modos Idle ou Doze modes deve ser usado?
lSubstitua loops while(!Interrupt)
lLentidão enquanto aguarda o periférico ou uma interrupção
lQuando são necessários tempos curtos com cortes de energia que requerer um wake-up rápido
le.g. wake-up menor que ~1 ciclo de instrução
lTempo de transição é mínima
lDurante as transferências de DMA
lQuando a aplicação deve continuamente amostrar ou comunicar 49. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 49
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
50. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 50
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
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer
1
INT
0
VDD
VDDCORE
SOSC
Post- Scaler
VRET
VREG
POSC
51. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 51
nanoWatt XLP Retention Sleep Mode
lAlimentado por regulador low power alternativo chamado Retention Regulator
lFornece saída de tensão mais baixa para o núcleo
lBaixa corrente quiescente, mas corrente de saída limitada
l100-300 nA corrente quiescente
lMáxima 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 52. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 52
nanoWatt XLP Retention Sleep Mode
lSimilar ao modo Sleep
lRAM e SFRs mantidos
lContinua a operação após instrução PWRSAV
lTodas as fontes de wakeup disponíveis
lDiferente do modo Sleep
lUso do periférico é limitada pela corrente de de saída do regulador
lTempo de wakeup longo: requer tempo de para o VREG reiniciar de ~100 μs 53. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 53
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
Flash
INTRC
HS
INTRC
LP
T1OSC
POSC
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer
1
INT
0
VDD
SOSC
Post-Scaler
RAM
VDDCORE
VREG
DSGPR (2)
DSBOR
DSWDT
INT0
RTCC 54. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 54
nanoWatt XLP Deep Sleep Mode
lAlimentação do core é desligada
lIsso causa perda de memória RAM, SFR e contador de programa
lDois registradores DSGPR são fornecidos para manter variáveis durante Deep Sleep
lTempo de wake-up inclui o tempo de subida do regulador de tensão (usando Vreg interno)
lWake-up causa Power-On Reset (POR)
lSleep padrão
lContinua a execução no ponto onde ocorreu o sleep
lDeep Sleep não acorda com a limpeza do contador de programa
lEstado dos I/O são mantidos 55. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 55
Deep Sleep Quando o DS é efetivo?
lQuando a aplicação:
lFica boa parte do tempo desligado
lTipicamente maior que 1s
lÉ inativo por longos período de tempo
lRequer timekeeping exato com corrente mínima
lFunciona em temperaturas extremas
lRequer pequeno grupo de periféricos ativos 56. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 56
Deep Sleep Break-Even Time
lBreak-Even Time
lDS desliga o core, SRAM & regulador de tensão
lNo wake-up após DS:
lRegulador de tensão é ligado
lCompleta o ciclo POR
lClock é ligado
lContexto é restaurado
lTempo de Wake-Up torna-se dominante
lPara 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 57. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 57
PIC18F46J11
on-chip LDO off
DEEP SLEEP
1s
10s
100s
1000s
Tempo entre eventos de Wake-up
Corrente média
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 58. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 58
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 59. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 59
Considerações do sistema 60. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 60
Considerações do sistema Eficiência de instrução
lQuantos instrução ciclos leva para executar uma tarefa?
lNem todas as arquiteturas são igualmente eficientes
lBenchmarks de avaliação como o EEMBC’s CoreMark são usados para análise
lCompilado e benchmark com simulador
lCompilado e medido no hardware
lFerramenta de desenvolvimento de 16 bits nanoWatt XLP Evaluation board usado para a análise
lNão pare na primeira página do data sheet
μA/MHz não conta toda a história! 61. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 61
Considerações do sistema Exemplo de eficiência de instrução
lExceto a multiplicação, maior parte das instruções PIC16 e PIC18 são equivalentes
lPIC18 possui um hardware de multiplicação 8x8, um ciclo de máquina de execução.
lPIC16 emula multiplicação
lQuanta energia é necessária para realizar uma multiplicação de 8x8?
lPIC16LF727 @1MHz @1.8V @25C
l80μA/MHz
lInstruction cycle @1MHz = 4μs
l62 instruction cycles = 248μs
l80μA * 1.8V = 144μW
l144μW * 248μs = 35.7nJ
lPIC18LF46J11 @1MHz @2.0V @25C
l275μA/MHz
lInstruction cycle @1MHz = 4μs
l5 instruction cycles = 20μs
l2.0V * 275μA = 550μW
l550μW * 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;
} 62. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 62
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
0123456 A2TFFTFIRIFFTBaseFPBit ManipulationCANIDCTIIRPointersPWMRspeedTBL look upTTSparkMatrix Arith Industry Standard Benchmark Algorithms Normalized Execution Time PIC MCUCompetitor 63. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 63
Consumo de perifpericos comuns 64. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 64
Considerações do sistema Trigando periféricos e automação
lPeriféricos com automação
lADC
lAuto sample e conversão
lLimiar de varredura e comparação
lDirect Memory Access (DMA)
lPeriféricos com Trigger avançado
lMaster Capture Compare Peripheral (MCCP)
lConfigurable Logic Cell (CLC)
lCharge-Time Measurement Unit (CTMU) 65. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 65
Considerações do sistema Trigando periféricos e automação
lReduzir a carga de processamento ao mover a carga periféricos
lDMA permite a transferência de dados sem intervenção da CPU
lReduza a potência, diminuindo a frequência de wakeup da CPU
lTrigger de disparo de alguns periféricos sem o uso da CPU
lThreshold-scan ADC permite conversões e comparações sem acordar 66. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 66
Considerações do sistema Seleção de baterias
lQuímica da bateria é fundamental
lCélulas de lítio
lAuto-descarga muito baixo para uma boa vida útil (de prateleira)
lLimites de corrente maxíma muito baixo
lResistência interna elevada. Correntes de pico de alta tensão diminui vida útil
lNovo! Células Lithium AAA
lFaixa útil corresponde à faixa de tensão da maioria dos microcontroladores
lResistência interna baixa. Suportar altas correntes de pico
lAuto-descarga baixa - longa vida útil
lPilhas alcalinas
lAlta capacidade e alta corrente de dreno suportados
lCapacidade cai como a subida da corrente
lCélulas secundárias (recarregável NiCd, NiMH, etc)
lAuto-descarga alta
lNecessitam de recarga frequente ainda que a aplicação é muito baixo consumo de energia 67. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 67
Considerações do sistema Lithium AAA
1
2
Source: http://data.energizer.com/PDFs/l92.pdf
lPara uma aplicação de lítio típica funcionando em temperatura ambiente (20-25ºC):
lO MCU deve operar abaixo 3V (2 x 1,5V) {ponto 1 do gráfico}
lMaximização da vida da bateria significaria ser capaz de rodar abaixo de 1,8V (2 x 0,9V) {ponto 2 do gráfico}
lOperação segura com faixa de operação 68. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 68
Considerações do sistema Especificação de bateria a 60C
lBaterias como a maioria dos produtos químicos são especificadas até 60C
lDevices nanoWatt XLP incluem agora ponto de especificação nos dados a 60C 69. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 69
Considerações do sistema Pino VBAT Battery Backup
lFornece via separada para bateria de backup do RTCC
lVBAT é chaveado quando VDD é removido
VBAT
CPU
Flash
INTRC
HS
INTRC
LP
Peripherals
RTCC
WDT
BOR
Analog
Timer
1
INT
0
VDDCORE
Post- Scaler
VRET
VREG
POSC
SOSC
DSGPR (2)
RTCC
VDD
RAM
T1OSC
SOSC 70. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 70
Considerações do sistema Pino VBAT Battery Backup
lPermite o uso de bateria de backup sem componentes externos
lRoda RTCC e mantém dois registradores de dados
lVBAT sai quando é reaplicado VDD
lNo modo VBAT outros periféricos estão desligados
lTodos I/O deve ser desenergizado
lRecomendam não alimentar outros circuitos VBAT battery
Modo VBAT pode ser desligado via configuração
VBAT pin deve ser ligado a VDD quando desativado 71. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 71
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 72. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 72
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 73. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 73
Considerações do sistema Redução de tensão
lRedução da tensão impacta nas correntes estática e dinâmica
lRequer uso de reguladores de tensão com tensão baixa
lConsidere a redução Vdd com reguladores de tensão programável enquanto no modo sleep ou idle
3.30V
15μA
3mA
32kHz
11mA
2.50V
8μA
2mA 74. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 74
Considerações do sistema Alimentação
lAlguns devices nanoWatt XLP dispositivos baseiam-se no processo de baixa tensão:
lCore requer 2,5V ou 1,8V
lConexão de tensão 3,3V ou I/O logico requer regulador de tensão low dropout voltage (LDO)
lAlguns devices F possui LDO interno
lDevices LF usualmente não possui
lOpções:
lUse devices F com LDO interno
lAplicações com 2,5V (ou 1,8V) I/O e alimentação
lUse múltiplas fontes de alimentação
(Regulator Enabled)
(no Regulator) 75. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 75
Considerações do sistema Gerenciando VDDCORE
lEscolher com cuidado o sistema low drop out regulator pode resultar em baixa corrente estática
lPIC18F46J11 LDO quiescent current ~3μA
lMCP1702 external LDO quiescent current ~2μA
lPara 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 76. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 76
Considerações do sistema Minimizar acesso da RAM
lLeitura 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
lA rotina lê _T1IF (Timer1 interrupt flag) escreve em I cada iteração do loop.
lAt 32MHz:
lTempo de laço é 187ns
lCorrente média medida é 19,1mA enquanto neste loop
lEle vai ler e escrever RAM duas vezes a cada 187ns
lO aplicativo realmente precisa deste tempo de resposta? 77. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 77
Considerações do sistema Minimizar acesso RAM
Low_Power_Routine: // compiles to 8 instructions
while(!_T1IF){
i++;
Nop();
Nop();
Nop();
Nop();
Nop();}
16.4 mA
lA 32MHz tempo loop é 500ns
llê e escreve RAM duas vezes a cada 500ns
lNota melhoria de 2,5 mA
lRedução da corrente de ~ 13%, adicionando cinco NOPS! 78. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 78
Considerações do sistema Recomendação sobre I/Os
lUse pull-ups internos para botões
lPull-ups internos podem ser desabilitados após detecção
lUse de-bouncing por SW
lElimina picos de corrente em comparação ao uso de circuito RC
lUse LEDs de altro brilho
lDriver com corrente muito menor do que a corrente nominal
lPWM em vez de acionamento direto
lLEDs de alto brilho podem ser visíveis com corrente muito baixa (100uA) 79. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 79
Considerações do sistema Recomendação sobre I/Os
lSe possível use resistores de pull-up com maior valor possível
lRede de resistores ligados a um pino comum
lLigue o I/O quando necessário
lUse capacitores com baixa corrente de fuga
lTantalo possui altas correntes
lPode ser maior que 1μA @10μF
lCerâmicos possem correntes baixas
l~20nA @10μF
lUse capacitores de bypass com modereação
lMantenha trilhas curtas
Modelo equivalente do capacitor 80. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 80
Considerações do sistema Elimine I/Os em flutuação
lPinos CMOS em flutuação
lFlutua em VDD/2
lAltas corrente de fuga
lSinais externos podem ser introduzidos no pino
lElimine pinos em flutuação
lSetar pinos I/O não usados como saída
lColecar 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 81. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 81
Considerações do sistema Redução do tempo de Wake-Up
lCristais:
lAguarda1024 ciclos para start up confiável
lGarante que o cristal é para cima e estável
lCaracterística extremamente importante para a confiabilidade em toda variedade de temperatura e arranque de condições
lEstabiliza 32ms @32kHz, 64μs @ 8MHz
lPode ser significativamente mais longo - sob determinadas condições ambientais podem ter até 1s
lInternal RC (INTRC) Oscillators:
lPode acordar entre 1μs-5μs
lTwo-Speed Start-Up Mode
lWake-up com INTRC
lAlguns dispositivos possuem precisão INTRC de 0,25%
lMudar para cristal quando estiver pronto se a precisão PPM é necessária 82. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 82
Considerações do sistema Abaixando a corrente ativa
lDesabilite a periféricos não usados
lTodos os periféricos on-chip tem alguns bits de controle ou bits PMD para desativar
lOtimizando o código pelo compilador
lExperiência com combinações de velocidade, tamanho do código e otimizações de uso RAM
lOlhe para a execução mais rápida em menor tamanho do código com acesso mínimo RAM
lMeça o tempo de execução de seu algoritmo
lPor exemplo:
l32MHz em diferentes plataformas pode não ser igual tempo mesma execução
l90% das instruções do PIC® são executadas em um ciclo de máquina
lSimulador disponível no MPLAB® IDE 83. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 83
Considerações do sistema Abaixando a corrente ativa
lConsidere o uso de periféricos SPI ao invés de I2C™
lSem uso de resistores de pull-up
lRápido
lMenor consumo dinâmico
lReduz tempo de loop
lMuitos periféricos como EEPROM tem dos dois tipos 84. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 84
Sumário 85. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 85
nanoWatt XLP Microcontroladores Extreme Low Power
Hundreds of XLP Devices! 86. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 86
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) 87. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 87
Sumário Referências
PIC24F Family Reference Manual 88. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 88
Sumário XLP Home Page
www.microchip.com/xlp 89. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 89
Sumário
Hoje você aprendeu:
lDefinir o que é baixo consumo, seus diversos modos e como gerenciar eles
lDiferenciar nanoWatt, nanoWatt XLP Technology, Deep Sleep e outras técnicas low power
lAnálisar e desenvolver de um sistema com um menor consumo possível
lIdentificar e escolher o melhor microcontrolador PIC® nanoWatt para sua aplicação 90. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 90 91. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 91
Obrigado!
http://www.portalmcu.com.br
@PortalMCU
https://www.facebook.com/portalmcu
daniel_rsousa@hotmail.com 92. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 92
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