Las funciones de ahorro de energía de la MCU garantizan que su sistema no consuma mucha energía

Autor: Prabhath Horagodage, Senior Staff Product Management, Renesas

Los microcontroladores se utilizan para una variedad de propósitos. Algunas aplicaciones requieren alta velocidad, alto rendimiento y funcionamiento total y continuo, mientras que otras requieren sólo un funcionamiento parcial en ciclos específicos. Renesas ha estado estudiando estos casos de uso durante varios años y diseñó el RA2E3, extremadamente eficiente desde el punto de vista energético, para permitir a los diseñadores una gran variedad de modos de funcionamiento para reducir el consumo de energía de la MCU con sus funciones de ahorro de energía. Esto permite que los productos electrónicos basados en microcontroladores sean energéticamente eficientes y respetuosos con el medio ambiente, como esperan los usuarios finales. RA2E3 proporciona cuatro funciones principales de ahorro de energía que se pueden utilizar por separado o en combinación:

1. Tres diferentes modos de funcionamiento en bajo consumo
2. Cuatro diferentes modos de control de potencia
3. Cambio de la frecuencia del reloj a una velocidad adecuada
4. Detención de módulos innecesarios durante un período específico

Modos de funcionamiento de bajo consumo

RA2E3 proporciona los siguientes tres modos diferentes de bajo consumo:

1. Modo de suspensión (sleep)
2. Modo de espera (standby)
3. Modo de repetición (Snooze)

La MCU se puede programar para pasar automáticamente entre estos modos cuando se cumplan las condiciones requeridas. La corriente de suministro máxima en el modo normal con una determinada condición (relojes de alta velocidad, todos los relojes periféricos están habilitados, etc.) es 12 mA, mientras que la corriente de suministro típica en el modo de espera del software en una determinada condición (todas las SRAM están encendidas, todas los módulos periféricos están detenidos, etc.) es de 0,25 µA. Las corrientes de suministro en el modo de suspensión y el modo de repetición se encuentran entre las de los modos normal y de espera de software según condiciones como la cantidad de módulos operativos, la frecuencia del reloj, etc. El consumo de energía en cada modo se puede comparar aproximadamente como en la Figura 1. El método de transición entre Los modos de bajo consumo se muestran en la Figura 2.

Figura 1. Comparación aproximada del consumo de energía en cada modo de bajo consumo (se aplican condiciones)

Figura 2. Método de transición entre modos de bajo consumo (consulte el manual de hardware de MCU para obtener más detalles)

Modo de suspensión: en este modo, la CPU deja de funcionar, pero se conserva el contenido de sus registros internos. Otras funciones periféricas y osciladores no se detienen por defecto, pero el usuario puede configurar si se detienen o no.

Por ejemplo, si el usuario necesita ejecutar la conversión A/D durante un período determinado en modo rápido, pero no se requiere la intervención de la CPU en ese período, el usuario puede programar la MCU para entrar al modo de suspensión con un reloj de conversión de alta velocidad al inicio del proceso, realizar la conversión del A/D y regresar al modo Normal cuando se complete la tarea. En este ejemplo, el usuario ahorra un consumo innecesario de energía de la CPU durante ese período. Consulte el manual del hardware RA2E3 para obtener más detalles sobre cómo entrar, operar y cancelar el modo de suspensión.

Modo de espera del software:  en este modo, la CPU, la mayoría de las funciones periféricas y los osciladores se detienen. Sin embargo, se conservan el contenido de los registros internos de la CPU y los datos de SRAM, los estados de las funciones periféricas del chip y los puertos de E/S. El modo de espera del software permite una reducción significativa del consumo de energía porque la mayoría de los osciladores se han detenido.

Por ejemplo, si una MCU necesita esperar una entrada externa como una interrupción IRQ para iniciar una operación específica y no se requiere ninguna otra operación durante ese período de espera, el usuario puede programar la MCU para que permanezca en modo de espera de software hasta que se reciba la entrada, ahorrando la mayor parte del consumo de energía innecesario. Una vez que se recibe la entrada, la operación de destino se puede ejecutar en el modo de espera del software o después de pasar al modo Snooze o Normal, según sea necesario. Es posible volver al modo de espera del software nuevamente después de completar la operación de destino y esperar la siguiente entrada. Consulte el manual del hardware RA2E3 para obtener más detalles sobre cómo ingresar, operar y cancelar el modo de espera del software.

Modo de repetición: en este modo, la CPU deja de funcionar, pero se conserva el contenido de sus registros internos. Se puede seleccionar el funcionamiento de la mayoría de las funciones periféricas y osciladores. Como se muestra en la Figura 2, no se permite la transición directa al modo Posponer desde el modo Normal o el modo Suspensión. La transición al modo de repetición debe realizarse a través del modo de espera del software. Sin embargo, se puede realizar una transición directa al modo Normal desde el modo Snooze.

Veamos un ejemplo usando UART en modo Snooze. Antes de iniciar la comunicación UART, la MCU puede permanecer en modo de espera de software para ahorrar energía. Cuando comienza a recibir datos UART, la MCU puede pasar al modo Snooze y continuar recibiendo datos sin activar la CPU, funciones periféricas innecesarias ni osciladores. Una vez que se completa la recepción de datos, la MCU puede volver al modo de espera del software nuevamente y esperar los siguientes datos UART. Consulte el manual del hardware RA2E3 para obtener más detalles sobre cómo ingresar, operar, finalizar y cancelar el modo de repetición.

Modos de control de potencia

Hay cuatro modos de control de potencia que se definen principalmente en función de la frecuencia operativa máxima y el rango de voltaje operativo. El consumo actual de memoria (Flash/RAM) se reduce controlando la velocidad de lectura de la memoria según el modo de control de energía. Los usuarios pueden seleccionar el modo de control de energía según cumpla con la frecuencia de operación y el consumo de energía adecuados. Los modos de control de energía se pueden utilizar en los modos Normal, Suspensión y Repetición. El consumo de energía en cada modo se muestra en la Figura 3.

Modo de alta velocidad: en este modo, la frecuencia operativa máxima y el rango de voltaje durante la lectura flash son 48 MHz y 1,8 V a 5,5 V respectivamente. La corriente de suministro máxima en este modo con una determinada condición (operando en modo normal, todos los relojes periféricos están desactivados, el código CoreMark ejecutándose desde la memoria flash) es 4,80 mA.

Modo de velocidad media: en este modo, la frecuencia de funcionamiento máxima y el rango de voltaje durante la lectura flash son 24 MHz y 1,8 V a 5,5 V respectivamente. Sin embargo, la frecuencia operativa máxima es de 4 MHz cuando el voltaje de funcionamiento es de 1,6 V a 1,8 V. La corriente de suministro típica en este modo con una determinada condición (operando en modo normal, todos los relojes periféricos están desactivados, el código CoreMark ejecutándose desde la memoria flash) es 2,60 mA.

Modo de baja velocidad: en este modo, la frecuencia de funcionamiento máxima y el rango de voltaje durante la lectura del flash son 2 MHz y 1,6 V a 5,5 V respectivamente. La corriente de suministro típica en este modo con una determinada condición (operando en modo normal, todos los relojes periféricos están desactivados, el código CoreMark ejecutándose desde la memoria flash) es 0,30 mA.

Modo de velocidad subosc: en este modo, la frecuencia de funcionamiento máxima y el rango de voltaje durante la lectura flash son 37,6832 kHz y 1,6 V a 5,5 V respectivamente. La corriente de suministro típica en este modo con una determinada condición (operando en modo Normal, todos los relojes periféricos están habilitados, etc.) es de aproximadamente 5 µA.

Figura 3. Comparación aproximada del consumo de energía en cada modo de control de energía (se aplican condiciones)

Cambio de reloj

La relación de división de frecuencia se puede seleccionar para el reloj del sistema (ICLK). Cuando no se requiere un reloj de alta velocidad, el usuario puede cambiar al reloj de menor velocidad apropiado y ahorrar consumo de energía. Las proporciones de división del reloj son 1, 2, 4, 8, 16, 32 y 64.

Cuanto menor sea la frecuencia, menor será el consumo de corriente. Pero en términos de rendimiento energético (mA/MHz), 48 MHz es el más eficiente (100 µA/MHz = 4,8 mA/48 MHz). En general, para aplicaciones que requieren mayor procesamiento de cálculo y rendimiento de la CPU, se puede lograr un menor consumo de energía configurando la frecuencia más alta y acortando el tiempo de procesamiento de la CPU en modo Normal. Por otro lado, para aplicaciones como sistemas de control, el consumo de corriente se puede reducir configurando la frecuencia a un valor más bajo en el modo Normal.

Por ejemplo, las corrientes de suministro típicas cuando ICLK es de 48 MHz, 32 MHz, 16 MHz y 8 MHz son 4,80 mA, 3,45 mA, 2,05 mA y 1,40 mA respectivamente, bajo la condición de las siguientes funciones de ahorro de energía. Modo de bajo consumo: modo normal, modo de control de energía: modo de alta velocidad, parada del módulo: todos los relojes periféricos están desactivados.

Figura 4. Comparación aproximada del consumo de energía cuando las condiciones de otras funciones de ahorro de energía son las mismas

También se pueden seleccionar las relaciones de división de reloj 1, 2, 4, 8, 16, 32 y 64 para los relojes periféricos (PCLKB, PCLKD).

Función de parada del módulo

El consumo de energía se puede ahorrar deteniendo los módulos que no funcionan o sus relojes con las siguientes configuraciones de registro:

• El funcionamiento de los módulos DTC, I2C, SPI, SCI, CAC, CRC, DOC, ELC, AGT, GPT32n, GPT16n, POEG, ADC120 se puede detener mediante la configuración de los registros MSTPCRn (n: A, B, C, D)
• El registro del reloj R/W para RTC, WDT, IWDT se puede detener mediante la configuración del registro LSMRWDIS
• El reloj de funcionamiento para MPU, depuración y BPF se puede detener mediante la configuración del registro LPOPT
• 8 KB de 16 KB de SRAM se pueden apagar en el modo de espera del software mediante la configuración del registro PSMCR

Combinación de cada función de ahorro de energía

Se pueden lograr más ahorros de energía utilizando las funciones de ahorro de energía en combinación. La tabla detalla cinco casos que son sólo algunos ejemplos entre las muchas combinaciones posibles.

Tabla 1. Casos de ejemplo para combinación de funciones de ahorro de energía (se aplican condiciones)

Figura 5. Comparación aproximada del consumo de energía en cada caso combinado

Para obtener información adicional sobre las MCU RA2E3 de consumo ultrabajo: www.renesas.com/ra2e3