Mengoptimalkan Manajemen Daya dengan MCU Crossover i.MX RT500 NXP
Artikel ini memberikan pengenalan konsep manajemen daya mikrokontroler. Keluarga MCU crossover NXP i.MX RT500 akan digunakan untuk memberikan contoh bagaimana konsep manajemen daya ini dapat digunakan oleh pengembang tertanam dalam aplikasi mereka.
Pertimbangan utama bagi desainer MCU adalah bagaimana daya dikelola dan didistribusikan. Tanpa mempertimbangkan jam CPU, memori, dan periferal, desainer mungkin mendapati diri mereka tidak dapat melakukan transisi dari desain ke produk fisik yang sebenarnya.
Artikel ini memberikan pengantar konsep manajemen daya mikrokontroler. Ini akan mencakup diskusi tentang mode daya MCU dan bagaimana pengaruhnya terhadap pengoperasian perangkat, berapa banyak arus yang ditarik bagian dalam setiap mode, dan berapa lama waktu yang dibutuhkan MCU untuk bangun dari mode daya rendah. Kami juga akan menyelidiki bagaimana pin I/O MCU dan konfigurasi SRAM memengaruhi konsumsi daya perangkat secara keseluruhan. Keluarga MCU crossover NXP i.MX RT500 akan digunakan untuk memberikan contoh bagaimana konsep manajemen daya ini dapat digunakan oleh pengembang tertanam dalam aplikasi mereka. i.MX RT500 MCU menyediakan fungsi kontrol daya dan manajemen daya yang memungkinkan perangkat beroperasi dengan daya sesedikit mungkin.
Ikhtisar MCU Crossover i.MX RT500
i.MX RT500 adalah keluarga mikrokontroler inti ganda berdasarkan inti Arm® Cortex®-M33 yang kuat dengan kecepatan clock hingga 200 MHz. Seri i.MX RT500 menawarkan fitur perlindungan yang kaya seperti Arm TrustZone® dan unit perlindungan memori (MPU) internal yang mendukung delapan wilayah. Co-prosesor kripto CASPER memungkinkan akselerasi perangkat keras untuk meningkatkan berbagai fungsi yang diperlukan untuk algoritme kriptografi asimetris. Akselerator perangkat keras PowerQuad adalah co-prosesor efisien lainnya dari MCU crossover i.MX RT500, dan membantu CPU utama dalam melakukan perhitungan DSP. i.MX RT500 cocok untuk aplikasi HMI tertanam yang aman dan berdaya rendah, perangkat IoT, perangkat yang dapat didengar, dan perangkat konsumen yang cerdas karena DSP audio Cadence® Tensilica® Fusion F1 tambahan yang sangat dioptimalkan, GPU 2D khusus dengan akselerasi grafis vektor, dan berbagai antarmuka tampilan.
Gambar 1. i.MX RT500 MCU cocok untuk mendukung aplikasi HMI tertanam modern yang membutuhkan grafis dan antarmuka pengguna yang cepat dan menyenangkan secara visual. Gambar milik NXP.
MCU sinyal campuran yang kompleks sering kali berisi beberapa catu daya on-chip untuk meningkatkan kontrol daya dan mengurangi kebisingan catu daya cross-talk. Untuk kontrol daya, inti dapat berjalan pada tegangan lebih rendah dari I/Os. Selain itu, bagian MCU yang tidak digunakan dapat dimatikan saat tidak digunakan. Untuk penolakan derau, catu daya derau yang memberi makan I/O dan logika digital dapat diisolasi dari fungsi analog on-chip.
Sebagai contoh penggunaan rel daya terpisah, rangkaian MCU i.MX RT500 memiliki empat rel daya independen yang memasok berbagai bagian sirkuit internal:
- VDDCORE rail memberi daya pada logika utama chip, DSP, periferal, dan memori. Rel suplai ini dapat disesuaikan antara 0,6 V dan 1,1 V, dan teknisi bebas menggunakan PMU internal perangkat (unit manajemen daya) atau menggunakan PMIC eksternal (IC manajemen daya). Tegangan yang diperlukan tergantung pada frekuensi clock inti sebelum pembagi jam CPU.
- VDD1V8 adalah suplai 1,8 V yang menggerakkan fungsi analog on-chip selain ADC dan komparator. Rel ini juga memasok modul PMC built-in, termasuk celah pita, POR, sensor suhu, dan deteksi tegangan rendah dan tegangan tinggi inti. VDD1V8_1 line memasok daya ke logika digital on-chip.
- VDD_AO1V8 rail memberikan daya ke bagian perangkat yang selalu menyala, seperti RTC, pewaktu bangun RTC, POR yang selalu aktif, dan pin RESET, LDO_ENABLE, PMIC_IRQ, PMIC_MODE0, dan PMIC_MODE1. Rel ini menyediakan sumber pengaktifan bahkan saat daya ke rel lain dilepas, memungkinkan MCU untuk aktif dari salah satu mode mati total.
- VDD_IOn memasok pin GPIO dari MCU. VDDIO_0 , VDDIO_1 , VDDIO_2 , dan VDDIO_4 berikan 1,8 V, dan VDDIO_3 menyediakan tegangan suplai hingga 3,6 V.
Menyelidiki Mode Daya i.MX RT500 MCU
MCU modern biasanya menyediakan sejumlah mode operasi yang menukar konsumsi daya dengan kinerja. Pada pengaturan daya tertinggi, fungsionalitas maksimum tersedia dengan CPU, memori, dan periferal on-chip yang semuanya diaktifkan dan berjalan pada frekuensi clock setinggi mungkin. Untuk mengurangi konsumsi daya, tersedia mode sleep dan power-down untuk mengurangi frekuensi clock, mengurangi tegangan suplai, dan bahkan mematikan sepenuhnya bagian MCU yang tidak digunakan.
Di i.MX RT500 MCU, kontroler manajemen daya (PMC) internal memungkinkan penyetelan halus kondisi input daya agar sesuai dengan persyaratan aplikasi tertentu. Untuk tujuan itu, MCU memungkinkan penggunaan tegangan yang lebih rendah pada rel VDDCORE ketika chip berjalan pada frekuensi clock yang lebih rendah atau ketika perangkat dalam mode tidur nyenyak. Dimungkinkan untuk mematikan saluran VDDCORE sepenuhnya saat chip dalam mode mati. Secara default, PMC menetapkan level tegangan yang sesuai untuk logika inti. Namun, dimungkinkan untuk menggunakan PMIC eksternal yang dikombinasikan dengan pin PMIC MCU untuk mencapai efek yang sama.
Modul manajemen daya mendukung lima mode manajemen daya (diurutkan dari konsumsi daya tertinggi hingga terendah):
- Aktif
MCU menyala dalam mode aktif setelah reset, dan insinyur sistem tertanam dapat mengubah konfigurasi daya default perangkat dengan mengubah nilai register sistem tertentu. Konfigurasi daya dapat diubah selama waktu proses, misalnya, dengan menggunakan API daya khusus. Dalam mode ini, jam ke CPU, memori, dan periferal diaktifkan, dan sebagian besar blok mungkin dalam mode normal, mode daya rendah, atau mati, seperti yang didefinisikan oleh programmer aplikasi tertanam. Selain itu, mode aktif memungkinkan perancang sistem dan pemrogram untuk menyempurnakan konsumsi daya dengan mengontrol periferal, blok memori, dan aksesori mana yang tetap aktif — bagian 8.4.1.1.1 dari manual referensi i.MX RT500 memberikan detail lebih lanjut tentang hal ini .
- Sleep
Dalam mode ini, PMC menghentikan jam ke CPU sistem, menghentikan instruksi sampai sinyal reset atau interupsi terjadi. Mode ini memungkinkan pengembang untuk mengonfigurasi periferal untuk melanjutkan operasi mereka sementara CPU tetap ditangguhkan. Periferal ini dapat menghasilkan interupsi yang membangunkan CPU dan menyebabkan MCU kembali ke mode daya yang ditentukan oleh register PDRUNCFG dan PSCCTL. Saat tertidur, CPU mempertahankan nilai register internal dan SRAM. Level logika pin I/O juga tetap statis kecuali jika periferal aktif mengubah statusnya. Oleh karena itu, mode daya ini menghilangkan daya dinamis yang digunakan oleh CPU, sistem memori, dan bus internal. Perhatikan bahwa mode tidur tidak mengubah jam CPU — hanya menonaktifkan jam untuk CPU.
- Deep-Sleep
Mode ini menonaktifkan jam ke CPU dan, jika tidak dikonfigurasi sebaliknya, juga mematikan sinyal jam dari periferal on-chip dan blok analog. Pemrogram tertanam bebas untuk mengonfigurasi blok individu untuk beroperasi dalam keadaan normal, berdaya rendah, atau mati melalui perangkat lunak. Register perangkat dan bagian SRAM yang diaktifkan mempertahankan nilainya. API profil daya memungkinkan periferal yang dipilih, seperti USB, DMIC, SPI, I2C, USART, WWDT, RTC, dan timer mikrotik untuk tetap aktif dalam mode tidur nyenyak. Bagian 8.4.1.3.1 dari manual referensi i.MX RT500 memberikan detail lebih lanjut tentang mode deep-sleep.
- Penurunan daya yang dalam
Dalam mode ini, catu daya dan semua jam dinonaktifkan untuk seluruh chip kecuali untuk RTC. Ukuran ini berarti bahwa SRAM dan register, kecuali yang ada di modul RTC, tidak dapat mempertahankan nilainya. Selanjutnya, semua pin fungsi dinyatakan tiga selama perangkat diberi daya dari luar. Tidak ada opsi konfigurasi lebih lanjut untuk mode ini.
- Pematian daya dalam penuh
Mode ini menonaktifkan semua suplai eksternal kecuali untuk VDD_AO18, VDD_AO1V8, dan VDD_EAO. Sumber bangun dapat memicu POR di domain VDD1V8 dan VDDCORE.
Bangun dari status 4 dan 5 melewati seluruh proses RESET.
MCU telah mendedikasikan pin PMIC_MODE untuk mengomunikasikan perubahan status ke PMIC eksternal saat beralih antar status. Awalnya, hanya ada satu status yang ditentukan sebelumnya untuk pin ini, dan pemrogram tertanam harus mengonfigurasi pin PMIC_MODE melalui perangkat lunak. Dalam mode aktif, MCU mengambil kendali atas pin PMIC_MODE. Ketika MCU beroperasi di salah satu mode daya yang dikurangi, PMIC eksternal mengambil kendali. Lihat bagian 8.4.2.1 dari manual referensi untuk detail lebih lanjut.
Proses Bangun dan Waktu Bangun Biasa
Secara intuitif, MCU membutuhkan waktu lebih lama untuk bangun dari mode tidur yang lebih dalam daripada mode tidur dengan lebih banyak periferal dan sirkuit yang diaktifkan. Catu daya harus stabil dan osilator kristal harus dihidupkan untuk memungkinkan sirkuit yang diaktifkan kembali berfungsi dengan baik. Dalam mode tidur yang lebih dalam, seringkali ada sumber terbatas yang tersedia untuk membangunkan MCU
Untuk i.MX RT500, waktu bangun biasa dari mode tidur dengan jam sistem 200 MHz adalah sekitar 150 s. Dari mode deep-sleep, perangkat membutuhkan waktu sekitar 120 s untuk bangun. Membangunkan MCU dari kondisi mati penuh membutuhkan waktu sekitar 8,64 milidetik karena urutan RESET. Perhatikan bahwa pengaturan waktu ini tidak dijamin, dan beberapa batasan berlaku. Lihat lembar data resmi, bagian 1.3.4, untuk perincian lebih lanjut dan kondisi pengujian. Penting juga untuk dicatat bahwa chip selalu aktif dalam mode aktif.
Untuk membangunkan MCU saat berada dalam mode daya rendah, programmer yang disematkan harus mengonfigurasi satu atau beberapa sumber pengaktifan. Dalam mode tidur, periferal apa pun yang menyebabkan interupsi dan HWWAKE (Antarmuka Flexcomm dan aktivitas subsistem DMIC) dapat membangunkan MCU, seperti yang telah dibahas sebelumnya. Dalam mode deep-sleep, berbagai sumber bangun, seperti interupsi pin, pin reset, periferal Flexcomm, DMA, DMIC, HWWAKE, SDIO, HASH-AES, CASPER, PowerQuad, ADC, DSP, USB, dan ACMP dapat membangunkan naik MCU. Selain sumber bangun ini, berbagai timer, seperti watchdog timer, RTC, uTick timer, dan OS Event timer juga dapat menyebabkan MCU kembali dari mode tidur secara berkala. Saat MCU dalam mode mati total, RTC dan reset sistem adalah satu-satunya cara untuk membangunkan perangkat.
Konsumsi Daya Dinamis dan Statis dari Pin I/O
Pin I/O merupakan aspek konsumsi daya total yang sering diabaikan. Pin I/O dapat berkontribusi pada total konsumsi daya statis dan dinamis. Tergantung pada pengaturan resistor tarik internal masing-masing pin dan level tegangan, arus statis dapat mengalir dan meningkatkan konsumsi daya perangkat secara keseluruhan. Pin I/O juga berkontribusi pada kebutuhan daya dinamis MCU setiap kali mereka beralih. Sering kali nomor daya lembar data MCU bahkan tidak menyertakan konsumsi daya pin I/O karena aplikasi bergantung pada beban eksternal dan frekuensi switching I/O.
Mode daya yang berbeda dari i.MX RT500 MCU mempengaruhi berbagai periferal on-chip dan secara otomatis menonaktifkan beberapa sirkuit pada perangkat untuk mengurangi konsumsi daya secara keseluruhan. Perhatikan bahwa sebagian besar pin GPIO memiliki resistor pull-up dan pull-down internal dan buffer input dinonaktifkan saat reset. Misalnya, beberapa pin memiliki konfigurasi berbeda untuk memudahkan debugging. Namun, perilaku ini menghasilkan pin GPIO yang tidak digunakan secara default ke mode impedansi tinggi dengan buffer input masing-masing dinonaktifkan saat reset kecuali ditentukan lain oleh pemrogram dalam register IOCON. Dalam mode mati total, pin I/O mengambang secara default.
Konsumsi Daya dalam Mode Tidur dan Mode Tidur Dalam
Sekarang mari kita gunakan i.MX RT500 MCU untuk mendapatkan beberapa spesifik tentang bagaimana frekuensi dan tegangan clock utama sistem pada VDDCORE mempengaruhi konsumsi daya perangkat secara keseluruhan:
|
| 12MHz | 24MHz | 48MHz | 96MHz | 192MHz |
|
Mode Aktif
(DSP tanpa jam) |
1,62 mA
0,7 V |
2,5 mA
0,7 V |
4,33 mA
0,7 V |
9.35mA
0,8 V |
20,73 mA
0,9 V |
|
Mode Tidur
(DSP tanpa jam) |
1,8 mA
0,7 V |
4,78 mA
1,0 V |
5,78 mA
1,0 V |
7,78 mA
1,0 V |
9,66 mA
0,9 V |
Mode deep sleep dan deep power-down menonaktifkan jam CPU utama, dan juga memungkinkan untuk mematikan wilayah SRAM, yang memengaruhi keseluruhan persyaratan pasokan saat ini dari suku cadang tersebut. Tabel berikut mencantumkan arus suplai untuk rel daya aktif dalam mode deep sleep dengan 128 KB SRAM dihidupkan, LDO internal dinonaktifkan, array aktif, dan periferal dimatikan pada suhu sekitar sekitar 25 °C:
| Rel Listrik | Konsumsi saat ini biasa |
| VDD1V8 | 8.5 uA |
| VDDCORE | 42 uA |
| VDD_AO1V8 | 0,79 uA |
| Semua VDDIO rel digabungkan | 5,61 uA |
| VDDA_1V8 | 11,8 uA |
| VREFP | 0,02 uA |
| USB1_VDD_3V3 | 1,10 uA |
Oleh karena itu, konsumsi arus khas perangkat adalah sekitar 70 mikro Ampere dalam mode tidur nyenyak. Silakan merujuk ke tabel 11 dan 12 di lembar data perangkat untuk detail lebih lanjut dan kondisi pengujian yang tepat. Saat MCU berada dalam mode mati-dalam atau mati-dalam-dalam, arus suplai tipikal adalah sekitar 15 A.
Pertimbangan Penghematan Daya SRAM
Manajemen daya juga harus mempertimbangkan memori on-chip. Untuk memori non-volatil seperti Flash, memori dapat dimatikan tanpa kehilangan isinya. Untuk SRAM, perancang tertanam harus memutuskan apakah isi memori perlu dipertahankan saat menggunakan mode daya rendah. Untungnya, banyak produk MCU memungkinkan perancang untuk memilih antara penghematan daya maksimum dengan kehilangan data penuh dan penghematan daya yang dikurangi dengan penyimpanan data penuh.
Perangkat i.MX RT500 berisi hingga lima megabita RAM statis on-chip yang dibagi menjadi hingga 32 partisi terpisah. Setiap partisi dapat diakses oleh kedua CPU, baik mesin DMA, dan semua master bus AHB lainnya. Selain fitur lain, Anda dapat menempatkan setiap blok secara mandiri dalam mode retensi daya rendah atau mematikannya sepenuhnya untuk mengurangi konsumsi daya perangkat secara keseluruhan. Tindakan ini dimungkinkan karena setiap partisi memori terdiri dari blok memori itu sendiri dan periferal yang diperlukan untuk menghubungkan larik memori itu sendiri. Desainer aplikasi yang disematkan dapat menghemat daya dengan mematikan periferal sambil tetap mempertahankan isi dari larik memori itu sendiri.
Mempertimbangkan hal ini, pemrogram yang disematkan harus memahami bahwa partisi SRAM yang lebih rendah cenderung menghemat daya dibandingkan dengan partisi yang lebih tinggi, karena setiap lokasi fisik partisi SRAM di dalam perangkat menyebabkan variasi konsumsi saat ini:
Gambar 2. Pengembang harus lebih suka menggunakan partisi SRAM yang lebih rendah daripada yang lebih tinggi ketika mencoba mengurangi konsumsi daya MCU secara keseluruhan. Gambar milik NXP.
Catatan aplikasi Manajemen Daya i.MX RT500 dan manual referensi keluarga i.MX RT500 membahas berbagai tindakan penghematan daya secara lebih rinci.
i.MX RT500 MCU untuk Kontrol Daya dan Manajemen Daya
Mempertahankan daya sangat penting saat merancang proyek apa pun. Crossover MCU i.MX RT500 menawarkan fungsi kontrol daya dan manajemen daya yang memungkinkan perangkat beroperasi sambil membutuhkan daya sesedikit mungkin secara efisien. Dalam mode aktif, jam ke CPU, memori, dan periferal diaktifkan, dan sebagian besar blok mungkin dalam mode normal, mode daya rendah, atau mati, seperti yang didefinisikan oleh programmer aplikasi tertanam.
Situs web NXP menawarkan informasi lebih lanjut tentang kemampuan dan aplikasi i.MX RT500. Ini juga menyediakan materi pelatihan yang berbeda seperti catatan aplikasi, video, dan webinar sesuai permintaan.
Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah milik mitra dan belum tentu milik All About Circuits atau penulisnya.
