Aplicações de Ultra Baixo Consumo (Extreme Low-Power) com MCUs

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(XLP)

Aplicações de Ultra Baixo Consumo (Extreme Low-Power) com MCUs

© 2009 Microchip Technology Inc. - Direitos Reservados XLP – Aplicações de Ultra-Baixo Consumo Energia Slide 2

Objetivos

� Ao fim desta aula você saberá:� Boas práticas de projeto para

aplicações de baixo consumo� O que é tecnologia nanoWatt XLP� Como usar recursos de baixo

consumo disponíveis nos MCUsPIC®

� Várias dicas e truques para reduzir o consumo em uma aplicação


Agenda

� Começando com aplicações de baixo consumo

� Visão geral das tecnologias nanoWatt e nanoWatt XLP

� Modos de baixo consumo no MCU PIC®

� Dicas & Truque de baixo consumo� Demonstração


Começando com aplicações de baixo consumo


O que é baixo consumo?

� Aplicações com baterias� Reduzir o duty cycle� Minimizar corrente em sleep mode

� Aplicações alimentadas na rede� Execução eficiente� Minimizar potência dinâmica� Reduzir freqüência de clock


O que é baixo consumo?Tipos de potência consumida

� Potência Dinâmica� Potência consumida quando o

circuito está ativo e com oscilador funcionando

� Potência Estática� Potência consumida quando VDD é

aplicado ao circuito � É independente do uso do circuito


Corrente Média = Iativo x tativo+ Ipowerdown x tpowerdown

tativo + tpowerdown

O que é baixo consumo?Calculando PotênciaC

orre

nte

Tempo de Operação

Potência Dinâmica -Modo ativo com MCU rodando

Redução Potência

Potência Estatica- Modo Power

Down

Tempo de Wake-up

Potência Dinâmica -Modo ativo com MCU rodando


O que é baixo consumo?Potência Dinâmica

� Perdas de chaveamento em CMOS

� Capacitância de Gate é a principal causa

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O que é baixo consumo?Potência Dinâmica

� Variáveis controláveis� Tensão (V)� Freqüência (f)

� V & f afetam a corrente de chaveamento e as perdas capacitivas

CVfI =dtdVIC=

Selecionável & controlável na Aplicação

Definido, principalmente, pelo projeto do

CI. Em parte afetado pelos

periféricos


� Causada por perdas nos transistores

� Afetada por:� Geometria

Processo� Tensão� Temperatura

O que é baixo consumo?Potência Estática

Source Drain

VD = 2.5V

VG = 0V

Corrente Perda Sub-threshold

(<Vth)

VS = 0V


1. Definições e seleções iniciais para a aplicação

2. Fazer um “orçamento” de consumo3. Reduzir consumo nos piores casos

� Fonte de Alimentação� Componentes� Projeto do PCB� Algoritmos

4. Verificar o consumo de potência

O Processo de Baixo Consumo

MCU MCU éé o o cabecabeçça: ele a: ele controla controla vváárias rias partes!partes!


Exemplo de Aplicação

Sinal de entrada medido

Indica quando medir ou apresentar resultado

Cristal 32 kHz, WDT, Interrupção Externa

Amostra e processadados.

Escreve a saída na memória/displayControla sistema para minimizar corrente consumida

Saída do sinal medido

EEPROM, LCD, RF, USB, SD Card

PIC MCUMemória ou

Display

WakeupSinais

SensorWakeupSinais


Estados da Aplicação

� Inicialização� Amostragem� Processamento� Saída� Sleep

Amostra

Sleep

Inicialização Amostragem

Processamento Saída

Saída

PIC MCUMemória ou

Display

WakeupSinais

Sensor


“Orçamento” de Potência Consumida

A 23.89mS1000

mSA 23,892Total TempoTotal CargaMédia Corrente

µ

µ =⋅

==

mA 2.1 Pico Corrente =

1. Calcular Corrente Média

2. Identificar Corrente de Pico

3. Identificar Piores Casos2.000,0OnSaída

0,0OffWakeup

100,0RunMCU21000102100,0

0,0OffSensor

Saída

0,0OffSaída

0,0OffWakeup

100,0RunMCU1001100,0

0,0OffSensor

Processa

0,0OffSaída

0,0OffWakeup

100,0RunMCU210012100,0

2.000,0OnSensor

Amostra

0,0OffSaída

0,0OffWakeup

100,0RunMCU1001100,0

0,0OffSensor

Inicia

0,0OffSaída

0,5OnWakeup

0,1SleepMCU592,29870,6

0,0OffSensor

Sleep

Carga (µµµµA*ms)Tempo (ms)Corrente (µµµµA)BlocoEstado


DemonstraçãoEstimador de tempo útil de

Bateria para Tecnologia nanoWatt XLP


Tempo útil de Bateria


Seleção da Fonte de Alimentação

� Procure oportunidades de melhorias� Reduzir tensão de saída do regulador� Reguladores de maior eficiência

� Selecionar a bateria correta !� Conheça as características de cada

química� Limites de corrente Contínua e Pulsada


Seleção de Componentes

� Não olhe apenas no datasheet� uA/MHz não conta

toda a história

� Calcule ou meça a corrente consumida em cada tarefa da aplicação

# MHz/Ciclo?

# Ciclos/Instrução?

Outras questões:

- Precisão analógica degrada?

- São necessários mais componentes externos?

- Existe variação significativa de parte para parte?


Medindo Potência Consumida

� Multímetro� Menor corrente é ~0.1 µA

(multímetros portáteis) � Mede corrente média, não

picos� Resistor shunt em VDD

� R viável depende da corrente� R grande pode gerar BOR

� Descarga capacitor VDD� Útil na medida de correntes

muito baixas

R


Recursos de baixa potência Microcontroladores PIC®


Recursos Importantes para economizar potência em MCU

� Flexibilidade de operação� Diversas opções de clock� Configurações de periféricos e fontes de

wake-up para modos operação de baixa potência

� Osciladores de baixa potência � Para temporização c/ WDT, Timer1,

RTCC� Entradas digitais com baixa perda� Wake-up em instantes apropriados


Tecnologias nanoWatt e nanoWatt XLP

� Requisitos da tecnologia nanoWatt XLP para Baixo Consumo Extremo� Corrente em Sleep < 100 nA� RTCC/Timer1 < 800 nA� WDT < 800 nA

� Recursos Tecnologia nanoWatt XLP� Deep Sleep� Baixa corrente de perda nas entradas� BOR de baixo consumo� Wake-up ultra-baixo consumo (ULPWP)� Inicialização com 2 clocks diferentes


Componentes com Tecnologia nanoWatt XLP

Todos os dados retirados das especificações dos componentes

1.81.81.81.81.821.81.8Minimum VDD

200-270300195170150272300110

1 MHz Run (µA)

50100050550555I/O Port Leakage (nA)

70080052079060082050060032 kHz Osc/RTC (nA)

300-7004200420450500830500500

WDT (nA)

10010025246054*10020Sleep (nA)

--20--13*--Deep Sleep (nA)

MS

P430F21X

1/M

SP

430F21X2/

MS

P430F22X

2/4

Atm

elA

Tmega48/88/

168/328P

PIC

24F16KA

102

PIC

18LF14K50

PIC

16LF193X

PIC

18(L)F46J11

PIC

18F46K20

PIC

16LF72X


Recursos de Baixo ConsumoMCU PIC®

� Visão detalhada dos recursos de gerenciamento de potência� Modos de Potência Dinâmica

�Idle�Doze�Chaveamento de Clock

� Modos de Potência Estática�Sleep�Deep Sleep


Modo Execução (Run)

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Modo Idle

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� 25% da corrente no Modo Run


Modo Doze

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� Redução 35~75% da corrente no Modo Run


Modos Idle & Doze

� Quando Idle/Doze deve ser usado?� Substituir while(!Interrupt)loops� Períodos de power-down curtos

necessitando de wakeup rápido (~1 instrução)

� Realizando transferências por DMA� Exemplo de Aplicação

� Medidor de Energia – continua medição e comunicação com redução da potência consumida


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Chaveamento de Clock


Chaveamento de Clock

� Clock lento economiza mais potência que modo Idle/Doze

� Usado para startup rápido com PLL� Usado quando aguarda um evento

sem periféricos rápidos� Periféricos Analógicos

� Exemplo de Aplicação� Medição com baixa taxa de amostragem


Modo Sleep

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'��/0��0��1,

� 50-100 nA sem regulador

� 3-5 µA com regulador


Modo Sleep

� Sleep é o modo de baixo consumo mais comum� Não há perda de dados ou funcionalidade� Wakeup rápido� Grande economia de potência

� Pode ser usado pela maioria das aplicações� O MCU está o tempo todo aguardando um

evento


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Modo Deep Sleep

Módulos baixo consumo

específicos Deep Sleep

� <50 nA


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Modo Deep Sleep

� Desativação de VDDcore causa perda dos dados da RAM, SFRs e Contador de Programa (PC)

� O wake-up écomo um POR (power-on reset)

� Estados dos pinos de I/O são mantidos


Modo Deep Sleep

� DPSLP requer re-inicialização� Quando DPSLP deve ser usado?

� DPSLP é melhor quando períodos power-down são longos

DSI - Sleep

IInit

IInit

T PORIPORT

BreakevenT

×+×=

Redução de corrente com DPSLP

“custo” de usar DPSLP


Modo Deep Sleep

� Exemplo de Aplicações� Equipamentos médicos portáteis

� Termômetros, Alarmes Médicos de Emergência, Medidor/Monitor de Glicose

� Amostra iniciada manualmente� Retenção de RAM não necessária


Resumo Modos Baixo Consumo


Outros Recursos para Reduzir Consumo

� DMA/FIFOs� Inicialização com 2 clocks� ULPWU (Wakeup Ultra-baixo

Consumo)� WDT/DSWDT (Deep Sleep WDT)� BOR/DSBOR (Deep Sleep BOR)� PMD (Bits Desabilitação Periféricos)


Dicas & TruquesBaixo Consumo com MCU PIC®


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Dica 1: Controle Circuitos Externos

� Circuitos externos sempre alimentados� Deve depender dos modos de espera do

sistema


Dica 1: Controle Circuitos Externos

� MCU PIC® controla alimentação com I/O� Usar FET/LoadSwitch para circuitos alta

corrente ou tensão diferente


Dica 2: Bateria Backup

� Lógica OU com diodos pode controlar bateria backup� Entrada analógica

mede tensão da bateria

� Entrada digital testa fonte externa


Dica 3: I/O “abertos”

� Não deixar pinos de entrada “abertos”� Configure GPIO não usado como

saída� Usar pull-up ou pull-down

Quantidade de Pinos abertos Caso Ruim Pior Caso

1 Pino aberto 35 µA 0.5 mA2 Pinos abertos 65 µA 1 mA10 Pinos abertos 305 µµµµA 5 mA


Dica 4: Reduzir Tensão

� Reduzir a tensão do sistema afeta as correntes dinâmica & estática

� Use reguladores de saída mais baixa

� Use diodos para reduzir tensão� CIs funcionam em uma faixa de

tensões� CIs de 3V funcionam desde ~2V� CIs de 5V funcionam desde ~3V


Dica 5:Desabilitar Regulador Interno

� VREG consome mais corrente estática� Reduzir VDDCORE reduz corrente

dinâmica

VDD VDDCORE IPD VREG3.3V 2.5V 3.5 uA On3.3V 2.5V 0.3 uA Off3.3V 2.0V 0.2 uA Off

VDD VDDCORE IDD VREG3.3V 2.5V 3.6 mA On3.3V 2.0V 2.2 mA Off


Dica 6: Evite uso excessivo RAM

Alta Potência:while(!_T1IF) i++;

Baixa Potência:while(!_T1IF){

i++;

Nop();

Nop();

Nop();

Nop();

Nop();

}

� Acesso a RAM e SFR necessita mais corrente que NOPs� Coloque NOPs em

seções não-críticas para reduzir potência média

19.1 mA

16.4 mA


Dicas Gerais

� Use pull-up internos para botões� pull-up internos podem ser

desabilitados após leitura.� Use LEDs alta potência

� LEDs alto brilho alimentados com baixa corrente ainda são visíveis(LEDs > 1000 mcd e menos de 20 )


Dicas Gerais

� Use pull-ups de resistência alta� Use capacitores de baixa perda

� Tântalo costumam ter alta perda� Cerâmicos tem perda mais baixa

� Use capacitores bypass com moderação

� Trilhas curtas = baixa impedância


Portifolio de Produtos


Desempenho

Func

iona

lidad

e

Ampla Oferta de Produtos

MPLAB® - Ambiente

de Desenvolvimento

Integrado Único

Portfolio nanoWatt XLP

PIC16LF72X

PIC18F46K20

PIC18F46J11PIC18F46J50

PIC24F16KAmTouch

nanoWatt XLP

nanoWatt XLP55

Produtos

PIC16LF193X(LCD)

PIC18LF1XK22PIC18LF1XK50

Disponíveis

Previstos

PIC24FJ64mTouch

PIC24F04KAmTouch

PIC16LF182X


Selecionando XLP no MAPS


Portfolio nanoWatt XLP

195520420202520/288-16PIC24F16KA102(mTouch)

195470370202514/204PIC24F04KA201(mTouch)

150650460-34208-16PIC18F14K22

150600500-9028/447-28PIC16LF1937(LCD)

13

13

-

-

-

DeepSleep(nA)

28/44

28/44

28/44

20

28/44

Pinos

272

272

300

170

110

1MHz Run(µA)

8138135416-64PIC18F46J50

8138135416-64PIC18F46J11

6006001008-64PIC18F46K20

790450248-16PIC18F14K50

500500203.5-14PIC16LF727(mTouch)

RTC*(nA)

WDT*(nA)

Sleep(nA)

Memória Flash

KB

Família de MCU PIC

Todos valores são típicos com Vdd mínimo, retirados dos datasheets. * Corrente em Sleep considerando consumo de WDT e/ou RTC. Corrente de perda típica por pino de I/O 50nA


PIC24F16KA MCU 16-bit

� Otimizado para Bateria�� DeepDeep SleepSleep (DS) 20 nA(DS) 20 nA� RTCC 500 nA� DSWDT 400 nA� DSBOR 50 nA� Várias fontes Wake-up

� INT0, RTCC, DSWDT, POR/BOR, MCLR

� I/Os mantidos em DeepSleep

� EEPROM interna

� mTouch™ CapacitivoDisponível em encapsulamentos de 20 & 28 pinos


PIC18F46J11 MCU 8-bit

� Rico em recursos, Baixo consumo�� Modo Modo DeepDeep SleepSleep (DS)(DS)

�� < 20 nA< 20 nA� DSBOR, DSWDT, RTCC � Várias fontes Wake-up

�� PerifPerifééricos de 80ricos de 80--pinos em pinos em encapsulamentoencapsulamento de 28/44 de 28/44 pinospinos� Remapeamento dos I/Os

Digitais� mTouch™ Capacitivo� até 4 seriais� até 5 timers, 8 PWMs� 64 KB Flash & 4 KB RAM

� Oscilador Interno +/- 1%

Disponível em encapsulamentos de 28 & 44 pinos


PIC18F46J50 MCU 8-bit� Baixo Consumo + USB

�� Modo Modo DeepDeep SleepSleep�� < 20 nA< 20 nA� DSBOR, DSWDT, RTCC� Várias fontes Wake-up

�� USB USB FullFull--SpeedSpeed�� Oscilador USB Integrado Oscilador USB Integrado ……

Sem Cristal ExternoSem Cristal Externo

�� PerifPerifééricos de 80ricos de 80--pinos pinos em em encapsulamentoencapsulamento de de 28/44 pinos28/44 pinos

� mTouch™ CapacitivoDisponível em encapsulamentos de 28 & 44 pinos


PIC18F13K50 / 14K50� USB 2.0 + Vários

Periféricos� ECCP, I2C/SPI, 10-bit ADC

� Encapsulamentospequenos - QFN 5x5 mm� Menor ecapsulamento USB do

mercado

Low Pincount USB Kit (DV164126)


PIC16F1934/6/7LCD & Uso Geral

Recursos� 1 Produto com Enhanced Core

� Latência de interrupção reduzida� Pilha em hardware 16 níveis

� até 14KB Memória Flash Self-Write� até 512B RAM & 256B EEPROM� Oscilador Interno 32MHz – Desempenho 8

MIPS� 1.8V-5.5V nos modelos ‘F’� nanoWatt XLP™ nos modelos “LF” (1.8V-

3.6V)� Sleep 90 nA� WDT 500 nA� Oscilador Timer1 600 nA

Periféricos� mTouch Capacitivo (até 16 canais)� Integrated LCD Drive (até 96 segmentos)� 2 CCP & 3 ECCP com 3 Bases Tempo

Independentes� Até 14 canais ADC de 10bit� 2 Comparators� Master SPI/I2C™ and EUSART� 4 timers 8-bit e 1 de 16-bit. RTCC baixo

consumo� WDT, BOR, POR

PIC16F/LF1936� 28-pin SPDIP, SOIC, SSOP, 6x6 QFN, 4x4 UQFNPIC16F/LF1934, PIC16F/LF1937� 40-pin PDIP, TQFP, 8x8 QFN, 6x6 UQFN


Recursos� até 16KB Memória Flash Self-Write� até 512B RAM & 256B EEPROM� Oscilador Interno 64 MHz � 1.8V-5.5V nos modelos ‘F’� nanoWatt XLP™ nos modelos “LF”

(1.8V-3.6V)� Sleep: <50 nA� WDT: <600 nA� Oscillator Timer1: <800 nA @ 32 kHz

Periféricos� Até 12 canais de ADC 10-bit� 2 Comparadores rail-to-rail� Latch SR� Até 4 timers� 1 I2C master / SPI� 1 EUSART� 1 ECCP

PIC18F1XK22 Uso Geral

Encapsulamentos de 20-pin SSOP, PDIP SOIC,QFN 4x4


Ferramentas de Desenvolvimento Recomendadas

PICDEM™ Lab Development KitPart Number: DM163035

Suporta MCUs 8-bit comuns ( 20 pinos)

PIC18 Explorer Board Part Number: DM183032PIC18F46J11 Plug-In Module: MA180023

PIC18F4XK20 Starter KitPart Number: DM164124Para PIC18F4X/2XK20

PIC1846J50 FS USB Part Number: MA180024

Explorer16 Board Part Number: DM240001PIC24F16KA102 Plug-In Module: MA240017


Ferramentas Desenvolvimento

� Ferramentas disponíveis� PIC18F1XK50 Low-Pin count USB

(DM164127)� PIC18F4XK20 Starter Kit (DM164124)� PIC24F16KA102 PIM para Explorer16

(MA240017)� PIC18F46J11 PIM para PIC18 Explorer

(MA240017)

Development Tools em www.microchip.com/xlp


Referências� www.microchip.com/xlp

� AN1267 – Introdução tecnologia XLP� AN879 – Usando ULPWU� AN1095 – Emulação de EEPROM� Capítulo 2 Tips n’ Tricks compilado

� Especificações de Baterias� www.data.energizer.com� www.panasonic.com/industrial/battery


Resumo

� Hoje falamos de:� Melhores práticas para aplicações de

baixo consumo� O que é a tecnologia nanoWatt XLP� Modos de baixo consumo MCU PIC®

� Dicas & Truques para baixo consumo


Perguntas


Obrigado !!


Marcas Registradas� O nome Microchip e logo, o logo Microchip, dsPIC, KeeLoq, KeeLoq logo, MPLAB, PIC,

PICmicro, PICSTART, rfPIC e UNI/O são marcas registradas da da Microchip Technology Incorporated nos Estados Unidos e outros países.

� FilterLab, Hampshire, HI-TECH C, Linear Active Thermistor, MXDEV, MXLAB, SEEVAL e The Embedded Control Solutions Company são marcas registradas da Microchip Technology Incorporated nos Estados Unidos.

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