Cómo modificar la frecuencia del reloj para reducir el consumo de energía del microcontrolador

Los desarrolladores siempre tienen el desafío de ofrecer altos niveles de funcionalidad y rendimiento y, al mismo tiempo, maximizar la vida útil de la batería. Además, cuando se trata de productos electrónicos, la característica más importante es el consumo de batería. Debería ser lo menos posible para aumentar el tiempo de funcionamiento del dispositivo. La administración de energía es muy crítica en aplicaciones portátiles y que funcionan con baterías. Las diferencias en el consumo de microamperios pueden llevar a meses o años de vida operativa, lo que puede aumentar o disminuir la popularidad y la marca del producto en el mercado. El aumento de productos exige una optimización más eficiente del uso de la batería. Hoy en día, los usuarios exigen una batería de respaldo más larga con productos de tamaño compacto, por lo que los fabricantes se están enfocando en un tamaño de batería más pequeño con una duración de batería súper larga, lo cual es una tarea cuestionable. Pero,los desarrolladores han creado tecnologías de ahorro de energía después de pasar por muchos factores y parámetros críticos que afectan la duración de la batería.

Hay muchos parámetros que afectan el uso de la batería, como el microcontrolador utilizado, el voltaje de funcionamiento, el consumo de corriente, la temperatura ambiente, las condiciones ambientales, los periféricos utilizados, los ciclos de carga-recarga, etc. Con la tendencia de productos inteligentes que llegan al mercado, es muy importante para centrarse primero en la MCU utilizada, para optimizar la duración de la batería. La MCU se convierte en una parte fundamental cuando se trata de ahorrar energía en los productos de pequeño tamaño. Por lo tanto, se recomienda comenzar con la MCU primero. Ahora, MCU viene con diferentes técnicas de ahorro de energía. Para saber más sobre cómo minimizar el consumo de energía en microcontroladores (MCU), consulte el artículo anterior. Este artículo se centra principalmente en uno de los parámetros importantes para reducir el consumo de energía en el microcontrolador, que es la modificación de la frecuencia del reloj.que debe tenerse cuidado al usar MCU para aplicaciones de baja potencia.

¿Por qué modificar la frecuencia del reloj en microcontroladores?

De los muchos parámetros mencionados anteriormente, la elección de la frecuencia del reloj juega un papel muy importante en el ahorro de energía. El estudio muestra que la selección incorrecta de la frecuencia de funcionamiento de los microcontroladores puede provocar una pérdida significativa de la energía de la batería porcentual (%). Para evitar esta pérdida, los desarrolladores deben encargarse de la selección de frecuencia adecuada para ejecutar el microcontrolador. Ahora, no es necesario que la selección de frecuencia se pueda hacer inicialmente, mientras se configura el microcontrolador, mientras que también se puede elegir entre la programación. Hay muchos microcontroladores que vienen con selección de bits para seleccionar la frecuencia de operación deseada. Además, el microcontrolador puede funcionar a múltiples frecuencias, por lo que los desarrolladores tienen la opción de seleccionar la frecuencia adecuada según la aplicación.

¿Cuál es el efecto de seleccionar múltiples frecuencias en la interpretación?

No hay duda de que la selección de varias frecuencias afectará el rendimiento del microcontrolador. Al igual que en términos de microcontrolador, es bien sabido que la frecuencia y el rendimiento son proporcionales. Significa que, a mayor frecuencia, menor tiempo de ejecución de código y, por tanto, mayor velocidad de ejecución del programa. Así que ahora, está muy claro que si se cambia la frecuencia, el rendimiento también cambiará. Pero no es necesario que los desarrolladores deban ceñirse a una frecuencia solo por el mayor rendimiento del microcontrolador.

Baja o alta frecuencia, ¿cuál elegir?

No siempre es el caso cuando el microcontrolador tiene que entregar un alto rendimiento, hay varias aplicaciones que necesitan un rendimiento moderado del microcontrolador, en este tipo de aplicaciones los desarrolladores pueden disminuir la frecuencia de operación de GHz a MHz e incluso a la frecuencia mínima requerida para ejecutar microcontrolador. Aunque, en algunos casos, se requiere un rendimiento óptimo y también el tiempo de ejecución es crítico, como cuando se manejan ADC flash externos sin búfer FIFO, o en el procesamiento de video y muchas otras aplicaciones, en estas áreas los desarrolladores pueden usar la frecuencia óptima del microcontrolador. Incluso en este tipo de entorno, los desarrolladores pueden codificar inteligentemente para reducir la longitud del código eligiendo la instrucción correcta.

Por ejemplo: si el bucle 'for' toma más instrucciones y se pueden usar varias líneas de instrucciones que utilizan menos memoria para realizar la tarea sin usar el bucle for , los desarrolladores pueden utilizar varias líneas de instrucciones evitando el uso del bucle 'for' .

La selección de la frecuencia adecuada para el microcontrolador depende de los requisitos de la tarea. Una frecuencia más alta significa un mayor consumo de energía pero también más potencia de cálculo. Así que, esencialmente, la elección de la frecuencia es un compromiso entre el consumo de energía y la potencia de cálculo requerida.

Además, la principal ventaja de trabajar a baja frecuencia es la baja corriente de suministro, además de un menor RFI (interferencia de radiofrecuencia).

Corriente de suministro (I) = Corriente de reposo (I _q) + (K x Frecuencia)

El segundo término es predominante. La energía RFI de un microcontrolador es tan pequeña que es muy fácil de filtrar.

Entonces, si la aplicación necesita una velocidad rápida, no se preocupe por correr rápido. Pero si el consumo de energía es un problema, ejecútelo tan lento como lo permita la aplicación.

Técnica de conmutación de frecuencia de reloj

La unidad PLL (Phases Lock Loop) siempre existe en una MCU de alto rendimiento que funciona a alta velocidad. El PLL aumenta la frecuencia de entrada a una frecuencia más alta, por ejemplo, de 8 MHz a 32 Mhz. Es opción del desarrollador elegir la frecuencia de operación adecuada para la aplicación. Algunas aplicaciones no necesitan ejecutarse a alta velocidad, en ese caso, los desarrolladores deben mantener la frecuencia de reloj de la MCU lo más baja posible para ejecutar la tarea. Sin embargo, en una plataforma de frecuencia fija, como una MCU de 8 bits de bajo costo que no contiene una unidad PLL, se debe mejorar el código de instrucción para reducir la energía de procesamiento. Además, la MCU que contiene una unidad PLL no puede aprovechar los beneficios de la técnica de conmutación de frecuencia que permite que la MCU funcione a alta frecuencia en el período de procesamiento de datos y luego vuelva a la operación de baja frecuencia durante el período de transmisión de datos.

La figura explica el uso de la unidad PLL en la técnica de conmutación de frecuencia.

Selección de modos de funcionamiento de la gestión del reloj

Algunos de los microcontroladores de alta velocidad admiten diferentes modos de administración de reloj, como el modo de parada, los modos de administración de energía (PMM) y el modo inactivo. Es posible cambiar entre estos modos permitiendo al usuario optimizar la velocidad del dispositivo mientras consume energía.

Fuente de reloj seleccionable

El oscilador de cristal es un gran consumidor de energía en cualquier microcontrolador, especialmente durante el funcionamiento de baja potencia. El oscilador de anillo, que se utiliza para arranques rápidos desde el modo de parada, también se puede utilizar para proporcionar una fuente de reloj de aproximadamente 3 a 4 MHz durante el funcionamiento normal. Aunque todavía se requiere un oscilador de cristal en el encendido, una vez que el cristal se ha estabilizado, el funcionamiento del dispositivo se puede cambiar al oscilador de anillo, logrando un ahorro de energía de hasta 25 mA.

Control de velocidad del reloj

La frecuencia de funcionamiento de un microcontrolador es el factor más importante para determinar el consumo de energía. La familia de microcontroladores de microcontroladores de alta velocidad admite diferentes modos de gestión de la velocidad del reloj que ahorran energía al ralentizar o detener el reloj interno. Estos modos permiten al desarrollador del sistema maximizar el ahorro de energía con un impacto mínimo en el rendimiento.

Ejecución de software desde memoria no volátil o RAM

Los desarrolladores deben considerar cuidadosamente si el software se ejecuta desde memorias no volátiles o RAM al estimar el consumo actual. La ejecución desde RAM puede ofrecer especificaciones de corriente activa más bajas; sin embargo, muchas aplicaciones no son lo suficientemente pequeñas para ejecutarse solo desde la RAM y requieren que los programas se ejecuten desde una memoria no volátil.

Relojes de bus habilitados o deshabilitados

La mayoría de las aplicaciones de microcontroladores requieren acceso a memorias y periféricos durante la ejecución del software. Esto requiere que los relojes de bus estén habilitados y deben tenerse en cuenta en las estimaciones de corriente activa.

Usando el oscilador interno

Usar osciladores internos y evitar osciladores externos puede ahorrar una cantidad significativa de energía. A medida que los osciladores externos consumen más corriente, el resultado es un mayor uso de energía. Además, no es estricto que uno deba usar un oscilador interno, ya que se recomienda usar osciladores externos cuando las aplicaciones requieren más frecuencia de reloj.

Conclusión

La fabricación de un producto de baja potencia comienza con una elección de MCU y es significativamente difícil cuando hay diversas opciones disponibles en el mercado. La modificación de la frecuencia puede tener un gran impacto en el uso de energía y también dar un buen resultado de consumo de energía. La ventaja adicional de modificar la frecuencia es que no hay costos de hardware adicionales y se puede implementar fácilmente en el software. Esta técnica se puede utilizar para mejorar la eficiencia energética de una MCU de bajo costo. Además, la cantidad de ahorro de energía depende de la diferencia entre las frecuencias operativas, el tiempo de procesamiento de datos y la arquitectura de la MCU. Se puede lograr un ahorro de energía de hasta el 66,9% cuando se utiliza la técnica de conmutación de frecuencia en comparación con el funcionamiento normal.

Al final del día, para los desarrolladores, satisfacer las necesidades de una mayor funcionalidad del sistema y objetivos de rendimiento al tiempo que aumenta la vida útil de la batería de los productos, es un desafío importante. Para desarrollar de forma eficaz productos que ofrezcan la mayor duración posible de la batería, o incluso que funcionen sin batería, es necesario un conocimiento profundo de los requisitos del sistema y de las especificaciones actuales del microcontrolador. Esto es mucho más complejo que simplemente estimar cuánta corriente consume la MCU cuando está activa. Dependiendo de la aplicación que se esté desarrollando, la modificación de la frecuencia, la corriente de reserva y la corriente periférica pueden tener un impacto más significativo en la duración de la batería que la alimentación de la MCU.

Este artículo se creó para ayudar a los desarrolladores a comprender cómo las MCU consumen energía en términos de frecuencia y se pueden optimizar con la modificación de la frecuencia.