Nuvaton İle Low Power Uygulamalar

Günümüz teknolojisinde enerji tüketimi oldukça önemli bir parametre haline geldi. Özellikle pil ile çalışan cihazların çok düşük enerji tüketmesi gerekiyor. Düşük pil tüketimi cihazlarda kullanılan pillerin boyutunun küçülmesini ve daha uzun bir kullanım süresi sağlıyor. Şehir şebekesinden çalışan cihazlar içinde akım tüketimi önemli bir faktördür. Özellikle buzdolabı gibi sürekli şebekeye bağlı olan cihazların güç tüketimi enerji verimliliğini etkiliyor ve enerji verimliliği iyi olmayan cihazlar enerjinin boşa tüketilmesine neden oluyor.

Low power bir cihaz tasarımı yapmak için 3 önemli aşama doğru şekilde gerçekleştirilmelidir.
● Doğru malzeme seçimi
● Low power donanım tasarımı
● Low power yazılım

Doğru Malzeme Seçimi

Malzeme seçimi yapılırken her bir malzemenin low power çalışmaya uygun olup olmadığı incelenmeli. Özellikle işlemci seçimi güç tüketimini oldukça etkilemektedir. İşlemcilerin farklı low power modları bulunuyor, yazılım bölümünde bu modların özelliklerini daha detaylı olarak inceleyeceğiz. Pilli uygulamalarda işlemcinin ve devre üzerinde kullanılan tüm malzemelerin minimum ve maksimum çalışma gerilimleri göz önünde bulundurulmalı. Pil gerilimi işlemcinin ve diğer malzemelerin çalışma geriliminden fazla ise voltaj regülatörü (LDO) kullanılmalı ve kullanılan LDO’nun kendi üzerinde tüketmiş olduğu akım oldukça düşük olmalıdır. Bu değer datasheet’lerde “quiescent current”, “ground current” veya “Iss” olarak ifade ediliyor. Kullanılan LDO’nun low dropout olması da önemli bir faktördür. Low dropout, LDO’nun giriş ve çıkış gerilimi arasındaki minimum farkı ifade eder ve bu farkın küçük olması cihazın daha düşük gerilimlerde çalışabilmesi sağlar.

İşlemcilerde akım tüketimi için bir diğer önemli faktör akım / frekans değeridir, uA / Mhz olarak yazılır. Bu değer ne kadar düşük ise cihaz aktif modda iken daha az güç tüketir. Nuvoton low power işlemci üretiminde en iyiler arasında yer alıyor. Özellikle 8051 mimarisine sahip low power ürünleri hem düşük maliyet hem de düşük güç tüketimi sağlıyor.

Power management

• Normal run mode: 80 μA/MHz
• Low power run mode (run with LIRC): lowest current 15μA
• Idle mode: lowest current: 13 μA
• Power-down current: Lowest current <1 μA
• Wake up from power down in 10us

1T 8051-based CMOS microcontroller running up to 24MHz

• Built-in LDO for wide operating voltage ranges from 1.8 V to 5.5 V
• Temperature range: -40 °C to +105 °C

Nuvoton ML51 serisi işlemciler Powerdown modda 1uA değerinin altında akım tüketimine sahiptir. Çalışma gerilim aralığı 1.8V ile 5.5V arasındadır, bu özelliği ile pilli uygulamalar için oldukça ideal bir çalışma arılığı sağlar. Farklı kılıf seçenekleri ile çok küçük alanlarda kullanılabilir.

LCD Controller

• 4×31 & 6×29 COM/SEG LCD

Ultra-Low Power Consumption

• 200 μA/MHz (Normal)
• 75 μA/MHz (Idle)
• 2.5 μA (Power down, RTC on, RAM retention) • 1 μA (Power down, RAM retention)
• Fast wake-up: less than 3.5 us

Connectivity

• USB 2.0 FS
• Up to three SPls (up to 32 MHz)
• Up to two l²Cs (up to 1 MHz)
• Up to five UARTs (two up to 1 Mbps)
• Up to three ISO-7816-3 for smart card application
• One l²S Interface
• 8/16 bits EBI interface

Nuvoton Nano serisi işlemciler oldukça düşük güç tüketimi ve gelişmiş çevresel donanımlar içerir. Dahili RTC, Segment LCD driver ve USB özellikleri ile birçok uygulama için ideal çözüm sağlar.

Low Power Donanım Tasarımı

Low power uygulamalarında her ne kadar işlemci düşük güçte çalışsa da çevresel malzemeler doğru şekilde bağlanmadığı sürece güç tüketimini azaltmak mümkün değildir. Devre üzerinde malzemeler sadece kullanılacağı zaman aktif hale gelmeli, işlem bittikten sonra kapatılmalıdır. Örneğin, NTC ile sıcaklık okunacak ise NTC’ye gerilim bir pin üzerinden verilmeli okuma bittikten sonra pin 0V’a çekilerek NTC üzerinden geçen akım kesilmelidir. Eğer anlık yüksek akım çekilen durumlar oluşuyor ise bu devrelere direnç ve kondansatör ile şarj devresi yapılarak çekilen akım sınırlanabilir. İşlemci power down moda girdiğinde pin çıkışları akım çekmeyecek bir konumda bırakılmalıdır.

Low Power Yazılım

Nuvoton işlemcilerin RUN, IDLE ve Power Down olmak üzere 3 çalışma modu ve HXT, LXT, HIRC, LIRC olmak üzere 4 farklı kristal tipi mevcuttur. RUN modda işlemcinin tüm çevresel birimleri ve CPU clock aktif durumdadır, bu modda işlemci tam performansta ve en yüksek akım tüketimine sahiptir. IDLE modda sadece CPU clock kapalıdır, diğer tüm çevresel donanımlar aktif durumdadır, bu modda işlemcinin RUN moduna geçişi daha hızlıdır. Power down modda işlemci en düşük akım tüketimine sahiptir.

Sadece sleep modda çalışması gereken birimler açık bırakılır, diğer birimlerin akım tüketmemesi için kapatılması gerekir. Bütün donanımların kapalı olması durumunda akım tüketimi ML51 serisi işlemcilerde 1uA’in altına düşer bu durumda işlemci sadece External interrupt pininden uyandırılabilir. Cihazın çalışma prensibine göre bu modlardan birisi seçilmelidir. Eğer cihaz belirli arıklıklarda uyanıp gerekli işlemleri yaptıktan sonra tekrar uyuması gerekiyorsa WKT (wake up timer) kullanılabilir. Belirlen süre dolduğunda işlemci uyanarak RUN moduna geçer gerekli çevresel birimleri açar ve işlem bittiğinde çevresel birimleri tekrar kapatarak power down moda geçer.

İşlemciyi çalıştırmak için seçilen kristal akım tüketimine etki ediyor. HXT yüksek frekanslı harici kristali ifade eder, 4 MHz ve üstü olabilir. LXT 10 kHz veya 32.768 kHz’lik harici kristali ifade eder, 32.768 KHz olması durumunda saat sayacı olarak da kullanılabilir. HIRC yüksek hızlı dahili kristali ifade eder, seçilen işlemciye göre farklılık gösterebilir. RUN modda kullanılır. LIRC düşük hızlı dahili kristali ifade eder. 10kHz ve 32.768kHz olabilir. Low power modda kullanılır.

Low power mod akım değerleri her işlemcide farklılık gösterebilir. Kullanılacak işlemcinin datasheet’inde verilen değerler detaylı olarak incelenmeli, kullanılmayan donanımlar kapatılmalı ve RUN moddaki işlemler mümkün olduğunca kısa sürede bitirilmelidir.