摘要

本文將為您詳細(xì)介紹RA2E3 MCU的省電功能如何降低應(yīng)用中不必要的功耗。

Prabhath Horagodage

Senior Staff Product Management

微控制器用于多種用途。一些應(yīng)用需要高速、高性能和連續(xù)的全速運行，而另一些應(yīng)用只需要在特定周期內(nèi)進(jìn)行部分操作。瑞薩多年來一直在研究這些用例，并設(shè)計了極其節(jié)能的RA2E3，使設(shè)計人員能夠通過其省電功能來降低MCU功耗，以達(dá)到最終用戶的期望，實現(xiàn)高能效和環(huán)保效益。RA2E3提供四種主要的省電模式，可以單獨使用，也可以組合使用：

三種不同的低功耗工作模式

四種不同的電源控制模式

將時鐘頻率切換到適當(dāng)?shù)乃俣?/p>

在特定持續(xù)時間內(nèi)停止不必要的模塊

低功耗工作模式

RA2E3提供以下三種不同的低功耗模式：

休眠模式

軟件待機模式

貪睡模式

當(dāng)滿足所需條件時，可以對MCU進(jìn)行編程，使其自動在這些模式之間轉(zhuǎn)換。在特定條件下（高速時鐘、所有外設(shè)時鐘均已啟用等）的正常模式下的最大電源電流為12 mA，而在特定條件下（所有SRAM均已開啟、所有外設(shè)模塊均停止等）軟件待機模式下的最大電源電流為0.25 μA。睡眠模式和貪睡模式下的電源電流介于正常和軟件待機模式下的電源電流之間，具體取決于操作模塊數(shù)量、時鐘頻率等條件?？梢源致员容^每種模式下的功耗，如圖1所示。低功耗模式之間的轉(zhuǎn)換方法如圖2所示。

圖1 各低功耗模式下功耗的粗略比較（有條件）

圖2 低功耗模式轉(zhuǎn)換方法（詳見MCU硬件手冊）

1睡眠模式

在此模式下，CPU停止運行，但保留其內(nèi)部寄存器的內(nèi)容。其他外設(shè)功能和振蕩器默認(rèn)不停止，但用戶可以設(shè)置是否停止它們。

例如，如果用戶需要在快速模式下執(zhí)行一段時間的A/D轉(zhuǎn)換，但在此期間不需要CPU操作，則用戶可以編程MCU在A/D轉(zhuǎn)換開始時進(jìn)入具有高速轉(zhuǎn)換時鐘的睡眠模式，并在A/D轉(zhuǎn)換完成后返回正常模式。在此示例中，用戶在此期間節(jié)省了不必要的CPU功耗。有關(guān)進(jìn)入、操作和取消睡眠模式的更多詳細(xì)信息，請參閱文末RA2E3硬件手冊。

2軟件待機模式

在此模式下，CPU、大多數(shù)外設(shè)功能和振蕩器停止。但是，CPU內(nèi)部寄存器和SRAM數(shù)據(jù)的內(nèi)容、片上外設(shè)功能的狀態(tài)和I/O端口被保留。軟件待機模式可顯著降低功耗，因為大多數(shù)振蕩器已停止。

例如，如果MCU需要等待外部輸入（如IRQ中斷）啟動特定操作，并且在等待期間不需要其他操作，則用戶可以對MCU進(jìn)行編程，使其保持軟件待機模式，直到接收到輸入，從而節(jié)省大部分不必要的功耗。接收到輸入后，可以在軟件待機模式下執(zhí)行目標(biāo)操作，也可以根據(jù)需要在過渡到貪睡或正常模式后執(zhí)行。目標(biāo)操作完成后，可以再次返回軟件待機模式并等待下一個輸入。有關(guān)進(jìn)入、操作和取消軟件待機模式的更多詳細(xì)信息，請參閱文末RA2E3硬件手冊。

3貪睡模式

在此模式下，CPU停止運行，但其內(nèi)部寄存器的內(nèi)容被保留。大多數(shù)外設(shè)功能和振蕩器的操作都是可選的。如圖2所示，不允許從正常模式或睡眠模式直接過渡到貪睡模式。應(yīng)通過軟件待機模式過渡到貪睡模式。但是，可以直接從“正?！蹦Ｊ竭^渡到“貪睡”模式。

讓我們看一個在貪睡模式下使用UART的示例。在開始UART通信之前，MCU可以保持軟件待機模式，節(jié)省功耗。當(dāng)它開始接收UART數(shù)據(jù)時，MCU可以過渡到貪睡模式并繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，而不會喚醒CPU、不必要的外設(shè)功能和振蕩器。數(shù)據(jù)接收完成后，MCU可以再次返回軟件待機模式，等待下一個UART數(shù)據(jù)。有關(guān)進(jìn)入、操作、結(jié)束和取消貪睡模式的更多詳細(xì)信息，請參閱文末RA2E3硬件手冊。

電源控制模式

有四種功率控制模式，主要根據(jù)最大工作頻率和工作電壓范圍來定義。通過功率模式控制內(nèi)存讀取速度，可以降低內(nèi)存（閃存/RAM）的電流消耗。電源控制模式可用于正常、睡眠和貪睡模式。每種模式的功耗如圖3所示。

1高速模式

在此模式下，MCU的最大工作頻率和電壓范圍分別為48 MHz和1.8至5.5V。在特定條件（在正常模式下工作，禁用所有外設(shè)時鐘，從閃存執(zhí)行CoreMark代碼）模式下，最大電源電流為4.80 mA。

2中速模式

在此模式下，MCU的最大工作頻率和電壓范圍分別為24 MHz和1.8至5.5V。但是，當(dāng)工作電壓為1.6至1.8V時，最大工作頻率為4 MHz。在特定條件下（在正常模式下工作，禁用所有外設(shè)時鐘，從閃存執(zhí)行CoreMark代碼）的典型電源電流為2.60 mA。

3低速模式

在此模式下，MCU的最大工作頻率和電壓范圍分別為2 MHz和1.6至5.5V。在特定條件下（在正常模式下工作，禁用所有外設(shè)時鐘，從閃存執(zhí)行CoreMark代碼）的典型電源電流為0.30 mA。

4Subosc速度模式

在此模式下，MCU的最大工作頻率和電壓范圍分別為37.6832 kHz和1.6至5.5V。在特定條件下，該模式的典型電源電流約為5 μA。

圖3 各電源控制模式下功耗的粗略比較（有條件）

時鐘切換

可以為系統(tǒng)時鐘（ICLK）選擇分頻比。當(dāng)不需要高速時鐘時，用戶可以切換到適當(dāng)?shù)牡退贂r鐘并節(jié)省功耗。時鐘分頻比為1、2、4、8、16、32和64。

頻率越低，電流消耗越低。但就功率性能（mA/MHz）而言，48 MHz是最有效的（100 μA/MHz = 4.8 mA/48 MHz）。一般來說，對于需要更高計算處理和CPU性能的應(yīng)用，可以通過在正常模式下設(shè)置更高的頻率和縮短CPU處理時間來實現(xiàn)更低的功耗。另一方面，對于控制系統(tǒng)等應(yīng)用，可以通過在正常模式下將頻率設(shè)置為較低的值來降低電流消耗。

例如，ICLK為48 MHz、32 MHz、16 MHz和8 MHz時，在以下省電功能的條件下，典型電源電流分別為4.80 mA、3.45 mA、2.05 mA和1.40 mA。低功耗模式：正常模式，功率控制模式：高速模式，模塊停止：禁用所有外設(shè)時鐘。

圖4 其他省電功能條件相同時的功耗粗略比較

外設(shè)時鐘（PCLKB、PCLKD）也可以選擇時鐘分頻比1、2、4、8、16、32和64。

模塊停止功能

通過以下寄存器設(shè)置停止非工作模塊或其時鐘，可以節(jié)省功耗：

DTC、I2C、SPI、SCI、CAC、CRC、DOC、ELC、AGT、GPT32n、GPT16n、POEG、ADC120模塊的運行可以通過設(shè)置MSTPCRn（n：A、B、C、D）寄存器來停止

RTC、WDT、IWDT的寄存器讀/寫時鐘可以通過LSMRWDIS寄存器的設(shè)置來停止

MPU、調(diào)試、BPF的運行時鐘可以通過設(shè)置LPOPT寄存器來停止

在軟件待機模式下，16 KB SRAM中的8 KB可以通過PSMCR寄存器的設(shè)置關(guān)閉

各省電功能組合

結(jié)合使用省電功能可以實現(xiàn)更多的省電效果。該表詳細(xì)介紹了五種情況，這些情況只是眾多可能組合中的幾個例子。

表1 省電功能組合示例（適用條件）

圖5 各組合情況下功耗粗略比較

審核編輯：湯梓紅