Потребляемая мощность.

Питание микроконтроллеров.

 

Во многих приложениях используется батарейное питание микроконтроллеров, а в некоторых случаях применяются даже конденсаторы большой емкости, ко­торые обеспечивают сохранение работоспособности при кратковременных отключениях питания. Поэтому проблема снижения энергопотребления весьма актуальна для микроконтроллеров.

Как указано выше, практически все современные микроконтроллеры про­изводятся по CMOS-технологии, поэтому они потребляют значительно мень­ше мощности, чем ранее выпускавшиеся биполярные или NMOS-микро-контроллеры.

Из-за большого многообразия областей применения и используемых при этом источников питания цепи питания микроконтроллеров проектируются как можно более надежными, чтобы обеспечить их нормальное функциони­рование в различных условиях.

Обратим внимание на обозначения, используемые при описании пита­ния. Обозначения «Vcc» и «Vdd» применяются для указания напряжения пи­тания (обычно +5 В, хотя возможны и другие значения). Аналогично, обо­значения «Vss» and «Gnd» используются для указания «земли». Мы будем использовать «Vdd» для обозначения питания (даже когда производитель ис­пользует «Vcc») и «Gnd» для обозначения «земли».

 

При планировании энергопотребления для различных устройств, использу­ющих микроконтроллеры, необходимо учитывать, что потребляемая ими мощность зависит от режима функционирования. Имеются три значения мощ­ности, потребляемой микроконтроллером в различных рабочих условиях. Первое - собственная мощность, необходимая для нормальной работы мик­роконтроллера. Второе - мощность, потребляемая устройствами ввода-выво­да, которую требуется учитывать, когда микроконтроллер производит обмен данными с внешними устройствами. Третье - мощность, потребляемая в «спя­щем» режиме, когда микроконтроллер ожидает наступления внешнего собы­тия, переключающего его в рабочий режим. В зависимости от режима работы микроконтроллера, реализованное на его основе устройство может при од­ном и том же ресурсе энергии функционировать в течение нескольких часов или нескольких месяцев.

Собственная мощность - это мощность, которую потребляет микроконт­роллер, когда к его выводам не подключены внешние устройства. Значение этой мощности зависит, главным образом, от тока потребляемого при пере­ключении CMOS-элементов, который является функцией скорости работы микроконтроллера.

С понижением тактовой частоты потребляемая мощность, которая равна произведению напряжения питания на ток, будет сокращаться. Это означает, что программное обеспечение должно быть компактным, чтобы увеличить срок работы устройства без смены комплекта батарей, что может быть весьма важным для некоторых областей применения.

Очевидно, что дальнейшее снижение собственной мощности возможно при уменьшении напряжения питания. Реализация этой возможности зави­сит от типа используемого микроконтроллера и подключенных к нему уст­ройств. Многие современные микросхемы могут работать при снижении на­пряжения питания до 2,0В.

Мощность, потребляемая в режиме ввода-вывода, зависит от того, какую мощность микроконтроллер должен затратить на управление работой вне­шних устройств. Значение этой мощности определяется конкретным вариантом применения микроконтроллера. Во многих приложениях микроконтрол­лер является единственным активным устройством - например, вводит ис­ходные данные с клавиатуры и выдает результаты обработки на светодиоды. Если микроконтроллер выдает управляющие сигналы непрерывно, даже ког­да внешние устройства не требуют обслуживания, то данное устройство бу­дет потреблять больший ток, а значит и мощность, чем это необходимо для нормальной работы.

Последнее, что осталось обсудить - это потребление мощности в «спя­щем» режиме. В этот режим микроконтроллер обычно входит после выполне­ния специальной команды. Тактовый генератор микроконтроллера при этом останавливается до наступления некоторого события, например, поступле­ния сигнала от сторожевого таймера или изменения состояния определенно­го входа.

Использование «спящего» режима может уменьшить потребляемую мощ­ность с уровня в несколько милливатт до микроватт.

«Спящий» режим - это виртуальный выключатель, реализованный внут­ри микроконтроллера. Его использование обеспечивает ряд преимуществ. Во-первых, такой виртуальный выключатель дешев и надежен - при его вклю­чении-выключении отказы возникают значительно реже, чем при работе электромеханического выключателя. Во-вторых, в «спящем» режиме сохра­няется содержимое памяти данных RAM. А последнее преимущество чисто эстетическое: устройства, которые можно включать и выключать кажутся мне более привлекательными.

«Спящий» режим имеет один потенциальный недостаток, существенный для некоторых приложений: время, необходимое для выхода из «спящего» режима и запуска тактового генератора может достигать десяти миллисекунд. Действительно, такая задержка может оказаться слишком большой при вза­имодействии с другой компьютерной системой. Однако если основной зада­чей микроконтроллера является работа с человеком, то такая задержка про­блем не вызывает.

При работе микроконтроллера в «спящем» режиме необходимо убедиться в отсутствии тока, потребляемого элементами нагрузки, подключенными к его выводам. Ток, втекающий в микроконтроллер от светодиода, подключен­ного к шине питания, вызовет увеличение потребления мощности в «спя­щем» режиме.