Smart Meter im Smart Grid

Entwicklungstechniken für stromsparende Mikrocontroller

10.06.14 | Autor / Redakteur: Graeme Clark * / Holger Heller

Stromsparende Mikrocontroller: Die RX100-MCUs von Renesas eignen sich für Smart Meter und ähnliche Anwendungen, die einen Batteriebetrieb erfordern
Stromsparende Mikrocontroller: Die RX100-MCUs von Renesas eignen sich für Smart Meter und ähnliche Anwendungen, die einen Batteriebetrieb erfordern (Bild: VBM-Archiv)

Im Embedded-Markt müssen Entwickler heute immer mehr Funktionen mit immer geringerem Aufwand liefern – zu niedrigeren Kosten, bei geringerem Stromverbrauch und in kompakteren Abmessungen.

Der Trends hin zu energieeffizienteren und umweltfreundlicheren Produkten erfordert neue Mikrocontroller (MCUs) wie den RX100 von Renesas. Sie sind für stromsparenden Betrieb ausgelegt und liefern hohe CPU-Leistung bei umfangreicher Peripherie- und Speicherausstattung, während sie im Betrieb nahezu kaum Leistung verbrauchen. Diese Bausteine können schnell aus einem Ruhezustand aufwachen, verbrauchen im aktiven Betrieb weniger Strom als bestehende Lösungen und erzielen ein hohes Leistungsniveau. Entwickler profitieren davon, um Produkte mit neuen Funktionen zu schaffen, und damit die Marktanforderungen zu erfüllen.

Die RX100-MCUs zählen zu den ersten 32-Bit-MCUs der Branche, die eine Power-Control-Technik zusammen mit Funktionen wie schnelle Wake-up-Zeiten, Zero-Waitstate-Flash, Sicherheitsfunktionen, USB 2.0 Host/Device und On-the-Go kombinieren. Sie eignen sich für mobile Medizinelektronik, Smart Meter und Sicherheitssysteme sowie für Sensoren, Detektoren und andere Elemente der industriellen Steuerungstechnik sowie für die Gebäude-Automatisierung.

Die wichtigsten Low-Power-Merkmale:

  • hohe Leistungseffizienz im Run-Modus: 100 μA/MHz,
  • schnelle Aufwachzeit: maximal 4,8 µs,
  • 3,08 Coremarks/MHz Rechenleistung,
  • sechs Betriebsarten plus weitere Design-Optionen zum Stromsparen,
  • standardmäßig integrierte Peripherie wie ADC, LVD, RTC, USB etc.

Auf Leistungseffizienz optimierte Run-Betriebsarten (High-Speed, Middle-Speed und Low-Speed) minimieren den Stromverbrauch, wenn unterschiedliche CPU-Geschwindigkeiten für die verschiedenen Aufgaben benötigt werden. Dazu kann der Entwickler mit drei Low-Power-Betriebsarten (Sleep, Deep Sleep und Software Standby) nicht nur die Systemleistung, sondern auch die Stromversorgung genau an die Anforderungen anpassen. Daneben sind auch weitere Stromspartechniken erwähnenswert, wie Zero-Waitstate-Flash. Damit sinkt der Stromverbrauch, da die CPU nicht nutzlos auf Daten warten muss, die aus dem nichtflüchtigen Speicher geholt werden. Jede integrierte Peripherie lässt sich einzeln abschalten, so dass nicht genutzte Funktionen auch nicht unnötig Leistung verbrauchen.

CPU-Architektur für rechentechnische Effizienz

Das Taktsystem kann die Taktrate der Signale für die Peripherie senken, während die CPU bei variablen Frequenzen bis zur Maximalfrequenz arbeitet. Zusätzlich gibt es verschiedene Oszillatoren(HOCO oder LOCO) zum Aufwecken der CPU. Weitere Leistungseinsparungen lassen sich durch die Nutzung dieser Takte anstelle des Phase-Lock-Loop-(PLL-)Haupttakts erzielen. Die CPU-Architektur der RX-Familie ist für rechentechnische Effizienz konzipiert und erzielt die höchstmögliche Anzahl an Instruktionen pro mW. Die Interrupt-Latenz beträgt fünf Zyklen und die Rechenleistung ist spezifiziert mit 1,54 DMIPS/MHz bzw. 3,08 Coremarks/MHz. Die große Zahl von Parallel-Bussen in der Architektur ermöglicht simultane Datenbewegungen zwischen CPU-Kern, Flash, SRAM und Peripherie. Dies vermeidet Engpässe beim Aufwachen der CPU aus einem Power-Down-Modus.

Wie erwähnt, verfügt die CPU über drei Run-Betriebsarten mit unterschiedlichem Stromverbrauch: High-Speed, Middle-Speed und Low-Speed. Jede davon stellt einen anderen Satz integrierter Peripheriemodule bereit. Dabei gibt es allerdings einige Einschränkungen. Die Verfügbarkeit mancher Oszillatoren, des PLL, der Flash-Programmierung sowie bestimmter Taktfrequenzen für Peripheriemodule ist abhängig vom gewählten Run-Modus. Andererseits sind die Anforderungen an die Versorgungsspannung der MCU unabhängig von den Run-Modi des Power Controllers. Der Betrieb ist immer über den gesamten Versorgungsspannungsbereich des Bauteils von 1,8 bis 3,6 V möglich. Allerdings hängen die in den High-, Middle- und Low-Speed-Betriebsarten nutzbaren Taktfrequenzen von der Versorgungsspannung ab.

Low-Power-Betriebsarten Sleep, Deep Sleep und Software-Standby

Neben den drei für niedrigen Stromverbrauch optimiertem Betriebsarten bietet der RX100 auch die o.g. Low-Power-Betriebsarten Sleep, Deep Sleep und Software-Standby. In jedem von ihnen sind unterschiedliche MCU-Funktionen angehalten und/oder stromlos geschaltet, so dass sich unterschiedliche Energieeinsparungen erzielen lassen.

  • Sleep-Modus: Die CPU wird angehalten, wobei die Daten erhalten bleiben. Dies verringert den dynamischen Stromverbrauch der CPU, der ein wesentlicher Faktor des gesamten MCU-Betriebsstroms ist. Die CPU kann bei einer Taktfrequenz von 32 MHz in nur 0,21 µs aus dem Sleep-Modus in den Run-Modus wechseln.
  • Deep-Sleep-Modus: CPU, RAM und Flash werden angehalten, gleichzeitig bleiben die Daten erhalten. Bei einer Taktfrequenz von 32 MHz mit mehrerer aktiver Peripherie beträgt der typische Betriebsstrom nur 4,6 mA. Die CPU benötigt nur 2,24 µs, um aus dem Deep-Sleep-Modus aufzuwachen und in den Run-Modus überzugehen.
  • Software-Standby-Modus: PLL und alle Oszillatoren außer Sub-Clock und IWDT sind stillgelegt. Fast alle der RX100-Module – CPU, SRAM, Flash, DTC und Peripherie sind angehalten, wobei die Daten erhalten bleiben. Die POR-Schaltung (Power-on-Reset) bleibt jedoch aktiv und bei Bedarf lassen sich die iWDT-, RTC- und LVD-Module nutzen. Der Stromverbrauch in dieser Betriebsart beträgt zwischen 350 und 790 nA abhängig davon, ob die LVD- und RTC-Funktionen genutzt werden. Beim Aufwachen in den 4MHz-Run-Modus beginnt der CPU-Betrieb nach einer Verzögerung von 4,8 µs. Beim Aufwachen in den schnellen 32 MHz Run-Modus verlängert sich die Wartezeit auf 40 µs.

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