Otimização do gerenciamento de energia com i.MX RT500 Crossover MCU da NXP

Este artigo fornece uma introdução aos conceitos de gerenciamento de energia de microcontroladores. A família NXP i.MX RT500 de MCUs crossover será usada para fornecer exemplos de como esses conceitos de gerenciamento de energia podem ser empregados por desenvolvedores integrados em seus aplicativos.

Uma consideração importante para os projetistas de MCU é como a energia é gerenciada e distribuída. Sem levar em consideração os relógios da CPU, a memória e os periféricos, os designers podem se ver incapazes de fazer a transição de um design para um produto físico real.

Este artigo fornece uma introdução aos conceitos de gerenciamento de energia do microcontrolador. Isso incluirá uma discussão sobre os modos de energia do MCU e como eles afetam a operação do dispositivo, quanta corrente a peça consome em cada modo e quanto tempo leva para o MCU despertar de um modo de baixa energia. Também investigaremos como os pinos de I / O do MCU e a configuração SRAM influenciam o consumo geral de energia do dispositivo. A família NXP i.MX RT500 de MCUs crossover será usada para fornecer exemplos de como esses conceitos de gerenciamento de energia podem ser empregados por desenvolvedores integrados em seus aplicativos. O i.MX RT500 MCU fornece funções de controle e gerenciamento de energia que permitem que o dispositivo opere com o mínimo de energia possível.

Uma visão geral do i.MX RT500 Crossover MCU

i.MX RT500 é uma família de microcontroladores dual-core baseados em um poderoso núcleo Arm® Cortex®-M33 com uma velocidade de clock de até 200 MHz. A série i.MX RT500 oferece recursos de proteção ricos, como Arm TrustZone® e uma unidade de proteção de memória embutida (MPU) que suporta oito regiões. O coprocessador criptográfico CASPER permite a aceleração de hardware para impulsionar várias funções necessárias para algoritmos criptográficos assimétricos. O acelerador de hardware PowerQuad é outro coprocessador eficiente do crossover MCU i.MX RT500 e auxilia a CPU principal na realização de cálculos DSP. O i.MX RT500 é adequado para aplicações IoT integradas seguras e de baixo consumo de energia, dispositivos IoT, dispositivos auditivos e dispositivos de consumo inteligentes devido ao seu DSP de áudio Cadence® Tensilica® Fusion F1 adicional altamente otimizado, uma GPU 2D dedicada com aceleração de gráficos vetoriais, e várias interfaces de exibição.

Figura 1. Os MCUs i.MX RT500 são adequados para alimentar aplicativos IHM integrados modernos que requerem gráficos e interfaces de usuário rápidos e visualmente agradáveis. Imagem cortesia da NXP.

Os MCUs complexos de sinais mistos geralmente contêm várias fontes de alimentação no chip para melhorar o controle de energia e reduzir o ruído cruzado da fonte de alimentação. Para controle de energia, o núcleo pode funcionar com tensão mais baixa do que as E / Ss. Além disso, as seções não utilizadas de um MCU podem ser desligadas quando não estiverem em uso. Para rejeição de ruído, as fontes de alimentação barulhentas que alimentam a E / S e a lógica digital podem ser isoladas das funções analógicas no chip.

Como um exemplo do uso de trilhos de alimentação separados, a família i.MX RT500 de MCUs tem quatro trilhos de alimentação independentes que fornecem partes diferentes do circuito interno:

1. The V _DDCORE trilho alimenta a lógica principal do chip, DSP, periféricos e memória. Este trilho de alimentação é ajustável entre 0,6 V e 1,1 V, e os engenheiros são livres para usar a PMU interna do dispositivo (unidade de gerenciamento de energia) ou utilizar um PMIC externo (IC de gerenciamento de energia). A voltagem necessária depende da frequência do clock do núcleo antes do divisor de clock da CPU.
2. V _DD1V8 é uma fonte de 1,8 V que comanda funções analógicas no chip além do ADC e do comparador. Este trilho também fornece o módulo PMC integrado, incluindo bandgap, POR, sensor de temperatura e detecção de baixa e alta voltagem. The V _{DD1V8_1} linha fornece energia para a lógica digital no chip.
3. The V _{DD_AO1V8} O trilho fornece energia às partes do dispositivo que estão sempre ativas, como o RTC, o cronômetro de despertar do RTC, o POR sempre ativo e os pinos RESET, LDO_ENABLE, PMIC_IRQ, PMIC_MODE0 e PMIC_MODE1. Este trilho fornece uma fonte de ativação mesmo quando a energia para outros trilhos é removida, permitindo que o MCU acorde de um dos modos de desligamento profundo.
4. V _{DD_IOn} fornece os pinos GPIO do MCU. V _{DDIO_0} , V _{DDIO_1} , V _{DDIO_2} , e V _{DDIO_4} fornecer 1,8 V e V _{DDIO_3} fornece uma tensão de alimentação de até 3,6 V.

Investigando os modos de energia do MCU i.MX RT500

Os MCUs modernos normalmente fornecem vários modos de operação que trocam o consumo de energia pelo desempenho. Nas configurações de potência mais altas, a funcionalidade máxima está disponível com a CPU, memórias e periféricos no chip, todos habilitados e funcionando na frequência de clock mais alta possível. Para reduzir o consumo de energia, os modos de suspensão e desligamento estão disponíveis para reduzir as frequências do clock, reduzir as tensões de alimentação e até desligar completamente as seções não utilizadas do MCU.

No i.MX RT500 MCU, o controlador de gerenciamento de energia (PMC) integrado permite o ajuste fino das condições de entrada de energia para atender aos requisitos de aplicações específicas. Para isso, o MCU permite o uso de tensões mais baixas no trilho VDDCORE quando o chip opera em uma freqüência de clock inferior ou quando o dispositivo está em modo deep sleep. É possível desligar a linha VDDCORE completamente quando o chip está em modo de desligamento. Por padrão, o PMC define o nível de tensão apropriado para a lógica central. No entanto, é possível usar um PMIC externo combinado com os pinos PMIC do MCU para obter o mesmo efeito.



O módulo de gerenciamento de energia oferece suporte a cinco modos de gerenciamento de energia (do maior para o menor consumo de energia):

1. Ativo
   O MCU liga no modo ativo após a reinicialização, e os engenheiros do sistema integrado podem alterar a configuração de energia padrão do dispositivo alterando os valores de registros de sistema específicos. A configuração de energia pode ser alterada durante o tempo de execução, por exemplo, usando uma API de energia dedicada. Nesse modo, os relógios da CPU, memória e periféricos são habilitados e a maioria dos blocos pode estar no modo normal, de baixo consumo de energia ou desligados, conforme definido pelo programador do aplicativo integrado. Além disso, o modo ativo permite que os projetistas e programadores do sistema ajustem o consumo de energia controlando quais periféricos, blocos de memória e acessórios permanecem ativos - a seção 8.4.1.1.1 do manual de referência do i.MX RT500 fornece mais detalhes sobre este .
   
2. Dormir
   Neste modo, o PMC para o relógio para a CPU do sistema, interrompendo as instruções até que um sinal de reinicialização ou uma interrupção ocorra. Este modo permite que os desenvolvedores configurem periféricos para continuar sua operação enquanto a CPU permanece suspensa. Esses periféricos podem gerar interrupções que despertam a CPU e fazem com que o MCU retorne ao modo de energia definido pelos registros PDRUNCFG e PSCCTL. Durante o sono, a CPU mantém os valores de seus registros internos e da SRAM. Os níveis lógicos dos pinos de E / S também permanecem estáticos, a menos que os periféricos ativos mudem de estado. Portanto, este modo de energia elimina a energia dinâmica usada pela CPU, sistema de memória e barramento interno. Observe que o modo de espera não altera o relógio da CPU - ele apenas desativa o relógio da CPU.
   
3. Deep-Sleep
   Este modo desativa os relógios das CPUs e, se não for configurado de outra forma, também desliga os sinais de clock dos periféricos on-chip e blocos analógicos. Os programadores incorporados são livres para configurar blocos individuais para operar em seu estado normal, de baixa energia ou desligado por meio do software. Os registros do dispositivo e as seções SRAM ativadas mantêm seus valores. A API de perfis de energia permite que periféricos selecionados, como USB, DMIC, SPI, I2C, USART, WWDT, RTC e o temporizador micro-tick permaneçam ativos no modo de hibernação. A seção 8.4.1.3.1 do manual de referência do i.MX RT500 fornece mais detalhes sobre o modo de hibernação.
   
4. Desligamento profundo
   Neste modo, a fonte de alimentação e todos os relógios são desabilitados para todo o chip, exceto para o RTC. Esta medida significa que a SRAM e os registros, exceto aqueles no módulo RTC, não podem reter seus valores. Além disso, todos os pinos de função têm três declarações, desde que o dispositivo seja alimentado externamente. Não há outras opções de configuração para este modo.
   
5. Desligamento totalmente profundo
   Este modo desativa todas as fontes externas, exceto para VDD_AO18, VDD_AO1V8 e VDD_EAO. Fontes de ativação podem acionar um POR nos domínios VDD1V8 e VDDCORE.

O despertar dos estados 4 e 5 passa por todo o processo de RESET.

O MCU tem pinos PMIC_MODE dedicados para comunicar mudanças de estado a um PMIC externo ao alternar entre os estados. Inicialmente, há apenas um estado predefinido para esses pinos e os programadores incorporados precisam configurar os pinos PMIC_MODE por meio de software. No modo ativo, o MCU assume o controle sobre os pinos PMIC_MODE. Quando o MCU opera em um dos modos de energia reduzida, o PMIC externo assume o controle. Consulte a seção 8.4.2.1 do manual de referência para obter mais detalhes.

O processo de despertar e tempos típicos de despertar

Intuitivamente, os MCUs demoram mais para acordar dos modos de hibernação mais profundos do que os modos de hibernação com mais periféricos e circuitos habilitados. As fontes de alimentação devem se estabilizar e os osciladores de cristal devem inicializar para permitir que os circuitos reativados funcionem corretamente. Em modos de hibernação mais profundos, geralmente há fontes limitadas disponíveis para despertar o MCU

Para o i.MX RT500, o tempo típico de ativação do modo de hibernação com um clock do sistema de 200 MHz é de cerca de 150 µs. Do modo de hibernação, o dispositivo leva cerca de 120 µs para acordar. Despertar a MCU do estado de desligamento totalmente profundo leva aproximadamente 8,64 milissegundos devido à sequência de REINICIALIZAÇÃO. Observe que esses tempos não são garantidos e algumas restrições se aplicam. Consulte a folha de dados oficial, seção 1.3.4, para obter mais detalhes e as condições de teste. Também é importante observar que o chip sempre desperta para o modo ativo.

Para acordar o MCU quando ele está em um modo de baixo consumo de energia, o programador integrado deve configurar uma ou mais fontes de ativação. No modo de hibernação, qualquer periférico que causa uma interrupção e HWWAKE (Flexcomm Interfaces e atividade do subsistema DMIC) pode despertar o MCU, conforme discutido anteriormente. No modo de suspensão profunda, várias fontes de ativação, como interrupções de pino, o pino de redefinição, periféricos Flexcomm, DMA, DMIC, HWWAKE, SDIO, HASH-AES, CASPER, PowerQuad, ADC, DSP, USB e ACMP podem ser ativados o MCU. Além dessas fontes de despertar, vários temporizadores, como o temporizador de watchdog, o RTC, o temporizador uTick e o temporizador de eventos do sistema operacional também podem fazer com que o MCU retorne do modo de hibernação periodicamente. Quando o MCU está no modo de desligamento profundo, o RTC e uma reinicialização do sistema são as únicas maneiras de despertar o dispositivo.

Consumo de energia estática e dinâmica de pinos de E / S

Os pinos de E / S são um aspecto frequentemente esquecido do consumo total de energia. Os pinos de E / S podem contribuir para o consumo total de energia estática e dinâmica. Dependendo da configuração do resistor de tração interno de cada pino e do nível de tensão, uma corrente estática pode fluir e aumentar o consumo geral de energia do dispositivo. Os pinos de E / S também contribuem para os requisitos de energia dinâmica do MCU sempre que estão comutando. Muitas vezes, os números de energia de uma folha de dados MCU nem mesmo incluem o consumo de energia de qualquer pino de E / S, porque a aplicação depende das cargas externas e da frequência de comutação das E / S.

Os diferentes modos de energia do i.MX RT500 MCU afetam vários periféricos no chip e desabilitam automaticamente alguns dos circuitos do dispositivo para reduzir o consumo geral de energia. Observe que a maioria dos pinos GPIO tem seus resistores internos pull-up e pull-down e buffer de entrada desabilitados na reinicialização. Por exemplo, alguns pinos têm uma configuração diferente para permitir uma depuração mais fácil. No entanto, esse comportamento resulta em pinos GPIO não usados ​​assumindo o modo de alta impedância com os respectivos buffers de entrada desabilitados na reinicialização, a menos que seja especificado de outra forma pelos programadores no registro IOCON. No modo de desligamento profundo, os pinos de E / S flutuam por padrão.

Consumo de energia no modo de suspensão e no modo de suspensão profunda

Vamos agora usar o MCU i.MX RT500 para obter alguns detalhes sobre como a frequência de clock principal de um sistema e a tensão em V _DDCORE afetam o consumo geral de energia do dispositivo:

	12MHz	24 MHz	48 MHz	96 MHz	192 MHz
Modo Ativo (DSP sem relógio)	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
Modo de suspensão (DSP sem relógio)	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

Os modos de sono profundo e desligamento profundo desabilitam o clock da CPU principal e também é possível desligar regiões da SRAM, o que impacta os requisitos gerais de fornecimento de corrente da peça. A tabela a seguir lista a corrente de alimentação para os trilhos de energia ativos no modo de hibernação profunda com 128 KB de SRAM ligado, o LDO interno desabilitado, o array ligado e a periferia desligada a uma temperatura ambiente de cerca de 25 ° C:

Power Rail	Consumo de corrente típico
V DD1V8	8,5 uA
V DDCORE	42 uA
V DD_AO1V8	0,79 uA
Todos V DDIO trilhos combinados	5,61 uA
V DDA_1V8	11,8 uA
V REFP	0,02 uA
USB1_VDD_3V3	1,10 uA

Portanto, o consumo de corrente típico do dispositivo é de cerca de 70 micro Amperes no modo de hibernação. Consulte as tabelas 11 e 12 na folha de dados do dispositivo para mais detalhes e as condições de teste exatas. Quando o MCU está no modo deep power-down ou full deep power-down, a corrente de alimentação típica é de cerca de 15 µA.

Considerações sobre economia de energia SRAM

O gerenciamento de energia também deve considerar as memórias no chip. Para memórias não voláteis como Flash, as memórias podem ser desligadas sem qualquer perda de conteúdo. Para SRAM, o designer embarcado terá que decidir se o conteúdo da memória precisa ser preservado ao usar um modo de baixo consumo de energia. Felizmente, muitos produtos MCU permitem que o designer escolha entre economia máxima de energia com perda total de dados e economia de energia reduzida com retenção total de dados.

O dispositivo i.MX RT500 contém até cinco megabytes de RAM estática no chip, divididos em até 32 partições separadas. Cada partição pode ser acessada por ambas as CPUs, ambos os motores DMA e todos os outros bus masters AHB. Além de outros recursos, é possível colocar cada bloco de forma independente em um modo de retenção de baixa energia ou desligá-lo completamente para reduzir o consumo geral de energia do dispositivo. Esta ação é possível porque cada partição de memória consiste no próprio bloco de memória e na periferia necessária para fazer a interface com o próprio array de memória. Os designers de aplicativos integrados podem economizar energia desligando a periferia enquanto retêm o conteúdo do próprio array de memória.

Levando isso em consideração, os programadores incorporados devem entender que as partições SRAM mais baixas tendem a economizar energia em relação às suas contrapartes superiores, uma vez que a localização física de cada partição SRAM dentro do dispositivo leva a variações de consumo atuais:

Figura 2. Os desenvolvedores devem favorecer o uso de partições SRAM mais baixas sobre as mais altas ao tentar reduzir o consumo geral de energia do MCU. Imagem cortesia da NXP.

A nota do aplicativo i.MX RT500 Power Management e o manual de referência da família i.MX RT500 discutem várias medidas de economia de energia em mais detalhes.

i.MX RT500 MCUs para controle e gerenciamento de energia

Preservar o poder é crucial ao projetar qualquer projeto. O crossover MCU i.MX RT500 oferece funções de controle e gerenciamento de energia que permitem que os dispositivos operem enquanto exigem o mínimo de energia de forma eficiente. No modo ativo, os relógios da CPU, memória e periféricos são ativados e a maioria dos blocos pode estar no modo normal, em modo de baixa energia ou desligados, conforme definido pelo programador do aplicativo integrado.

O site da NXP oferece mais informações sobre os recursos e aplicativos do i.MX RT500. Ele também fornece diferentes materiais de treinamento, como notas de aplicação, vídeos e webinars sob demanda.

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