Optimización de la administración de energía con la MCU cruzada i.MX RT500 de NXP

Este artículo proporciona una introducción a los conceptos de administración de energía de microcontroladores. La familia NXP i.MX RT500 de MCU cruzados se utilizará para proporcionar ejemplos de cómo los desarrolladores integrados pueden emplear estos conceptos de administración de energía en sus aplicaciones.

Una consideración clave para los diseñadores de MCU es cómo se administra y distribuye la energía. Sin tener en cuenta los relojes de la CPU, la memoria y los periféricos, los diseñadores podrían verse incapaces de realizar la transición de un diseño a un producto físico real.

Este artículo proporciona una introducción a los conceptos de administración de energía de microcontroladores. Esto incluirá una discusión sobre los modos de energía de la MCU y cómo afectan el funcionamiento del dispositivo, cuánta corriente consume la pieza en cada modo y cuánto tiempo tarda la MCU en despertarse de un modo de bajo consumo. También investigaremos cómo los pines de E / S de la MCU y la configuración de SRAM influyen en el consumo de energía general del dispositivo. La familia NXP i.MX RT500 de MCU cruzados se utilizará para proporcionar ejemplos de cómo los desarrolladores integrados pueden emplear estos conceptos de administración de energía en sus aplicaciones. El MCU i.MX RT500 proporciona funciones de control y administración de energía que permiten que el dispositivo funcione con la menor cantidad de energía posible.

Descripción general de la MCU cruzada i.MX RT500

i.MX RT500 es una familia de microcontroladores de doble núcleo basados ​​en un potente núcleo Arm® Cortex®-M33 con una velocidad de reloj de hasta 200 MHz. La serie i.MX RT500 ofrece funciones de protección completas, como Arm TrustZone® y una unidad de protección de memoria (MPU) incorporada que admite ocho regiones. El coprocesador criptográfico CASPER permite la aceleración del hardware para impulsar varias funciones necesarias para los algoritmos criptográficos asimétricos. El acelerador de hardware PowerQuad es otro coprocesador eficiente del MCU cruzado i.MX RT500 y ayuda a la CPU principal a realizar cálculos DSP. El i.MX RT500 es adecuado para aplicaciones HMI integradas seguras y de bajo consumo, dispositivos de IoT, dispositivos de audio y dispositivos de consumo inteligentes debido a su DSP de audio Cadence® Tensilica® Fusion F1 adicional altamente optimizado, una GPU 2D dedicada con aceleración de gráficos vectoriales, y varias interfaces de visualización.

Figura 1. Las MCU i.MX RT500 son aptas para alimentar aplicaciones HMI integradas modernas que requieren interfaces de usuario y gráficos rápidos y agradables a la vista. Imagen cortesía de NXP.

Las MCU complejas de señal mixta a menudo contienen múltiples fuentes de alimentación en el chip para mejorar el control de la energía y reducir el ruido de la fuente de alimentación. Para el control de energía, el núcleo puede funcionar a un voltaje más bajo que las E / S. Además, las secciones no utilizadas de una MCU se pueden apagar cuando no están en uso. Para rechazar el ruido, las fuentes de alimentación ruidosas que alimentan la E / S y la lógica digital se pueden aislar de las funciones analógicas en el chip.

Como ejemplo del uso de rieles de alimentación separados, la familia de MCU i.MX RT500 tiene cuatro rieles de alimentación independientes que suministran diferentes partes de los circuitos internos:

1. V _DDCORE Rail alimenta la lógica principal, el DSP, los periféricos y la memoria del chip. Este riel de suministro es ajustable entre 0,6 V y 1,1 V, y los ingenieros pueden usar la PMU (unidad de administración de energía) interna del dispositivo o utilizar un PMIC (IC de administración de energía) externo. El voltaje requerido depende de la frecuencia del reloj central antes del divisor de reloj de la CPU.
2. V _DD1V8 es una fuente de 1.8 V que maneja funciones analógicas en chip distintas al ADC y al comparador. Este riel también alimenta el módulo PMC incorporado, que incluye banda prohibida, POR, sensor de temperatura y detección de bajo y alto voltaje del núcleo. El V _{DD1V8_1} La línea suministra energía a la lógica digital en el chip.
3. V _{DD_AO1V8} El carril proporciona energía a las partes del dispositivo que están siempre encendidas, como el RTC, el temporizador de activación del RTC, el POR siempre encendido y los pines RESET, LDO_ENABLE, PMIC_IRQ, PMIC_MODE0 y PMIC_MODE1. Este riel proporciona una fuente de activación incluso cuando se quita la energía a otros rieles, lo que permite que la MCU se despierte de uno de los modos de apagado profundo.
4. V _{DD_IOn} suministra los pines GPIO de la MCU. V _{DDIO_0} , V _{DDIO_1} , V _{DDIO_2} y V _{DDIO_4} proporcionar 1.8 V y V _{DDIO_3} proporciona una tensión de alimentación de hasta 3,6 V.

Investigación de los modos de alimentación del MCU i.MX RT500

Las MCU modernas suelen proporcionar varios modos de funcionamiento que intercambian el consumo de energía por el rendimiento. En la configuración de energía más alta, la funcionalidad máxima está disponible con la CPU, las memorias y los periféricos en el chip, todos habilitados y funcionando a la frecuencia de reloj más alta posible. Para reducir el consumo de energía, los modos de suspensión y apagado están disponibles para reducir las frecuencias de reloj, reducir los voltajes de suministro e incluso apagar por completo las secciones no utilizadas de la MCU.

En el MCU i.MX RT500, el controlador de administración de energía (PMC) incorporado permite ajustar las condiciones de entrada de energía para que coincidan con los requisitos de aplicaciones específicas. Para ese propósito, la MCU permite usar voltajes más bajos en el riel VDDCORE cuando el chip se ejecuta a una frecuencia de reloj más baja o cuando el dispositivo está en modo de suspensión profunda. Es posible apagar la línea VDDCORE por completo cuando el chip está en modo de apagado. De forma predeterminada, el PMC establece el nivel de voltaje apropiado para la lógica del núcleo. Sin embargo, es posible utilizar un PMIC externo combinado con los pines PMIC del MCU para lograr el mismo efecto.

El módulo de administración de energía admite cinco modos de administración de energía (en orden de mayor a menor consumo de energía):

1. Activo
   La MCU se enciende en modo activo después del reinicio, y los ingenieros del sistema integrado pueden cambiar la configuración de energía predeterminada del dispositivo cambiando los valores de registros específicos del sistema. La configuración de energía se puede cambiar durante el tiempo de ejecución, por ejemplo, utilizando una API de energía dedicada. En este modo, los relojes de la CPU, la memoria y los periféricos están habilitados, y la mayoría de los bloques pueden estar en modo normal, en modo de bajo consumo o apagados, según lo defina el programador de aplicaciones integradas. Además, el modo activo permite a los diseñadores y programadores del sistema ajustar el consumo de energía controlando qué periféricos, bloques de memoria y accesorios permanecen activos; la sección 8.4.1.1.1 del manual de referencia del i.MX RT500 proporciona más detalles sobre este tema. .
   
2. Suspensión
   En este modo, el PMC detiene el reloj de la CPU del sistema, deteniendo las instrucciones hasta que se produzca una señal de reinicio o una interrupción. Este modo permite a los desarrolladores configurar periféricos para continuar su funcionamiento mientras la CPU permanece suspendida. Estos periféricos pueden generar interrupciones que despiertan la CPU y hacen que la MCU vuelva al modo de energía definido por los registros PDRUNCFG y PSCCTL. Mientras duerme, la CPU mantiene los valores de sus registros internos y la SRAM. Los niveles lógicos de los pines de E / S también permanecen estáticos a menos que los periféricos activos cambien su estado. Por lo tanto, este modo de energía elimina la energía dinámica utilizada por la CPU, el sistema de memoria y el bus interno. Tenga en cuenta que el modo de suspensión no cambia el reloj de la CPU, solo desactiva el reloj de la CPU.
   
3. Deep-Sleep
   Este modo deshabilita los relojes de las CPU y, si no se configura de otra manera, también apaga las señales de reloj de los periféricos en chip y bloques analógicos. Los programadores integrados son libres de configurar bloques individuales para que operen en su estado normal, de bajo consumo o apagado a través del software. Los registros de dispositivos y las secciones SRAM habilitadas conservan sus valores. La API de perfiles de energía permite que los periféricos seleccionados, como USB, DMIC, SPI, I2C, USART, WWDT, RTC y el temporizador de micro-tic, permanezcan activos en el modo de suspensión profunda. La sección 8.4.1.3.1 del manual de referencia de i.MX RT500 proporciona más detalles sobre el modo de sueño profundo.
   
4. Apagado profundo
   En este modo, la fuente de alimentación y todos los relojes están desactivados para todo el chip excepto para el RTC. Esta medida significa que la SRAM y los registros, excepto los del módulo RTC, no pueden conservar sus valores. Además, todos los pines de función tienen tres estados siempre que el dispositivo se alimente externamente. No hay más opciones de configuración para este modo.
   
5. Desconexión total profunda
   Este modo desactiva todos los suministros externos excepto VDD_AO18, VDD_AO1V8 y VDD_EAO. Las fuentes de activación pueden activar un POR en los dominios VDD1V8 y VDDCORE.

El despertar de los estados 4 y 5 pasa por todo el proceso de RESET.

La MCU tiene pines PMIC_MODE dedicados para comunicar los cambios de estado a un PMIC externo cuando se cambia entre estados. Inicialmente, solo hay un estado predefinido para estos pines, y los programadores integrados tienen que configurar los pines PMIC_MODE a través del software. En modo activo, la MCU toma el control de los pines PMIC_MODE. Cuando la MCU funciona en uno de los modos de potencia reducida, el PMIC externo toma el control. Consulte la sección 8.4.2.1 del manual de referencia para obtener más detalles.

El proceso de activación y los tiempos habituales de activación

Intuitivamente, las MCU tardan más en despertarse de los modos de suspensión más profundos que los modos de suspensión con más periféricos y circuitos habilitados. Las fuentes de alimentación deben estabilizarse y los osciladores de cristal deben iniciarse para permitir que los circuitos reactivados funcionen correctamente. En los modos de sueño más profundos, a menudo hay fuentes limitadas disponibles para activar la MCU

Para el i.MX RT500, el tiempo típico de activación desde el modo de suspensión con un reloj del sistema de 200 MHz es de alrededor de 150 µs. Desde el modo de suspensión profunda, el dispositivo tarda aproximadamente 120 µs en activarse. Despertar la MCU desde el estado de apagado total profundo toma aproximadamente 8,64 milisegundos debido a la secuencia de RESET. Tenga en cuenta que estos tiempos no están garantizados y se aplican algunas restricciones. Consulte la hoja de datos oficial, sección 1.3.4, para obtener más detalles y las condiciones de prueba. También es importante tener en cuenta que el chip siempre se activa en modo activo.

Para activar la MCU cuando está en modo de bajo consumo, el programador integrado debe configurar una o más fuentes de activación. En el modo de suspensión, cualquier periférico que provoque una interrupción y HWWAKE (Interfaces Flexcomm y actividad del subsistema DMIC) puede reactivar la MCU, como se discutió anteriormente. En el modo de suspensión profunda, varias fuentes de activación, como interrupciones de clavijas, clavija de reinicio, periféricos Flexcomm, DMA, DMIC, HWWAKE, SDIO, HASH-AES, CASPER, PowerQuad, ADC, DSP, USB y ACMP pueden activarse hasta el MCU. Además de estas fuentes de activación, varios temporizadores, como el temporizador de vigilancia, el RTC, el temporizador uTick y el temporizador de eventos del sistema operativo, también pueden hacer que la MCU vuelva del modo de suspensión periódicamente. Cuando la MCU está en el modo de apagado profundo, el RTC y un reinicio del sistema son las únicas formas de reactivar el dispositivo.

Consumo de energía estático y dinámico de los pines de E / S

Los pines de E / S son un aspecto del consumo total de energía que a menudo se pasa por alto. Los pines de E / S pueden contribuir al consumo total de energía estática y dinámica. Dependiendo de la configuración de la resistencia de extracción interna de cada pin y el nivel de voltaje, una corriente estática puede fluir y aumentar el consumo de energía general del dispositivo. Los pines de E / S también contribuyen a los requisitos de potencia dinámica de la MCU cada vez que cambian. Muchas veces, los números de energía de una hoja de datos de MCU ni siquiera incluyen el consumo de energía de los pines de E / S porque la aplicación depende de las cargas externas y la frecuencia de conmutación de las E / S.

Los diferentes modos de alimentación del MCU i.MX RT500 afectan a varios periféricos integrados en el chip y desactivan automáticamente algunos de los circuitos del dispositivo para reducir su consumo total de energía. Tenga en cuenta que la mayoría de los pines GPIO tienen sus resistencias internas pull-up y pull-down y el búfer de entrada desactivado en el reinicio. Por ejemplo, algunos pines tienen una configuración diferente para permitir una depuración más sencilla. Sin embargo, este comportamiento da como resultado que los pines GPIO no utilizados pasen por defecto a su modo de alta impedancia con los búferes de entrada respectivos deshabilitados en el reinicio, a menos que los programadores especifiquen lo contrario en el registro IOCON. En el modo de apagado profundo, los pines de E / S están flotando de forma predeterminada.

Consumo de energía en modo de suspensión y modo de suspensión profunda

Usemos ahora la MCU i.MX RT500 para obtener algunos detalles sobre cómo la frecuencia y el voltaje del reloj principal de un sistema en V _DDCORE afectar el consumo de energía general del dispositivo:

	12 MHz	24 MHz	48 MHz	96 MHz	192 MHz
Modo activo (DSP sin reloj)	1,62 mA 0,7 V	2,5 mA 0,7 V	4,33 mA 0,7 V	9,35 mA 0,8 V	20,73 mA 0,9 V
Modo de suspensión (DSP sin reloj)	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

Los modos de suspensión profunda y apagado profundo desactivan el reloj de la CPU principal, y también es posible apagar regiones de la SRAM, lo que afecta los requisitos generales de corriente de suministro de la pieza. La siguiente tabla enumera la corriente de suministro para los rieles de energía activos en modo de suspensión profunda con 128 KB de SRAM encendido, el LDO interno deshabilitado, el arreglo encendido y la periferia apagada a una temperatura ambiente de alrededor de 25 ° C:

Power Rail	Consumo de corriente típico
V DD1V8	8.5 uA
V DDCORE	42 uA
V DD_AO1V8	0,79 uA
Todo V DDIO rieles combinados	5.61 uA
V DDA_1V8	11,8 uA
V REFP	0,02 uA
USB1_VDD_3V3	1.10 uA

Por lo tanto, el consumo de corriente típico del dispositivo es de alrededor de 70 microamperios en modo de suspensión profunda. Consulte las tablas 11 y 12 en la hoja de datos del dispositivo para obtener más detalles y las condiciones de prueba exactas. Cuando la MCU se encuentra en el modo de apagado profundo o de apagado total, la corriente de suministro típica es de alrededor de 15 µA.

Consideraciones sobre el ahorro de energía de SRAM

La administración de energía también debe considerar las memorias en chip. Para las memorias no volátiles como Flash, las memorias se pueden apagar sin perder el contenido. Para SRAM, el diseñador integrado tendrá que decidir si es necesario conservar el contenido de la memoria cuando se utiliza un modo de bajo consumo. Afortunadamente, muchos productos MCU permiten al diseñador elegir entre el máximo ahorro de energía con pérdida total de datos y ahorro de energía reducido con retención total de datos.

El dispositivo i.MX RT500 contiene hasta cinco megabytes de RAM estática en el chip dividida en hasta 32 particiones separadas. Cada partición es accesible para ambas CPU, ambos motores DMA y todos los demás maestros de bus AHB. Además de otras funciones, es posible colocar de forma independiente cada bloque en un modo de retención de baja energía o apagarlo por completo para reducir el consumo general de energía del dispositivo. Esta acción es posible porque cada partición de memoria consta del bloque de memoria en sí y la periferia requerida para interconectar la matriz de memoria. Los diseñadores de aplicaciones integradas pueden ahorrar energía apagando la periferia mientras retienen el contenido de la matriz de memoria.

Teniendo esto en cuenta, los programadores integrados deben comprender que las particiones SRAM más bajas tienden a ahorrar energía en relación con sus contrapartes superiores, ya que la ubicación física de cada partición SRAM dentro del dispositivo genera variaciones de consumo de corriente:

Figura 2. Los desarrolladores deberían favorecer el uso de las particiones SRAM más bajas en lugar de las más altas cuando intentan reducir el consumo de energía general de la MCU. Imagen cortesía de NXP.

La nota de la aplicación de administración de energía i.MX RT500 y el manual de referencia de la familia i.MX RT500 discuten varias medidas de ahorro de energía con más detalle.

MCU i.MX RT500 para control y administración de energía

Conservar el poder es fundamental al diseñar cualquier proyecto. El MCU cruzado i.MX RT500 ofrece funciones de control de energía y administración de energía que permiten que los dispositivos funcionen y requieran la menor cantidad de energía posible de manera eficiente. En el modo activo, los relojes de la CPU, la memoria y los periféricos están habilitados, y la mayoría de los bloques pueden estar en modo normal, en modo de bajo consumo o apagados, según lo defina el programador de la aplicación integrada.

El sitio web de NXP ofrece más información sobre las capacidades y aplicaciones de i.MX RT500. También proporciona diferentes materiales de capacitación, como notas de la aplicación, videos y seminarios web bajo demanda.

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