Comment modifier la fréquence d'horloge pour réduire la consommation d'énergie du microcontrôleur

Les développeurs ont toujours le défi de fournir des niveaux élevés de fonctionnalités et de performances tout en maximisant la durée de vie de la batterie. En ce qui concerne les produits électroniques, la caractéristique la plus importante est la consommation de la batterie. Il doit être le moins possible pour augmenter la durée de fonctionnement de l'appareil. La gestion de l'alimentation est très critique dans les applications portables et alimentées par batterie. Les différences de consommation de microampères peuvent conduire à des mois ou des années de durée de vie, ce qui peut augmenter ou diminuer la popularité et la marque du produit sur le marché. L'augmentation des produits exige une optimisation plus efficace de l'utilisation des batteries. De nos jours, les utilisateurs exigent une batterie de secours plus longue avec des produits de taille compacte, de sorte que les fabricants se concentrent sur une batterie de plus petite taille avec une durée de vie de batterie très longue, ce qui est une tâche discutable. Mais,les développeurs ont mis au point des technologies d'économie d'énergie après avoir examiné de nombreux facteurs et paramètres critiques affectant la durée de vie de la batterie.

Il existe de nombreux paramètres qui affectent l'utilisation de la batterie tels que le microcontrôleur utilisé, la tension de fonctionnement, la consommation de courant, la température ambiante, les conditions environnementales, les périphériques utilisés, les cycles de charge-recharge, etc. Avec la tendance des produits intelligents à venir sur le marché, c'est très important se concentrer d'abord sur le MCU utilisé, pour optimiser l'autonomie de la batterie. Le MCU devient un élément critique lorsqu'il s'agit d'économiser de l'énergie dans les produits de petite taille. Il est donc recommandé de commencer par le MCU. Maintenant, MCU est livré avec différentes techniques d'économie d'énergie. Pour en savoir plus sur la réduction de la consommation d'énergie dans les microcontrôleurs (MCU), reportez-vous à l'article précédent. Cet article se concentre principalement sur l'un des paramètres importants pour réduire la consommation d'énergie dans le microcontrôleur, à savoir la modification de la fréquence d'horlogece qui doit être pris en compte lors de l'utilisation de MCU pour des applications à faible puissance.

Pourquoi modifier la fréquence d'horloge dans les microcontrôleurs?

Parmi les nombreux paramètres mentionnés ci-dessus, le choix de la fréquence d'horloge joue un rôle très important dans l'économie d'énergie. L'étude montre qu'une mauvaise sélection de la fréquence de fonctionnement des microcontrôleurs peut entraîner une perte significative en pourcentage (%) de la puissance de la batterie. Afin d'éviter cette perte, les développeurs doivent prendre soin de la sélection de fréquence appropriée pour exécuter le microcontrôleur. Or, il n'est pas nécessaire que la sélection de fréquence puisse être effectuée initialement, lors de la mise en place du microcontrôleur, alors qu'elle peut également être choisie entre la programmation. Il existe de nombreux microcontrôleurs avec sélection de bits pour sélectionner la fréquence de fonctionnement souhaitée. De plus, le microcontrôleur peut fonctionner à plusieurs fréquences, de sorte que les développeurs ont la possibilité de sélectionner la fréquence appropriée en fonction de l'application.

Quel est l'effet de la sélection de plusieurs fréquences sur la performance?

Il ne fait aucun doute que la sélection de diverses fréquences affectera les performances du microcontrôleur. Comme pour le microcontrôleur, il est bien connu que la fréquence et les performances sont proportionnelles. Cela signifie que, plus la fréquence sera élevée, moins de temps d'exécution du code et donc une plus grande vitesse d'exécution du programme. Alors maintenant, il est très clair que si la fréquence est modifiée, les performances changeront également. Mais il n'est pas nécessaire que les développeurs aient besoin de s'en tenir à une fréquence juste pour des performances supérieures du microcontrôleur.

Basse ou haute fréquence, laquelle choisir?

Ce n'est pas toujours le cas lorsque le microcontrôleur doit fournir des performances élevées, il existe plusieurs applications qui nécessitent des performances modérées du microcontrôleur, dans ce type d'applications les développeurs peuvent diminuer la fréquence de fonctionnement de GHz à MHz et même à la fréquence minimale requise pour exécuter le microcontrôleur. Bien que, dans certains cas, des performances optimales soient requises et que le temps d'exécution soit également critique, par exemple lors de la commande d'ADC flash externes sans tampon FIFO, ou dans le traitement vidéo et de nombreuses autres applications, dans ces domaines, les développeurs peuvent utiliser la fréquence optimale du microcontrôleur. Même en utilisant ce type d'environnement, les développeurs peuvent coder intelligemment pour réduire la longueur du code en choisissant la bonne instruction.

Par exemple: si la boucle 'for' prend plus d'instructions et que l'on peut utiliser plusieurs lignes d'instructions qui utilisent moins de mémoire pour faire la tâche sans utiliser la boucle for , alors les développeurs peuvent utiliser plusieurs lignes d'instructions en évitant d'utiliser la boucle 'for' .

Le choix de la fréquence appropriée pour le microcontrôleur dépend des exigences de la tâche. Une fréquence plus élevée signifie une consommation d'énergie plus élevée, mais également plus de puissance de calcul. Le choix de la fréquence est donc essentiellement un compromis entre la consommation d'énergie et la puissance de calcul requise.

De plus, le principal avantage du travail à basse fréquence est un faible courant d'alimentation en plus d'un RFI (radiofréquence) plus faible.

Courant d'alimentation (I) = courant de repos (I _q) + (K x fréquence)

Le deuxième terme est prédominant. L'énergie RFI d'un microcontrôleur est si petite qu'elle est très facile à filtrer.

Donc, si l'application a besoin d'une vitesse rapide, ne vous inquiétez pas de la vitesse d'exécution. Mais si la consommation d'énergie est un problème, exécutez aussi lentement que l'application le permet.

Technique de commutation horloge-fréquence

L'unité PLL (Phases Lock Loop) existe toujours dans un MCU hautes performances fonctionnant à grande vitesse. Le PLL augmente la fréquence d'entrée à une fréquence plus élevée, par exemple de 8 MHz à 32 Mhz. Le développeur a la possibilité de choisir la fréquence de fonctionnement appropriée pour l'application. Certaines applications n'ont pas besoin de s'exécuter à une vitesse élevée.Dans ce cas, les développeurs doivent maintenir la fréquence d'horloge du MCU aussi basse que possible pour exécuter la tâche. Cependant, dans une plate-forme à fréquence fixe, telle qu'un MCU 8 bits à faible coût qui ne contient pas d'unité PLL, il faut améliorer le code d'instruction pour réduire l'énergie de traitement.. De plus, le microcontrôleur qui contient une unité PLL ne peut pas exploiter les avantages de la technique de commutation de fréquence qui permet au microcontrôleur de fonctionner à haute fréquence pendant la période de traitement des données, puis de revenir au fonctionnement à basse fréquence pendant la période de transmission de données.

La figure explique l'utilisation de l'unité PLL dans la technique de commutation de fréquence.

Sélection des modes de fonctionnement de la gestion de l'horloge

Certains des microcontrôleurs haute vitesse prennent en charge différents modes de gestion de l'horloge tels que le mode d'arrêt, les modes de gestion de l'alimentation (PMM) et le mode veille. Il est possible de basculer entre ces modes permettant à l'utilisateur d'optimiser la vitesse de l'appareil tout en consommant de l'énergie.

Source d'horloge sélectionnable

L'oscillateur à cristal est un gros consommateur d'énergie sur n'importe quel microcontrôleur, en particulier lors d'un fonctionnement à faible puissance. L'oscillateur en anneau, utilisé pour les démarrages rapides à partir du mode d'arrêt, peut également être utilisé pour fournir une source d'horloge d'environ 3 à 4 MHz pendant le fonctionnement normal. Bien qu'un oscillateur à cristal soit toujours nécessaire à la mise sous tension, une fois que le cristal s'est stabilisé, le fonctionnement de l'appareil peut être commuté sur l'oscillateur en anneau, réalisant une économie d'énergie pouvant atteindre 25 mA.

Contrôle de la vitesse d'horloge

La fréquence de fonctionnement d'un microcontrôleur est le facteur le plus important pour déterminer la consommation d'énergie. La famille de microcontrôleurs High-Speed ​​Microcontroller prend en charge différents modes de gestion de la vitesse d'horloge qui économisent l'énergie en ralentissant ou en arrêtant l'horloge interne. Ces modes permettent au développeur du système de maximiser les économies d'énergie avec un impact minimal sur les performances.

Exécution logicielle à partir de la mémoire non volatile ou de la RAM

Les développeurs doivent examiner attentivement si le logiciel est exécuté à partir de mémoires non volatiles ou de RAM lors de l'estimation de la consommation de courant. L'exécution à partir de la RAM peut offrir des spécifications de courant actif inférieures; cependant, de nombreuses applications ne sont pas assez petites pour s'exécuter à partir de la RAM seule et nécessitent que les programmes soient exécutés à partir de la mémoire non volatile.

Horloges de bus activées ou désactivées

La plupart des applications de microcontrôleur nécessitent un accès aux mémoires et aux périphériques pendant l'exécution du logiciel. Cela nécessite l'activation des horloges de bus et doit être pris en compte dans les estimations de courant actif.

Utilisation de l'oscillateur interne

Utiliser des oscillateurs internes et éviter les oscillateurs externes peut économiser une énergie considérable. Comme les oscillateurs externes consomment plus de courant, ce qui entraîne une plus grande consommation d'énergie. Il n'est pas non plus nécessaire d'utiliser un oscillateur interne, car il est conseillé d'utiliser des oscillateurs externes lorsque les applications nécessitent plus de fréquence d'horloge.

Conclusion

Faire un produit de faible puissance commence par un choix de MCU et il est considérablement difficile lorsque diverses options sont disponibles sur le marché. La modification de la fréquence peut avoir un impact important sur la consommation d'énergie et également donner un bon résultat de consommation d'énergie. L'avantage supplémentaire de modifier la fréquence est qu'il n'y a pas de coût matériel supplémentaire et qu'il peut être implémenté facilement dans le logiciel. Cette technique peut être utilisée pour améliorer l'efficacité énergétique d'un microcontrôleur à faible coût. De plus, la quantité d'économie d'énergie dépend de la différence entre les fréquences de fonctionnement, le temps de traitement des données et l'architecture du MCU. L'économie d'énergie jusqu'à 66,9% peut être obtenue en utilisant la technique de commutation de fréquence par rapport au fonctionnement normal.

En fin de compte, pour les développeurs, répondre aux besoins d'augmentation des fonctionnalités du système et des objectifs de performance tout en augmentant la durée de vie de la batterie des produits est un défi de taille. Pour développer efficacement des produits qui offrent la plus longue durée de vie possible de la batterie - ou même fonctionnent sans batterie du tout - nécessite une compréhension approfondie des exigences du système et des spécifications actuelles du microcontrôleur. C'est beaucoup plus complexe que d'estimer simplement la quantité de courant consommée par le MCU lorsqu'il est actif. Selon l'application en cours de développement, la modification de fréquence, le courant de veille, le courant périphérique peuvent avoir un impact plus important sur la durée de vie de la batterie que l'alimentation du MCU.

Cet article a été créé pour aider les développeurs à comprendre comment les MCU consomment de l'énergie en termes de fréquence et peuvent être optimisés avec une modification de fréquence.