David Flowers, Microchip Technology
ידע הוא כוח, ובתכנונים משובצים ידע בהתקנים ההקפיים ובתכונות של כל מיקרו בקר משמעו הכוח להפחית את צריכת החשמל. הקדשת זמן לרכישת ידע מעמיק בכל ההתקנים ההקפיים, מצבי החיסכון בצריכת חשמל והתכונות שספציפיות לכל בקר יכולה להפחית באופן דרמטי את צריכת החשמל בתכנונים משובצים.
פעיל, לא פעיל ושינה
רוב הבקרים מציעים למתכננים מגוון מצבים מוכרים של חיסכון בצריכת חשמל: פעיל, לא פעיל ושינה (ראו איור 1). אולם, ידע במגוון הרחב של מצבים ותכונות שספציפיים לכל בקר הוא חיוני כדי להשיג בתכנון את צריכת החשמל המינימלית המוחלטת. דוגמה אחת של מצב ספציפי לארכיטקטורה, שנמצא בבקרים מסוימים, הוא שינה עמוקה. במצב זה מסלקים את החשמל מליבת הבקר כדי למזער את הצריכה שלו מתחת לרמה של מצב הכיבוי הרגיל (ראו איור 2).
סילוק החשמל מליבת הבקר מסלק אותו גם מזיכרון ה-RAM, וגורם לאובדן מידע שנשמר במצבים אחרים של צריכה נמוכה, כגון שינה. אולם, היתרון של השינה העמוקה הוא זרם הזליגה הנמוך מאוד שנגרם על ידי כיבוי רוב ההתקן. התוצאה יכולה להיות זרמי כיבוי נמוכים יותר באופן משמעותי, במקרים מסוימים פחות מ-50 nA, כפי שאפשר לראות באיור 1. הזליגה הנמוכה גם גורמת לביצועים טובים יותר של מצבי שינה עמוקה ביישומים של טמפרטורות גבוהות או מתחים גבוהים שהיו גורמים לזרמים גבוהים במצב שינה. היתרון החשוב האחר של מצב שינה עמוקה הוא שהוא מאפשר מעבר של תכנוני שבבים לגיאומטריות קטנות יותר עם ביצועים טובים יותר, בלי להקריב את צריכת החשמל הנמוכה. הדרך הטובה ביותר להשתמש במצב זה היא ביישומים עם זמני כיבוי ארוכים, שבהם העלות של האתחול מחדש של היישום עולה בהרבה על ההפחתה בזרם הכיבוי.
לא רק מצבי הצריכה הנמוכה יכולים להפחית את צריכת החשמל, ולתכונות רבות שמשפרות את הביצועים יש גם יתרונות מבחינת הצריכה. לדוגמה, אפשר להשתמש במתנד הפנימי של הבקר בזמן שהגביש הראשי מתחיל להריץ קוד אתחול. זה מפחית את הזמן הכולל שההתקן נמצא במצב התעוררות.
צריכת החשמל של התקנים הקפיים דיגיטליים
גם התקנים הקפיים משולבים יכולים לשפר משמעותית את הביצועים של בקרים ולאפשר הסרה של רכיבים חיצוניים, ושני הדברים האלה עוזרים להפחית את צריכת החשמל. אולם, אם לא משתמשים בהם נכון, העלות של הפעלת ההתקן ההיקפי יכולה לעלות על החיסכון בחשמל.
באופן כללי, ההתקנים היקפיים זוללי החשמל הגדולים ביותר של הבקר הם אפיקי תקשורת טוריים. גם I2C™ וגם SPI משתמשים לתקשורת שלהם בקווים מהירים מרובים ועלות החשמל של הנעת הקווים האלה היא משמעותית. SPI יכול לצרוך הרבה מילי אמפרים של זרם כשהוא מופעל במהירויות גבוהות, משום שהוא מצריך הנעה של שלושה ק/פ מהירים שגורמים לאובדני מיתוג משמעותיים. I2C הוא אמנם איטי יותר, אבל הוא יכול היות גרוע יותר משום שהוא משתמש בנגדים מושכים מעלים (pull-up resistors), שיכולים למשוך זרם ניכר כשמשתמשים בנגדים כאלה עם התנגדות נמוכה כדי להשיג מהירויות גבוהות.
הפתרון הפשוט ביותר להפחתת צריכת החשמל של התקני התקשורת הטורית האלה היא להפחית את המהירות, אבל זה לא תמיד אפשרי. רוב העלות של הפעלת תקשורת טורית באה מהנעת האפיק, ולכן שם צריך להתמקד בהפחתה. לגבי SPI, חשוב שיהיה תסדיר של לוח נקי עם עקבות קצרות כדי למזער את העכבה בקו. לגבי I2C, דרוש ההפך: נגדים מושכים מעלים עם התנגדות גבוהה יותר באפיק יפחיתו את צריכת הזרם ובמקרים מסוימים אפשר להשתמש בהם בלי להפחית את המהירות המכסימלית. בשני המקרים, אפשר למזער את צריכת החשמל על ידי הפחתת מספר ההתקנים בערוץ או על ידי כיבוי התקנים שלא בשימוש, במקום להשתמש בבוררי שבבים. בתוכנה, אפשר להפחית את צריכת החשמל של התקנים הקפיים אלה על ידי כך שמוודאים שהמעבד לא זמין אם היישום מחכה לנתונים טוריים. בנוסף, קיבוץ השידורים הטוריים באשכולות במקום לשדר כל הזמן מאפשר ליישום להיות יותר זמן מכובה ופחות זמן בהתעוררות כדי לשלוח ולקבל נתונים.
צריכת החשמל של התקנים הקפיים אנלוגיים
להתקנים ההקפיים האנלוגיים שעל הבקרים, כגון BOR, קומפרטורים ו-ADC (ממיר אנלוגי לספרתי), יכולה להיות השפעה גדולה על צריכת הזרם אבל לא תמיד אפשר למטב את צריכת החשמל שלהם כמו בהתקנים דיגיטליים. לכן חשוב שהיישום הופך תכונות אנלוגיות לזמינות רק כשהן דרושות. בבקרים רבים, לדוגמה, עדיף להשתמש בשעון ובזמן הדגימה המהירים ביותר ולהפוך את ה-ADC ללא זמין אחרי השלמת הדגימה מאשר להאריך את זמן הדגימה או להאט את השעון של ה-ADC כדי לקבל את קצב הדגימה הדרוש. באופן דומה, תכונות BOR הן חשובות יותר כשההתקן פועל, כדי לזהות נפילות מתח קטנות שעלולות לגרום לביצוע שגוי, מאשר כשההתקן מכובה, שאז ה-BOR דרוש רק כדי לזהות נפילות שהן גדולות מספיק כדי לגרום להשחתה של זיכרון ה-RAM. באמצעות הגדרת ה-BOR לשימוש במצב של צריכת חשמל נמוכה יותר במצב שינה מאשר במצב פעיל אפשר להשיג משיכת זרם נמוכה עד כדי 50 nA או פחות בזמן שינה, תוך שמירה על ביצועים גבוהים בזמן פעילות.
סיכום
כל הבקרים מיישמים מערך של תכונות שאפשר להשתמש בהן לשיפור צריכת החשמל של התכנון. אולם, רק חלק קטן מהן ישימות לכל ההתקנים. חשוב להכיר את כל ההתקנים ההקפיים והתכונות הייחודיות שספציפיים לכל בקר, כדי להשתמש בידע הזה כדי למטב את צריכת החשמל של התכנון.
*חברת מייקרוצ’יפ מיוצגת בבלעדיות בישראל ע”י חברת סוטאל
