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Low-power: Como reduzir o consumo de energia do seu produto e aumentar a vida útil da bateria?

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Esta apresentação aborda o uso de técnicas de baixo consumo em microcontroladores Microchip e dicas que podem ser aplicadas em outros microcontroladores ou plataformas de desenvolvimento.

Publicada em: Dispositivos e hardware
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Low-power: Como reduzir o consumo de energia do seu produto e aumentar a vida útil da bateria?

  1. 1. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 1 Low-power: Como reduzir o consumo de energia do seu produto e aumentar a vida útil da bateria?
  2. 2. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 2 Sobre o palestrante… Daniel Rodrigues de Sousa Mestrando em Ciências da Computação pela UFABC Engenheiro eletricista formado pela Universidade Cruzeiro do Sul - 2001 Autor dos livros Microcontroladores ARM7 – O poder dos 32 bits, Desbravando o PIC24 – Conheça os Microcontroladores de 16 bits, Desbravando o PIC18 – Recursos Avançados, Desbravando o Desbravando o PIC18 – Ensino Didático, todos pela Editora Érica
  3. 3. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 3 PIC – O melhor microcontrolador desde a década de 70…
  4. 4. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 4 PIC – O melhor microcontrolador desde a década de 70…
  5. 5. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 5 PIC – O melhor microcontrolador desde a década de 70… Duvida? http://www.dailymotion.com/video/k7xIgPVURqbpD196rFT?start=199
  6. 6. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 6 Objetivos No final desta aula, você será capaz: lDefinir o que é baixo consumo, seus diversos modos e como gerenciar eles lDiferenciar nanoWatt, nanoWatt XLP Technology, Deep Sleep e outras técnicas low power lAnálisar e desenvolver de um sistema com um menor consumo possível lIdentificar e escolher o melhor microcontrolador PIC® nanoWatt para sua aplicação
  7. 7. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 7 lO que é Low Power? lDefinindo e planejando o consumo lTecnologia nanoWatt XLP lConsiderações do sistema lSumário e referências Agenda
  8. 8. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 8 O que é Low Power?
  9. 9. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 9 O que é Low Power? Relações usuais l Lei de Watt: l Lei de Joule: l Carga: Power(Watts) V(volts) I(amperes) Energy(Joules) V(volts) I(amperes) t(sec) Definição Carga (ampere x segundo) é a corrente utilizada durante um determinado período de tempo. Isso é útil para calcular a potência de cada fase de uma aplicação, ou a capacidade total de uma bateria. q(coulombs) I(amperes) t(sec)
  10. 10. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 10 O que é Low Power? Modos de consumo lExistem vários modos de consumo em aplicações com microcontroladores: lDinâmico (ou Ativo) lClocks do sistema modos de operação lParasita, Clock, Periféricos, Core e I/O lEstático lClocks do sistema desligado lParasita e I/O lMédio lIntegral do consumo usada para completar um ciclo da aplicação
  11. 11. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 11 O que é Low Power? Consumo dinâmico Definição Consumo dinâmico (ativo) é a potência consumida enquanto a aplicação está ativa e executando tarefas. Este consumo é devido as correntes de chaveamento CMOS em função da frequência e tensão. Consumo adicional é devido aos periféricos e pinos de I/O. Power (μA*V) Time (μs) dynamic dynamic static wake-up
  12. 12. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 12 O que é Low Power? Elementos que contribuem para o consumo dinâmico input output CP+CL l Capacitâcia da porta l Perdas adicionam capacitâncias (CL) l Capacitâncias parasita (CP) está sempre presente ~5-10pF l Perdas por chaveamento CMOS l Ambos estão temporariamente durante a transição l Chaveamento rápido = mais tempo = mais fugas VDD l Fonte de alimentação l Menor a tensão, menor é o consumo
  13. 13. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 13 dt P VI VCdV Para constante V: O que é Low Power? Elementos que contribuem para o consumo dinâmico dt I CdV P CV2 f Capacitância (C) é afetado por  Desenvolvimento do chip  Seleção do periférico Tensão (V) é afetado por  Seleção do componente Frequência (f) é afetado por  Clock do sistema  Eficiência do código  Perfil de consumo  Necessidades da aplicação
  14. 14. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 14 O que Low Power? Consumo estático Definição Consumo estático é a potência consumida enquanto a aplicação está ligada, mas não ativo (por exemplo, clock do sistema desligado). Esta dissipação de energia vem de fugas transistor inerente a processos CMOS, clock necessário para manter o RTC durante o sleep, supervisores de tensão do sistema, circuitos watchdog, I/O, etc. Power (μA*V) Time (μs) dynamic dynamic static wake-up
  15. 15. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 15 O que é Low Power? Elementos que contribuem para o consumo estático Fugas são afetada por: lProcesso geometrico: transistores menores significam maior fugas lTensão: menor tensão, menor fuga lTemperatura: temperaturas mais elevadas aumentam dramaticamente fugas source drain VDRAIN VGATE VSOURCE gate Sub-threshold Leakage Drain to substrate leakage Gate-junction tunneling Transistores menores aumentar o consumo estático, mas isso pode ser compensado pelo menor consumo dinâmico, uma vez que pode operar a uma tensão mais baixa.
  16. 16. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 16 Comparação do processo tecnológico e potência consumida lAN1416
  17. 17. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 17 O que é Low Power? Consumo médio ( ) ( ) 1 active active active static static static cycle avg V I t V I t t P Definição Consumo médio é a energia consumida através de um ciclo completo quando operando em ambos os estados de operação estática e ativa. O consumo médio inclui a quantidade de tempo gasto em cada estado, bem como o tempo de transição necessário para alternar entre os modos dinâmicos e estáticos. Power (μA*V) Time (μs) dynamic dynamic static wake-up
  18. 18. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 18 O que é Low Power? Medindo o consumo lMultímetro lMedir o valor RMS da corrente lTipicamente na escala de 20nA-100nA Vdd 3.3V device under test Vdd 3.3V device under test Rshunt lOsciloscópio com resistor shunt no VDD lMedidas e exibe perfil de energia lValor do Rshunt deve ser escolhido com cuidado l10Ω-100Ω lValor alto de Rshunt causa BOR lVDD Descarga do capacitor lMedida da taxa de descarga I=C(ΔV/ Δt) lÚtil para medição de corrente muito baixa device under test Vdd 3.3V 10μF
  19. 19. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 19 Definindo e planejando o consumo
  20. 20. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 20 Definindo e planejando o consumo Analisando a aplicação lQuebre a aplicação em fases lCalcule a corrente utilizada nessas fases lDeterminar quanto tempo deve ser gasto em cada fase lCalcular a energia consumida por cada fase lCalcula-se a potência média de toda a aplicação lEle pode ser baixado por gastar menos tempo no modo ativo? lPode tensão, fonte de clock ou modos de baixo consumo pode ser alterado em qualquer uma das fases? lIdentificar os piores casos e revisita lDiferentes combinações de modo pode ser usado? lTraçar o perfil de energia lConstruir, medir e confirmar o perfil de energia
  21. 21. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 21 AGENDAMENTO Wake-up, fontes de transição, controle de loop, gerenciamento de clock e comutação SAIDA PROCESSO Quebre a aplicação em fases AQUISIÇÃO Definindo e planejando o consumo Analisando a aplicação
  22. 22. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 22 Definindo e planejando o consumo Diagrama em blocos de uma típica aplicação 1. Leitura de sensores 2. Escrita na EEPROM 3. Escrita no LCD 4. Aguardar 5s (RTCC) 5. Repete Analog. Sensor de Temp. MCP9700 RTCC INT0 I2C™ EEPROM 24AA256 INT1 INTO SC 16 MHz INTO SC 31 kHz SOSC POS C T1OSC MSSP2 MSSP1 CORE 3.3V S2 32kHz 8Mhz S3 PIC18F ADC Potenciometro
  23. 23. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 23 Definindo e planejando o consumo Perfil de consumo lRun A – Escrita na EEPROM (5ms @ 3mA) lRun B – Ler sensor de temperatura (800μs @ 6μA) lLoop/Sleep/Idle/Deep Sleep por (10s) lRun clock pode ser mudado dinamicamente lTensão de operação também pode ser alterado dinamicamente NOT TO SCALE Minimizar as áreas sob a curva Power (μA*V) Time (μs) idle wake-up RUN A RUN B RUN A RUN B
  24. 24. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 24 Definindo e planejando o consumo nanoWatt XLP Battery Life Estimator Select Device & Parameters Novos dados do dispositivo fornecido com novas revisões, ou você pode criar arquivos. Por exemplo:“PIC18LFxxJ11.csv” Digite modos perfil potência Review & Salvar Select Battery Novos dados da bateria pode ser adicionado, modificando“CustomBattery.csv”
  25. 25. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 25 Definindo e planejando o consumo Uma das muitas soluções possíveis É uma possível solução?
  26. 26. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 26 Tecnologia nanoWatt XLP
  27. 27. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 27 nanoWatt XLP Recursos úteis de gerenciamento de energia lFlexibilidade lVárias opções de clock lVelocidades dinamicamente configurável e fontes lPeriféricos equipados para os modos de baixa potência lOpções de periféricos e wake-up, opções de configuração para os modos de baixa potência lOsciladores de baixo consumo lMarcação de tempo com WDT, Timer1 ou RTCC sem quebrar o planejamento de consumo lBaixa corrente de fuga entrada digital lTipicamente < 50nA, alguns menor que 5nA lMinimiza o consumo estático lRápido tempo de wake-up lMinimiza o tempo perdido na zona de transição de wake-up
  28. 28. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 28 nanoWatt XLP nanoWatt Technology (2003) lTecnologia nanoWatt lIntroduzido em 2003 lPadrão para todos os novos MCUs Microchip desde 2003 lAfetadas pelo design de chips, processos de fabricação, mistura de periféricos e clock e capacidades de teste lDefinido como: lStandby (Sleep mode) power < 1μW l@3V Ipd < 333nA (PIC24H) l@2V Ipd < 500nA (PIC16,PIC18,PIC24F) Definição nanoWatt Technology Conjunto de técnicas proprietárias da Microchip usados para projetar microcontroladores capazes de consumo de energia abaixo 1μW em modo standby (Ipd).
  29. 29. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 29 lIDLE mode lCPU OFF, Periféricos ON lOn-chip, oscilador RC de alta velocidade (INTRC) com PLL e postscaler programável. Possui: lInicialização rápida em 1μs-5μs lDuas velocidade de start up (inicia em INTRC, depois chaveia para o cristal) lVelocidade de clock ajustável dinamicamente lExtended WDT lO tempo máximo de estouro de18ms a 131s lTimer1 Low Power (TMR1) e oscilador secundário de 32 kHZ (SOSC) lBOR Low Power configurável por SW lBOR padrão foi redesenhado para consumir menos energia lSoftware pode desligá-lo quando não for necessário, ex. durante Modo Sleep nanoWatt XLP nanoWatt Technology (2003)
  30. 30. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 30 Tempos típicos de Wake-up para diferentes osciladores lAN1416
  31. 31. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 31 nanoWatt XLP nanoWatt XLP Technology (2009) lnanoWatt XLP (eXtreme Low Power) lIntroduzido em 2009 como a próxima geração de nanoWatt lPortas de baixa corrente de fuga empregado em todo dispositivo lDesenvolvimento e processos de fabricação sintonizados para baixo consumo lIntrodução de periféricos de baixo consumo lDefinido como: lSleep: 100nA ou menor até 9nA lReal-Time Clock Calendar (RTCC): 800nA ou menor até 200nA lWatchdog Timer (WDT): 800nA ou menor até 450nA Definição nanoWatt XLP (eXtreme Low Power) Technology Conjunto de técnicas proprietárias da Microchip usados para projetar microcontroladores capazes de consumo de energia abaixo 100nA em modo standby, 800nA rodando RTCC e 800nA rodando WDT. Requiremento Melhor especificação
  32. 32. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 32 lDeep Sleep (DS) lDeep Sleep Brown-Out Reset (DSBOR) lDeep Sleep Watchdog Timer (DSWDT) lEntradas com baixa corrente de fuga lEspecificações a 60C para aplicações com bateria Exemplo de melhoria da vida útil da bateria(25°C) Tipo de bateria: Coin Cell (moeda) (CR2032) 1ms RUN a 1MHz, em seguida Deep Sleep com RTCC habilitado PIC24FXXKA com nanoWatt XLP - Acima de 20 anos! nanoWatt XLP nanoWatt XLP Technology (2009)
  33. 33. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 33 nanoWatt XLP nanoWatt XLP Technology (2012) Melhorias de partes XLP: lRetention regulator (VRET) lPermite modelos XLP trabalhe em 5V lPermite modelos XLP com processos de silício menores lPino VBAT para bateria de backup lAutomação periférica melhorada e trigger lRetira carga de operação para gerenciamento de periféricos lADC Auto-scan lDMA (Direct Memory Access)
  34. 34. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 34 nanoWatt XLP Duplo Brown-Out Resets lBrown-Out Reset (BOR) lStandard nanoWatt BOR lAlguns dispositivos podem chamar LPBOR lConfigurável para quatro níveis de tensão lConsumo típico de ~5μA lLow Power BOR (LPBOR) lDisponível em adição ao BOR no PIC18 e PIC24 com modo Deep Sleep lTensão fixa em ~1.8V lAlguns devices com corrente de 5nA
  35. 35. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 35 nanoWatt XLP Watchdog Timers duplo lWatchdog Timer (WDT) lStandard nanoWatt WDT lIΔWDT até 500nA lTime out: 1ms–131s lDeep Sleep WDT (DSWDT) lDisponível em adição ao WDT em devices com modo Deep Sleep lÚtil para aplicativos que estão inativas por longos períodos de tempo lDSWDT permanece ativo em modo Deep Sleep lIΔWDT até 370nA lTime-out: 2.1ms-25.1 days
  36. 36. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 36 nanoWatt XLP Modulo de cotrole de periféricos lPeripheral Enable Bits lLocalizado no SFRs controle de cada periférico lAtiva / desativa a funcionalidade para cada periférico lRegistradores de controle ainda estão disponíveis para leitura e escrita lexemplo : AD1CON1<ADON> lAlguns de devices possuem ainda o Peripheral Module Disable (PMD) lLocalizado nos registradores PMD lDesabilita todas as fontes de clock para cada periféricos lRemove alimentação dos registros de controle e status correspondente lexemplo: PMD1<ADC1MD>
  37. 37. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 37 Modos Low Power
  38. 38. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 38 Modos Low Power Modos de operação l RUN [active power] l Core & Periféricos com clock do sistema l Corrente típica de 50-360μA/MHz (3V, 25°C) l LP INTRC (31kHz) é menor que 8μA (1.8V, 25°C, PIC24F04KA201) l DOZE (some devices) [active power] l Core com consumo menor que periféricos, periféricos full speed l Tipicamente 35%-75% da corrente do modo RUN l IDLE (some devices) [active power] l Core OFF, peripherals ON l Tipicamente 25% da corrente do modo RUN l SLEEP [static power] l Tipicamente100nA (3V, 25°C) l A 85°C menor que 1.35μA (1.8V, 85°C,PIC24F04KA201) l DEEP SLEEP (alguns devices) [static power] l SRAM, VREG, VBOR, RTCC off l Tipicamente 35nA (3V, 25°C) Increasing Battery Life
  39. 39. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 39 nanoWatt XLP modos de operação – olhando com mais atenção PIC16 PIC18 PIC24 RUN All systems running    DOZE CPU slower than peripherals  IDLE CPU off, Peripherals on   SLEEP System clock off    RETENTION SLEEP VREG off, VRET on   DEEP SLEEP RAM off, VREG off    certamente nanoWatt XLP
  40. 40. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 40 nanoWatt XLP PIC16 XLP - opções de clock PIC16 XLP – opções de clock Secondary OSC Primary OSC Internal RC 16MHz 500kHz 31kHz 4X PLL POSTSCALER (31kHz to 16MHz) ... CPU & Peripherals SLEEP RUN WDT, PWRT & FSCM Optional Peripheral Clock Source
  41. 41. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 41 nanoWatt XLP PIC18 XLP - opções de clock PIC18 XLP – opções de clock Secondary OSC Primary OSC 4X PLL POSTSCALER (31kHz to 16MHz) ... Peripherals CPU SLEEP RUN WDT, PWRT & FSCM Optional Peripheral Clock Source Internal RC 16MHz 500kHz 31kHz IDLE
  42. 42. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 42 Primary OSC nanoWatt XLP PIC24 XLP - opções de clock PIC24 XLP – opções de clock Secondary OSC Internal RC 8MHz 500kHz 31kHz 4X PLL POSTSCALER (1.95kHz to 8MHz) ... CPU POSTSCALER DOZE Ext. Clock Output WDT, PWRT & FSCM Optional Peripheral Clock Source Peripherals SLEEP RUN IDLE
  43. 43. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 43 nanoWatt XLP Run Mode Todos os recursos ativo Clock do sistema dinamicamente reconfigurável CPU RAM Flash INTRC HS INTRC LP T1OSC POSC Peripherals RTCC WDT BOR Analog Timer 1 INT 0 VDD VDDCORE VREG SOSC Post-Scaler
  44. 44. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 44 nanoWatt XLP Chaveamento de clock CPU RAM Flash INTRC HS INTRC LP T1OSC POSC Peripherals RTCC WDT BOR Analog Timer 1 INT 0 VDD VDDCORE VREG SOSC Post-Scaler Múltiplas fontes de clock Pode mudar dinamicamente Afeta todas as partes do chip
  45. 45. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 45 nanoWatt XLP Chaveamento de clock lRetardar o clock pode economizar mais energia do que Idle/Doze modes lRetardar clock afeta todas as áreas do chip lTwo speed startup lInicialização do INTRC em 1μs-5μs lChaveamento do cristal é necessário lRoda no modo INTRC enquanto aguarda o PLL travar lÚtil quando à espera de eventos externos ou periféricos lentos, como ADC, comparadores, portas de comunicação, etc.
  46. 46. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 46 INTRC HS INTRC LP T1OSC POSC Peripherals RTCC WDT BOR Analog Timer 1 INT 0 VDD VDDCORE VREG SOSC nanoWatt XLP Doze Mode CPU e memória roda com um clock mais lento Periféricos podem rodar com o clock do sistema 35-75% do Run Mode Post-Scaler CPU RAM Flash
  47. 47. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 47 RAM Flash INTRC HS INTRC LP T1OSC POSC Peripherals RTCC WDT BOR Analog Timer 1 INT 0 VDD VDDCORE VREG SOSC Post-Scaler nanoWatt XLP Idle Mode CPU é desligada Periféricos continua ligado 25% do Run Mode CPU
  48. 48. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 48 nanoWatt XLP Idle & Doze Modes lQuando os modos Idle ou Doze modes deve ser usado? lSubstitua loops while(!Interrupt) lLentidão enquanto aguarda o periférico ou uma interrupção lQuando são necessários tempos curtos com cortes de energia que requerer um wake-up rápido le.g. wake-up menor que ~1 ciclo de instrução lTempo de transição é mínima lDurante as transferências de DMA lQuando a aplicação deve continuamente amostrar ou comunicar
  49. 49. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 49 nanoWatt XLP Sleep Mode 50-100nA sem regulador 3-5μA com regulador interno Clock do sistema, CPU desligados RAM permanece ligado Reguladores ligados Alguns periféricos podem ser configurados para serem executados durante o sleep CPU RAM Flash INTRC HS INTRC LP T1OSC POSC Peripherals RTCC WDT BOR Analog Timer 1 INT 0 VDD VDDCORE VREG SOSC Post-Scaler
  50. 50. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 50 nanoWatt XLP Retention Sleep Mode 100-300nA com regulador de retenção Relógios do sistema, CPU desligado RAM permanece ligado VREG principal é desligado Low-power VRET é ligado CPU RAM Flash INTRC HS INTRC LP T1OSC Peripherals RTCC WDT BOR Analog Timer 1 INT 0 VDD VDDCORE SOSC Post- Scaler VRET VREG POSC
  51. 51. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 51 nanoWatt XLP Retention Sleep Mode lAlimentado por regulador low power alternativo chamado Retention Regulator lFornece saída de tensão mais baixa para o núcleo lBaixa corrente quiescente, mas corrente de saída limitada l100-300 nA corrente quiescente lMáxima corrente de saída d e 15 uA VREG VRET 3V Devices 1.8 V 1.2 V 5V Devices 3.3 V 2.5 V
  52. 52. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 52 nanoWatt XLP Retention Sleep Mode lSimilar ao modo Sleep lRAM e SFRs mantidos lContinua a operação após instrução PWRSAV lTodas as fontes de wakeup disponíveis lDiferente do modo Sleep lUso do periférico é limitada pela corrente de de saída do regulador lTempo de wakeup longo: requer tempo de para o VREG reiniciar de ~100 μs
  53. 53. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 53 nanoWatt XLP Deep Sleep Mode <50nA RAM é desligado Reguladores são desligados Alguns periféricos de continuar a executar em Deep Sleep DSBOR DSWDT RTCC INT0 CPU Flash INTRC HS INTRC LP T1OSC POSC Peripherals RTCC WDT BOR Analog Timer 1 INT 0 VDD SOSC Post-Scaler RAM VDDCORE VREG DSGPR (2) DSBOR DSWDT INT0 RTCC
  54. 54. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 54 nanoWatt XLP Deep Sleep Mode lAlimentação do core é desligada lIsso causa perda de memória RAM, SFR e contador de programa lDois registradores DSGPR são fornecidos para manter variáveis durante Deep Sleep lTempo de wake-up inclui o tempo de subida do regulador de tensão (usando Vreg interno) lWake-up causa Power-On Reset (POR) lSleep padrão lContinua a execução no ponto onde ocorreu o sleep lDeep Sleep não acorda com a limpeza do contador de programa lEstado dos I/O são mantidos
  55. 55. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 55 Deep Sleep Quando o DS é efetivo? lQuando a aplicação: lFica boa parte do tempo desligado lTipicamente maior que 1s lÉ inativo por longos período de tempo lRequer timekeeping exato com corrente mínima lFunciona em temperaturas extremas lRequer pequeno grupo de periféricos ativos
  56. 56. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 56 Deep Sleep Break-Even Time lBreak-Even Time lDS desliga o core, SRAM & regulador de tensão lNo wake-up após DS: lRegulador de tensão é ligado lCompleta o ciclo POR lClock é ligado lContexto é restaurado lTempo de Wake-Up torna-se dominante lPara tempos de sleep curto, o modo sleep padrão é a melhor escolha Definição Break-Even Time O ponto onde o Deep Sleep consome menos que o Sleep
  57. 57. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 57 PIC18F46J11 on-chip LDO off DEEP SLEEP 1s 10s 100s 1000s Tempo entre eventos de Wake-up Corrente média Deep Sleep Quando usar o Deep Sleep? Tbreak-even Use DS quando o tempo entre os eventos wake-up é maior que o tempo que demora a acordar do DS e liguar o LDO PIC18LF46J11 NO on-chip LDO SLEEP 54nA PIC18F46J11 On-chip LDO ON SLEEP 3.1μA 13nA 70nA 420nA 3.9μA PIC18F46J11 On-chip LDO OFF DEEP SLEEP
  58. 58. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 58 nanoWatt XLP Sumário dos modos Modes Active Clocks Active Peripherals Wakeup Sources Typical Current Typical Usage RUN All All DOZE All All All Software wake-up ~50% of Run Current Applications with high-speed peripherals requiring low CPU use IDLE Peripheral Clocks Timer1 Secondary OSC INTRC LPRC ADC RC All All ~25% of Run Current Anytime device is waiting for an event SLEEP Timer1 Secondary OSC INTRC LPRC ADC RC RTCC WDT BOR HLVD Timer 1 INTx ADC CVREF Comp Serial RX MCCP CLC All 50-100 nA w/o regulator 3-5 uA with regulator Most low-power apps RETENTION SLEEP Timer1 Secondary OSC INTRC LPRC ADC RC RTCC WDT BOR HLVD Timer 1 INTx ADC CVREF Comp Serial RX MCCP CLC All 100-300 nA 5V Low-power applications Low-power in high performance applications DEEP SLEEP Secondary OSC LPRC RTCC DSWDT DSBOR INT0 RTCC DSWDT DSBOR INT0 MCLR ULPWU < 50 nA base Peripherals add incremental current Long-life battery based applications, applications with long sleep times
  59. 59. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 59 Considerações do sistema
  60. 60. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 60 Considerações do sistema Eficiência de instrução lQuantos instrução ciclos leva para executar uma tarefa? lNem todas as arquiteturas são igualmente eficientes lBenchmarks de avaliação como o EEMBC’s CoreMark são usados para análise lCompilado e benchmark com simulador lCompilado e medido no hardware lFerramenta de desenvolvimento de 16 bits nanoWatt XLP Evaluation board usado para a análise lNão pare na primeira página do data sheet μA/MHz não conta toda a história!
  61. 61. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 61 Considerações do sistema Exemplo de eficiência de instrução lExceto a multiplicação, maior parte das instruções PIC16 e PIC18 são equivalentes lPIC18 possui um hardware de multiplicação 8x8, um ciclo de máquina de execução. lPIC16 emula multiplicação lQuanta energia é necessária para realizar uma multiplicação de 8x8? lPIC16LF727 @1MHz @1.8V @25C l80μA/MHz lInstruction cycle @1MHz = 4μs l62 instruction cycles = 248μs l80μA * 1.8V = 144μW l144μW * 248μs = 35.7nJ lPIC18LF46J11 @1MHz @2.0V @25C l275μA/MHz lInstruction cycle @1MHz = 4μs l5 instruction cycles = 20μs l2.0V * 275μA = 550μW l550μW * 20μs = 11nJ #include <htc.h> unsigned char A,B; unsigned int C; void main (void) { A = 2; B = 4; C = (unsigned int)A * (unsigned int)B; }
  62. 62. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 62 Considerações do sistema Eficiência de instrução Note: Competitor 16-bit MCU family at 16 MIPS - Speed & Size trade off = 5 PIC24F family at 16 MIPS using MPLAB® C Compiler for PIC24F with Optimization level O3 0123456 A2TFFTFIRIFFTBaseFPBit ManipulationCANIDCTIIRPointersPWMRspeedTBL look upTTSparkMatrix Arith Industry Standard Benchmark Algorithms Normalized Execution Time PIC MCUCompetitor
  63. 63. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 63 Consumo de perifpericos comuns
  64. 64. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 64 Considerações do sistema Trigando periféricos e automação lPeriféricos com automação lADC lAuto sample e conversão lLimiar de varredura e comparação lDirect Memory Access (DMA) lPeriféricos com Trigger avançado lMaster Capture Compare Peripheral (MCCP) lConfigurable Logic Cell (CLC) lCharge-Time Measurement Unit (CTMU)
  65. 65. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 65 Considerações do sistema Trigando periféricos e automação lReduzir a carga de processamento ao mover a carga periféricos lDMA permite a transferência de dados sem intervenção da CPU lReduza a potência, diminuindo a frequência de wakeup da CPU lTrigger de disparo de alguns periféricos sem o uso da CPU lThreshold-scan ADC permite conversões e comparações sem acordar
  66. 66. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 66 Considerações do sistema Seleção de baterias lQuímica da bateria é fundamental lCélulas de lítio lAuto-descarga muito baixo para uma boa vida útil (de prateleira) lLimites de corrente maxíma muito baixo lResistência interna elevada. Correntes de pico de alta tensão diminui vida útil lNovo! Células Lithium AAA lFaixa útil corresponde à faixa de tensão da maioria dos microcontroladores lResistência interna baixa. Suportar altas correntes de pico lAuto-descarga baixa - longa vida útil lPilhas alcalinas lAlta capacidade e alta corrente de dreno suportados lCapacidade cai como a subida da corrente lCélulas secundárias (recarregável NiCd, NiMH, etc) lAuto-descarga alta lNecessitam de recarga frequente ainda que a aplicação é muito baixo consumo de energia
  67. 67. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 67 Considerações do sistema Lithium AAA 1 2 Source: http://data.energizer.com/PDFs/l92.pdf lPara uma aplicação de lítio típica funcionando em temperatura ambiente (20-25ºC): lO MCU deve operar abaixo 3V (2 x 1,5V) {ponto 1 do gráfico} lMaximização da vida da bateria significaria ser capaz de rodar abaixo de 1,8V (2 x 0,9V) {ponto 2 do gráfico} lOperação segura com faixa de operação
  68. 68. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 68 Considerações do sistema Especificação de bateria a 60C lBaterias como a maioria dos produtos químicos são especificadas até 60C lDevices nanoWatt XLP incluem agora ponto de especificação nos dados a 60C
  69. 69. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 69 Considerações do sistema Pino VBAT Battery Backup lFornece via separada para bateria de backup do RTCC lVBAT é chaveado quando VDD é removido VBAT CPU Flash INTRC HS INTRC LP Peripherals RTCC WDT BOR Analog Timer 1 INT 0 VDDCORE Post- Scaler VRET VREG POSC SOSC DSGPR (2) RTCC VDD RAM T1OSC SOSC
  70. 70. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 70 Considerações do sistema Pino VBAT Battery Backup lPermite o uso de bateria de backup sem componentes externos lRoda RTCC e mantém dois registradores de dados lVBAT sai quando é reaplicado VDD lNo modo VBAT outros periféricos estão desligados lTodos I/O deve ser desenergizado lRecomendam não alimentar outros circuitos VBAT battery Modo VBAT pode ser desligado via configuração VBAT pin deve ser ligado a VDD quando desativado
  71. 71. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 71 Considerações do sistema Gerenciando Circuito de Alimentação Externa Todos os circuitos são sempre alimentado O gerenciamento de energia baseia-se em modos de espera individuais Analog. Sensor de Temp. MCP9700 I2C™ Serial EEPROM 24AA256 3.3V S2 32kHz 8Mhz S3 Saída de alta corrente
  72. 72. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 72 Considerações do sistema Gerenciando Circuito de Alimentação Externa Microcontrolador PIC® pode fornecer energia diretamente de pinos I/O, se necessário FET pode ser usado para circuitos de alta corrente ou de diferentes tensões Analog. Sensor de Temp. MCP9700 I2C™ Serial EEPROM 24AA256 3.3V S2 32kHz 8Mhz S3 Saída de alta corrente GPIO GPIO GPIO
  73. 73. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 73 Considerações do sistema Redução de tensão lRedução da tensão impacta nas correntes estática e dinâmica lRequer uso de reguladores de tensão com tensão baixa lConsidere a redução Vdd com reguladores de tensão programável enquanto no modo sleep ou idle 3.30V 15μA 3mA 32kHz 11mA 2.50V 8μA 2mA
  74. 74. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 74 Considerações do sistema Alimentação lAlguns devices nanoWatt XLP dispositivos baseiam-se no processo de baixa tensão: lCore requer 2,5V ou 1,8V lConexão de tensão 3,3V ou I/O logico requer regulador de tensão low dropout voltage (LDO) lAlguns devices F possui LDO interno lDevices LF usualmente não possui lOpções: lUse devices F com LDO interno lAplicações com 2,5V (ou 1,8V) I/O e alimentação lUse múltiplas fontes de alimentação (Regulator Enabled) (no Regulator)
  75. 75. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 75 Considerações do sistema Gerenciando VDDCORE lEscolher com cuidado o sistema low drop out regulator pode resultar em baixa corrente estática lPIC18F46J11 LDO quiescent current ~3μA lMCP1702 external LDO quiescent current ~2μA lPara aplicações de baixa corrente, LDO externo pode ser melhor escolha MCP1702 Linear Regulator Specifications: 2.0 μA typical quiescent current 2.7V-13.2V input voltage Low Dropout Voltage: 650mV (typ) @250mA 0.2%/V Line regulation 0.2%/V Short Circuit & Thermal Shutdown protection
  76. 76. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 76 Considerações do sistema Minimizar acesso da RAM lLeitura de memória RAM (dados) requer mais energia do que a leitura de memória FLASH (código) Standard_Routine: // compiles to 3 instructions while(!_T1IF) i++; 19.1 mA lA rotina lê _T1IF (Timer1 interrupt flag) escreve em I cada iteração do loop. lAt 32MHz: lTempo de laço é 187ns lCorrente média medida é 19,1mA enquanto neste loop lEle vai ler e escrever RAM duas vezes a cada 187ns lO aplicativo realmente precisa deste tempo de resposta?
  77. 77. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 77 Considerações do sistema Minimizar acesso RAM Low_Power_Routine: // compiles to 8 instructions while(!_T1IF){ i++; Nop(); Nop(); Nop(); Nop(); Nop();} 16.4 mA lA 32MHz tempo loop é 500ns llê e escreve RAM duas vezes a cada 500ns lNota melhoria de 2,5 mA lRedução da corrente de ~ 13%, adicionando cinco NOPS!
  78. 78. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 78 Considerações do sistema Recomendação sobre I/Os lUse pull-ups internos para botões lPull-ups internos podem ser desabilitados após detecção lUse de-bouncing por SW lElimina picos de corrente em comparação ao uso de circuito RC lUse LEDs de altro brilho lDriver com corrente muito menor do que a corrente nominal lPWM em vez de acionamento direto lLEDs de alto brilho podem ser visíveis com corrente muito baixa (100uA)
  79. 79. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 79 Considerações do sistema Recomendação sobre I/Os lSe possível use resistores de pull-up com maior valor possível lRede de resistores ligados a um pino comum lLigue o I/O quando necessário lUse capacitores com baixa corrente de fuga lTantalo possui altas correntes lPode ser maior que 1μA @10μF lCerâmicos possem correntes baixas l~20nA @10μF lUse capacitores de bypass com modereação lMantenha trilhas curtas Modelo equivalente do capacitor
  80. 80. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 80 Considerações do sistema Elimine I/Os em flutuação lPinos CMOS em flutuação lFlutua em VDD/2 lAltas corrente de fuga lSinais externos podem ser introduzidos no pino lElimine pinos em flutuação lSetar pinos I/O não usados como saída lColecar em nível zero Típico caso Pior caso 1 pino em flutuação 35 μA 0.5 mA 2 pino em flutuação 65 μA 1 mA 10 pino em flutuação 305 μA 5 mA
  81. 81. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 81 Considerações do sistema Redução do tempo de Wake-Up lCristais: lAguarda1024 ciclos para start up confiável lGarante que o cristal é para cima e estável lCaracterística extremamente importante para a confiabilidade em toda variedade de temperatura e arranque de condições lEstabiliza 32ms @32kHz, 64μs @ 8MHz lPode ser significativamente mais longo - sob determinadas condições ambientais podem ter até 1s lInternal RC (INTRC) Oscillators: lPode acordar entre 1μs-5μs lTwo-Speed Start-Up Mode lWake-up com INTRC lAlguns dispositivos possuem precisão INTRC de 0,25% lMudar para cristal quando estiver pronto se a precisão PPM é necessária
  82. 82. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 82 Considerações do sistema Abaixando a corrente ativa lDesabilite a periféricos não usados lTodos os periféricos on-chip tem alguns bits de controle ou bits PMD para desativar lOtimizando o código pelo compilador lExperiência com combinações de velocidade, tamanho do código e otimizações de uso RAM lOlhe para a execução mais rápida em menor tamanho do código com acesso mínimo RAM lMeça o tempo de execução de seu algoritmo lPor exemplo: l32MHz em diferentes plataformas pode não ser igual tempo mesma execução l90% das instruções do PIC® são executadas em um ciclo de máquina lSimulador disponível no MPLAB® IDE
  83. 83. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 83 Considerações do sistema Abaixando a corrente ativa lConsidere o uso de periféricos SPI ao invés de I2C™ lSem uso de resistores de pull-up lRápido lMenor consumo dinâmico lReduz tempo de loop lMuitos periféricos como EEPROM tem dos dois tipos
  84. 84. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 84 Sumário
  85. 85. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 85 nanoWatt XLP Microcontroladores Extreme Low Power Hundreds of XLP Devices!
  86. 86. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 86 C Compilers Available from Microchip Available in free evaluation versions XLP 8-bit Development Board (DM240313) PIC18F87K22 PIM (MA183032) PIC18F46J11 PIM (MA180023) PIC16LF1947 PIM (MA160015) Sumário Ferramentas nanoWatt XLP XLP 16-bit Development Board (DM240311)
  87. 87. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 87 Sumário Referências PIC24F Family Reference Manual
  88. 88. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 88 Sumário XLP Home Page www.microchip.com/xlp
  89. 89. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 89 Sumário Hoje você aprendeu: lDefinir o que é baixo consumo, seus diversos modos e como gerenciar eles lDiferenciar nanoWatt, nanoWatt XLP Technology, Deep Sleep e outras técnicas low power lAnálisar e desenvolver de um sistema com um menor consumo possível lIdentificar e escolher o melhor microcontrolador PIC® nanoWatt para sua aplicação
  90. 90. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 90
  91. 91. © 2014 Microchip Technology Incorporated. All Rights Reserved. 18092 XLP Slide 91 Obrigado! http://www.portalmcu.com.br @PortalMCU https://www.facebook.com/portalmcu daniel_rsousa@hotmail.com
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