כיצד לשנות את תדר השעון כדי להפחית את צריכת החשמל של המיקרו-בקר

למפתחים תמיד יש אתגר לספק רמות גבוהות של פונקציונליות וביצועים ובמקביל למקסם את חיי הסוללה. גם כשמדובר במוצרים אלקטרוניים, המאפיין החשוב ביותר הוא צריכת הסוללה. זה צריך להיות פחות ככל האפשר כדי להגדיל את זמן פעולת המכשיר. ניהול החשמל הוא קריטי מאוד ביישומים ניידים ומופעלים באמצעות סוללות. הבדלים בצריכת מיקרו-אמפר יכולים להוביל לחודשים או שנים של חיי פעולה אשר יכולים להגדיל או להקטין את הפופולריות והמותג של המוצר בשוק. הגידול במוצרים דורש אופטימיזציה יעילה יותר לשימוש בסוללה. כיום, משתמשים דורשים גיבוי סוללה ארוך יותר עם גודל קומפקטי של מוצרים, כך שהיצרנים מתמקדים בגודל סוללה קטן יותר עם חיי סוללה ארוכים במיוחד וזו משימה מפוקפקת. אבל,המפתחים העלו טכנולוגיות חסכון בחשמל לאחר שעברו גורמים רבים ופרמטרים קריטיים המשפיעים על חיי הסוללה.

ישנם פרמטרים רבים המשפיעים על השימוש בסוללה כמו מיקרו-בקר המשמש, מתח תפעול, צריכת זרם, טמפרטורת הסביבה, מצב סביבתי, ציוד היקפי בשימוש, מחזורי טעינת טעינה וכו '. עם מגמת המוצרים החכמים המגיעים לשוק, חשוב מאוד להתמקד תחילה ב- MCU המשמש, כדי לייעל את חיי הסוללה. ה- MCU הופך לחלק קריטי בכל הנוגע לחיסכון בחשמל במוצרים בגודל קטן. לכן מומלץ להתחיל תחילה עם ה- MCU. כעת, MCU מגיע עם טכניקות שונות לחיסכון בחשמל. למידע נוסף על מזעור צריכת החשמל במיקרו-בקרים (MCU), עיין במאמר הקודם. מאמר זה מתמקד בעיקר באחד הפרמטר החשוב להפחתת צריכת החשמל במיקרו-בקר, שהוא שינוי תדר השעוןשצריך לטפל בעת שימוש ב- MCU ליישומים בעלי צריכת חשמל נמוכה.

מדוע לשנות את תדירות השעון במיקרו-בקרים?

מתוך פרמטרים רבים שהוזכרו לעיל, לבחירת תדר השעון תפקיד חשוב מאוד בחיסכון בחשמל. המחקר מראה כי בחירה שגויה בתדירות ההפעלה של מיקרו-בקרים יכולה להוביל לאובדן משמעותי (%) של כוח הסוללה. על מנת להימנע מאובדן זה, על המפתחים לדאוג לבחירת התדרים המתאימה להפעלת המיקרו-בקר. כעת, אין צורך שניתן יהיה לבצע את בחירת התדרים בהתחלה תוך כדי הגדרת מיקרו-בקר, ואילו ניתן לבחור בין התכנות גם כן. ישנם מיקרו-בקר רבים המגיעים עם בחירת סיביות לבחירת תדירות ההפעלה הרצויה. כמו כן המיקרו-בקר יכול לרוץ בתדרים מרובים, כך שלמפתחים יש אפשרות לבחור תדר מתאים בהתאם ליישום.

מה ההשפעה של בחירת תדרים מרובים על הביצועים?

אין ספק שבחירת תדרים שונים תשפיע על ביצועי המיקרו-בקר. כמו במונחים של מיקרו-בקר, זה ידוע מאוד שתדירות וביצועים הם פרופורציונליים. המשמעות היא שככל שהתדירות גדולה יותר תהיה פחות זמן ביצוע הקוד ובכך מהירות גבוהה יותר של ביצוע התוכנית. אז עכשיו, ברור מאוד שאם תדר ישנה תדר אז גם הביצועים ישתנו. אך אין צורך שמפתחים צריכים להקפיד על תדר אחד רק למען ביצועים גבוהים יותר של המיקרו-בקר.

בתדירות נמוכה או גבוהה, באיזה מהם לבחור?

זה לא תמיד המקרה כאשר המיקרו-בקר צריך לספק ביצועים גבוהים, ישנם מספר יישומים הזקוקים לביצועים מתונים של המיקרו-בקר, ביישומים מסוג זה המפתחים יכולים להקטין את תדירות ההפעלה מ- GHz ל- MHz ואפילו לתדר מינימלי הנדרש ל הפעל מיקרו-בקר. למרות שבמקרים מסוימים נדרשת ביצועים אופטימליים וגם זמן ביצוע קריטי כמו בעת נהיגה של ADCs פלאש חיצוניים ללא מאגר FIFO, או בעיבוד וידאו ויישומים רבים אחרים, באזורים אלה היזמים יכולים להשתמש בתדר האופטימלי של המיקרו-בקר. גם בשימוש בסביבה מסוג זה, היזמים יכולים לקודד בצורה חכמה כדי להקטין את אורך הקוד על ידי בחירת ההוראות הנכונות.

לדוגמא: אם לולאת 'עבור' לוקחת יותר הוראות ואפשר להשתמש בכמה שורות הוראות שמשתמשות בפחות זיכרון לביצוע המשימה מבלי להשתמש בלולאה for , אז מפתחים יכולים ללכת עם מספר שורות הוראות ולהימנע משימוש בלולאה 'עבור' .

בחירת התדר המתאים למיקרו-בקר תלויה בדרישות המשימה. תדר גבוה יותר פירושו צריכת חשמל גבוהה יותר אך גם יותר כוח חישוב. כך שבעצם בחירת התדירות היא פשרה בין צריכת חשמל לבין כוח חישוב נדרש.

כמו כן היתרון העיקרי בעבודה בתדר נמוך הוא זרם אספקה ​​נמוך מלבד RFI נמוך יותר (Interference Frequency Interference).

זרם אספקה ​​(I) = זרם שקט (I _q) + (K x תדר)

המונח השני הוא השולט. אנרגיית ה- RFI של מיקרו-בקר כל כך קטנה שקל מאוד לסנן אותה.

אז אם היישום זקוק למהירות מהירה, אל תדאגו לרוץ מהר. אך אם צריכת חשמל מהווה דאגה, רץ לאט יותר ככל שהיישום מאפשר זאת.

טכניקת החלפת תדר שעון

יחידת PLL (Phases Lock Loop) קיימת תמיד ב- MCU בעל ביצועים גבוהים הפועל במהירות גבוהה. ה- PLL מגביר את תדר הקלט לתדר גבוה יותר, למשל, מ 8 מגה-הרץ ל -32 מגה-הרץ. זו האפשרות של היזם לבחור בתדירות ההפעלה המתאימה ליישום. יישומים מסוימים אינם צריכים לפעול במהירות גבוהה, במקרה זה מפתחים צריכים לשמור על תדר השעון של ה- MCU נמוך ככל האפשר בכדי להפעיל את המשימה. עם זאת, בפלטפורמה בתדרים קבועים, כגון MCU בעלות נמוכה של 8 סיביות שאינה מכילה יחידת PLL, יש לשפר את קוד ההוראות כדי להפחית את אנרגיית העיבוד.. כמו כן, ה- MCU המכיל יחידת PLL אינו יכול לנצל את היתרונות של טכניקת החלפת תדרים המאפשרת ל- MCU לפעול בתדירות גבוהה בתקופת עיבוד הנתונים ואז לחזור לפעולה בתדרים נמוכים לתקופת העברת הנתונים.

האיור מסביר את השימוש ביחידת PLL בטכניקת החלפת תדרים.

בחירת דרכי ניהול שעון

חלק מהמיקרו-בקרים המהירים תומכים במצבי ניהול שעון שונים כגון מצב עצירה, מצבי ניהול צריכת חשמל (PMM) ומצב סרק. ניתן לעבור בין מצבים אלה המאפשרים למשתמש לייעל את מהירות המכשיר תוך צריכת חשמל.

ניתן לבחור מקור שעון

מתנד הקריסטל הוא צרכן גדול של חשמל בכל מיקרו-בקר, במיוחד במהלך הפעלת צריכת חשמל נמוכה. מתנד הטבעת, המשמש להפעלה מהירה ממצב עצירה, יכול לשמש גם כדי לספק מקור שעון של 3 עד 4 מגה הרץ במהלך פעולה רגילה. למרות שמתנד קריסטל עדיין נדרש בעת ההפעלה, לאחר שהגביש התייצב, ניתן להחליף את פעולת המכשיר למתנד הטבעת, ולממש חיסכון בהספק של עד 25 מילי-אמפר.

בקרת מהירות שעון

תדר ההפעלה של מיקרו-בקר הוא הגורם היחיד הגדול ביותר בקביעת צריכת החשמל. משפחת המיקרו-בקרים המהירה במהירות תומכת במצבי ניהול מהירות שעון שונים החוסכים בחשמל על ידי האטה או עצירה של השעון הפנימי. מצבים אלה מאפשרים למפתח המערכת למקסם את החיסכון בחשמל עם מינימום השפעה על הביצועים.

ביצוע תוכנה מזיכרון או זיכרון RAM לא נדיף

על מפתחים לשקול היטב אם תוכנה מבוצעת מזיכרונות שאינם נדיפים או מזיכרון RAM בהערכת הצריכה הנוכחית. ביצוע מ- RAM יכול להציע מפרט זרם פעיל פעיל יותר; עם זאת, יישומים רבים אינם קטנים מספיק בכדי לבצע אותם באמצעות זיכרון RAM בלבד ומחייבים ביצוע תוכניות מזיכרון שאינו נדיף.

שעוני אוטובוס מופעלים או מושבתים

מרבית יישומי המיקרו-בקר דורשים גישה לזיכרונות ולציוד היקפי במהלך ביצוע התוכנה. זה מחייב הפעלת שעוני אוטובוס וצריך להתחשב בהערכות הנוכחיות הפעילות.

שימוש במתנד הפנימי

שימוש במתנדים פנימיים והימנעות מתנדים חיצוניים יכולים לחסוך באנרגיה משמעותית. ככל שמתנדים חיצוניים שואבים יותר זרם וכתוצאה מכך יותר צריכת חשמל. כמו כן, לא קשה להשתמש במתנד פנימי, שכן מומלץ להשתמש במתנדים חיצוניים כאשר היישומים דורשים תדר שעון רב יותר.

סיכום

ייצור מוצר בעל צריכת חשמל נמוכה מתחיל בבחירה של MCU וקשה משמעותית כאשר קיימות אפשרויות מגוונות בשוק. לשינוי התדר יכולה להיות השפעה רבה על צריכת החשמל וגם לתת תוצאה טובה של צריכת חשמל. היתרון הנוסף בשינוי התדר הוא שאין עלות חומרה נוספת וניתן ליישמו בקלות בתוכנה. ניתן להשתמש בטכניקה זו לשיפור היעילות האנרגטית של MCU בעלות נמוכה. יתר על כן, כמות החיסכון באנרגיה תלויה בהבדל בין תדרי ההפעלה, זמן עיבוד הנתונים והארכיטקטורה של ה- MCU. ניתן להשיג את החיסכון באנרגיה של עד 66.9% בשימוש בטכניקת החלפת תדרים בהשוואה לתפעול רגיל.

בסופו של יום, עבור מפתחים, מענה לצרכים מוגברים של פונקציונליות מערכת ויעדי ביצועים תוך הגדלת חיי הסוללה של מוצרים, מהווה אתגר משמעותי. כדי לפתח מוצרים המספקים אורך חיי סוללה ארוך ככל האפשר - או אפילו פועלים ללא סוללה כלל - נדרש הבנה מעמיקה הן של דרישות המערכת והן של המפרט הנוכחי של המיקרו-בקר. זה הרבה יותר מורכב מאשר פשוט להעריך כמה זרם ה- MCU צורך כאשר הוא פעיל. בהתאם ליישום המפותח, לשינוי תדרים, זרם המתנה, זרם היקפי עשויים להיות בעלי השפעה משמעותית יותר על חיי הסוללה מאשר כוח MCU.

מאמר זה נוצר בכדי לעזור למפתחים להבין כיצד ה- MCUs צורכים חשמל מבחינת תדירות וניתן לייעל אותם באמצעות שינוי התדר.