NXPのi.MXRT500クロスオーバーMCUによる電力管理の最適化

この記事では、マイクロコントローラーの電力管理の概念を紹介します。クロスオーバーMCUのNXPi.MX RT500ファミリは、これらの電力管理の概念を組み込み開発者がアプリケーションに採用する方法の例を提供するために使用されます。

MCU設計者にとって重要な考慮事項は、電力の管理と分散の方法です。 CPUクロック、メモリ、および周辺機器を考慮しないと、設計者は設計から実際の物理的な製品に移行できないことに気付く可能性があります。

この記事では、マイクロコントローラーの電力管理の概念を紹介します。これには、MCUの電力モードと、それらがデバイスの動作にどのように影響するか、各モードで部品が消費する電流の量、およびMCUが低電力モードからウェイクアップするのにかかる時間についての説明が含まれます。また、MCUのI / OピンとSRAM構成がデバイスの全体的な消費電力にどのように影響するかについても調査します。クロスオーバーMCUのNXPi.MX RT500ファミリは、これらの電力管理の概念を組み込み開発者がアプリケーションに採用する方法の例を提供するために使用されます。 i.MX RT500 MCUは、デバイスが可能な限り少ない電力で動作できるようにする電力制御および電力管理機能を提供します。

i.MXRT500クロスオーバーMCUの概要

i.MX RT500は、最大200MHzのクロック速度を備えた強力なArm®Cortex®-M33コアをベースにしたデュアルコアマイクロコントローラーのファミリーです。 i.MX RT500シリーズは、ArmTrustZone®や8つのリージョンをサポートする内蔵メモリ保護ユニット（MPU）などの豊富な保護機能を提供します。 CASPER暗号化コプロセッサーは、ハードウェアアクセラレーションを可能にして、非対称暗号化アルゴリズムに必要なさまざまな機能を強化します。 PowerQuadハードウェアアクセラレータは、i.MX RT500クロスオーバーMCUのもう1つの効率的なコプロセッサであり、メインCPUがDSP計算を実行するのを支援します。 i.MX RT500は、高度に最適化されたCadence®Tensilica®FusionF1オーディオDSP、ベクトルグラフィックスアクセラレーションを備えた専用2D GPUを備えているため、安全で低電力の組み込みHMIアプリケーション、IoTデバイス、ヒアラブル、スマートコンシューマーデバイスに適しています。およびさまざまなディスプレイインターフェイス。

図1。 i.MX RT500 MCUは、高速で視覚的に心地よいグラフィックスとユーザーインターフェイスを必要とする最新の組み込みHMIアプリケーションに電力を供給するのに適しています。画像提供：NXP。

複雑なミックスドシグナルMCUには、電源制御を改善し、電源ノイズのクロストークを低減するために、多くの場合、オンチップに複数の電源が含まれています。電力制御の場合、コアはI / Oよりも低い電圧で動作できます。さらに、MCUの未使用セクションは、使用していないときに電源を切ることができます。ノイズ除去のために、I / Oおよびデジタルロジックに給電するノイズの多い電源をオンチップアナログ機能から分離できます。

個別の電源レールを使用する例として、i.MX RT500ファミリのMCUには、内部回路のさまざまな部分に電力を供給する4つの独立した電源レールがあります。

1. V _DDCORE レールは、チップのメインロジック、DSP、周辺機器、およびメモリに電力を供給します。この電源レールは0.6V〜1.1 Vの間で調整可能であり、エンジニアはデバイスの内部PMU（電力管理ユニット）を自由に使用したり、外部PMIC（電力管理IC）を利用したりできます。必要な電圧は、CPUクロック分周器の前のコアクロック周波数によって異なります。
2. V _DD1V8 は、ADCとコンパレータ以外のオンチップアナログ機能を駆動する1.8V電源です。このレールは、バンドギャップ、POR、温度センサー、コアの低電圧および高電圧検出などの内蔵PMCモジュールも提供します。 V _{DD1V8_1} ラインは、オンチップデジタルロジックに電力を供給します。
3. V _{DD_AO1V8} レールは、RTC、RTCウェイクアップタイマー、常時オンのPOR、RESET、LDO_ENABLE、PMIC_IRQ、PMIC_MODE0、PMIC_MODE1ピンなど、デバイスの常時オンの部分に電力を供給します。このレールは、他のレールへの電源が切断された場合でもウェイクソースを提供し、MCUがディープパワーダウンモードの1つからウェイクアップできるようにします。
4. V _{DD_IOn} MCUのGPIOピンを供給します。 V _{DDIO_0} 、V _{DDIO_1} 、V _{DDIO_2} 、およびV _{DDIO_4} 1.8 V、およびV _{DDIO_3} を提供します 最大3.6Vの供給電圧を提供します。

i.MX RT500MCUの電源モードの調査

最近のMCUは通常、消費電力をパフォーマンスと交換するいくつかの動作モードを提供します。最高の電力設定では、CPU、メモリ、およびオンチップ周辺機器がすべて有効になり、可能な限り最高のクロック周波数で動作することで、最大限の機能を利用できます。消費電力を削減するために、スリープモードとパワーダウンモードを使用して、クロック周波数を削減し、電源電圧を削減し、MCUの未使用セクションを完全にパワーダウンすることもできます。

i.MX RT500 MCUでは、内蔵の電力管理コントローラー（PMC）により、特定のアプリケーションの要件に一致するように電力入力条件を微調整できます。そのために、MCUは、チップがより低いクロック周波数で動作しているとき、またはデバイスがディープスリープモードにあるときに、VDDCOREレールでより低い電圧を使用できるようにします。チップがパワーダウンモードの場合、VDDCOREラインを完全に遮断することができます。デフォルトでは、PMCはコアロジックに適切な電圧レベルを設定します。ただし、外部PMICをMCUのPMICピンと組み合わせて使用​​して、同じ効果を実現することは可能です。

電力管理モジュールは、5つの電力管理モードをサポートします（消費電力の高いものから低いものの順に）：

1. アクティブ
   MCUはリセット後にアクティブモードで起動します。組み込みシステムエンジニアは、特定のシステムレジスタの値を変更することにより、デバイスのデフォルトの電源構成を変更できます。電源構成は、たとえば専用の電源APIを使用して、実行時に変更できます。このモードでは、CPU、メモリ、および周辺機器へのクロックが有効になり、ほとんどのブロックは、組み込みアプリケーションプログラマーによって定義されているように、通常モード、低電力モード、またはオフになります。さらに、アクティブモードでは、システム設計者とプログラマーが、アクティブな状態を維持する周辺機器、メモリブロック、およびアクセサリを制御することにより、消費電力を微調整できます。i.MXRT500リファレンスマニュアルのセクション8.4.1.1.1に、これに関する詳細が記載されています。 。
   
2. スリープ
   このモードでは、PMCはシステムCPUへのクロックを停止し、リセット信号または割り込みが発生するまで命令を停止します。このモードでは、開発者は、CPUが中断されたままの状態で動作を継続するように周辺機器を構成できます。これらのペリフェラルは、CPUをウェイクアップし、MCUをPDRUNCFGおよびPSCCTLレジスタで定義された電源モードに戻す割り込みを生成する可能性があります。スリープ中、CPUは内部レジスタとSRAMの値を維持します。アクティブなペリフェラルが状態を変更しない限り、I / Oピンのロジックレベルも静的なままです。したがって、この電力モードでは、CPU、メモリシステム、および内部バスによって使用される動的電力が排除されます。スリープモードはCPUクロックを変更しないことに注意してください。CPUのクロックを無効にするだけです。
   
3. Deep-Sleep
   このモードは、CPUへのクロックを無効にし、特に設定されていない場合は、オンチップペリフェラルとアナログブロックのクロック信号もシャットダウンします。組み込みプログラマーは、ソフトウェアを介して通常、低電力、またはオフの状態で動作するように個々のブロックを自由に構成できます。デバイスレジスタと有効なSRAMセクションはそれらの値を保持します。電力プロファイルAPIを使用すると、USB、DMIC、SPI、I2C、USART、WWDT、RTC、マイクロティックタイマーなどの選択した周辺機器をディープスリープモードでアクティブに保つことができます。 i.MX RT500リファレンスマニュアルのセクション8.4.1.3.1に、ディープスリープモードの詳細が記載されています。
   
4. ディープパワーダウン
   このモードでは、RTCを除くチップ全体で電源とすべてのクロックが無効になります。この方法は、RTCモジュール内のものを除いてSRAMとレジスタがそれらの値を保持できないことを意味します。さらに、デバイスの外部電源が供給されている限り、すべての機能ピンはトライステートになっています。このモードには、これ以上の構成オプションはありません。
   
5. 完全なディープパワーダウン
   このモードでは、VDD_AO18、VDD_AO1V8、およびVDD_EAOを除くすべての外部電源が無効になります。ウェイクアップソースは、VDD1V8およびVDDCOREドメインでPORをトリガーする可能性があります。

状態4および5からのウェイクアップは、RESETプロセス全体を通過します。

MCUには、状態を切り替えるときに状態の変化を外部PMICに通信するための専用のPMIC_MODEピンがあります。最初は、これらのピンの事前定義された状態は1つだけであり、組み込みプログラマーはソフトウェアを使用してPMIC_MODEピンを構成する必要があります。アクティブモードでは、MCUがPMIC_MODEピンを制御します。 MCUが低電力モードの1つで動作している場合、外部PMICが制御を引き継ぎます。詳細については、リファレンスマニュアルのセクション8.4.2.1を参照してください。

ウェイクアッププロセスと一般的なウェイクアップ時間

直感的には、MCUは、より多くの周辺機器と回路が有効になっているスリープモードよりも、より深いスリープモードからウェイクアップするのに時間がかかります。再有効化された回路が正しく機能できるようにするには、電源が安定し、水晶発振器が起動する必要があります。より深いスリープモードでは、MCUをウェイクアップするために利用できるソースが限られていることがよくあります

i.MX RT500の場合、システムクロックが200MHzのスリープモードからの通常のウェイクアップ時間は約150µsです。ディープスリープモードから、デバイスがウェイクアップするのに約120 µsかかります。 RESETシーケンスにより、MCUを完全なディープパワーダウン状態から復帰させるのに約8.64ミリ秒かかります。これらのタイミングは保証されておらず、いくつかの制限が適用されることに注意してください。詳細および試験条件については、公式データシートのセクション1.3.4を参照してください。チップは常にアクティブモードでウェイクアップすることに注意することも重要です。

低電力モードのときにMCUをウェイクアップするには、組み込みプログラマーが1つ以上のウェイクアップソースを構成する必要があります。スリープモードでは、前述のように、割り込みとHWWAKE（FlexcommインターフェイスとDMICサブシステムアクティビティ）を引き起こすペリフェラルがMCUをウェイクアップできます。ディープスリープモードでは、ピン割り込み、リセットピン、Flexcommペリフェラル、DMA、DMIC、HWWAKE、SDIO、HASH-AES、CASPER、PowerQuad、ADC、DSP、USB、ACMPなどのさまざまなウェイクアップソースがウェイクアップできますMCUをアップします。これらのウェイクアップソースに加えて、ウォッチドッグタイマー、RTC、uTickタイマー、OSイベントタイマーなどのさまざまなタイマーによって、MCUが定期的にスリープモードから復帰することもあります。 MCUがディープパワーダウンモードの場合、RTCとシステムリセットがデバイスをウェイクアップする唯一の方法です。

I / Oピンの動的および静的消費電力

I / Oピンは、総消費電力の見落とされがちな側面です。 I / Oピンは、静的および動的の総消費電力に寄与する可能性があります。各ピンの内部プル抵抗設定と電圧レベルによっては、静電流が流れ、デバイスの全体的な消費電力が増加する場合があります。 I / Oピンは、スイッチングするときはいつでも、MCUの動的電力要件にも影響します。多くの場合、MCUデータシートの電力数には、I / Oの外部負荷とスイッチング周波数に依存するアプリケーションであるため、I / Oピンの消費電力すら含まれていません。

i.MX RT500 MCUのさまざまな電力モードは、さまざまなオンチップ周辺機器に影響を与え、デバイスの一部の回路を自動的に無効にして、全体的な消費電力を削減します。ほとんどのGPIOピンには、内部プルアップ抵抗とプルダウン抵抗があり、リセット時に入力バッファが無効になっていることに注意してください。たとえば、一部のピンは、デバッグを容易にするために異なる構成になっています。ただし、この動作により、未使用のGPIOピンはデフォルトでハイインピーダンスモードになり、IOCONレジスタでプログラマが特に指定しない限り、リセット時にそれぞれの入力バッファが無効になります。ディープパワーダウンモードでは、I / Oピンはデフォルトでフローティングになっています。

スリープモードとディープスリープモードでの消費電力

次に、i.MX RT500 MCUを使用して、V _DDCORE でのシステムのメインクロック周波数と電圧の詳細を取得しましょう。 デバイスの全体的な消費電力に影響します：

	12MHz	24MHz	48MHz	96MHz	192MHz
アクティブモード （DSPクロックなし）	1.62 mA 0.7 V	2.5 mA 0.7 V	4.33 mA 0.7 V	9.35mA 0.8 V	20.73 mA 0.9 V
スリープモード （DSPクロックなし）	1.8 mA 0.7 V	4.78 mA 1.0 V	5.78 mA 1.0 V	7.78 mA 1.0 V	9.66 mA 0.9 V

ディープスリープモードとディープパワーダウンモードはメインCPUクロックを無効にし、SRAMの領域をシャットダウンすることもできます。これは、部品の全体的な供給電流要件に影響を与えます。次の表に、128 KBのSRAMがオンになり、内部LDOが無効になり、アレイがオンになり、周囲温度が約25°Cで周辺がオフになっているディープスリープモードのアクティブ電源レールの供給電流を示します。

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パワーレール	一般的な消費電流
V DD1V8	8.5 uA
V DDCORE	42 uA
V DD_AO1V8	0.79 uA
すべてのV DDIO レールの組み合わせ	5.61 uA
V DDA_1V8	11.8 uA
V REFP	0.02 uA
USB1_VDD_3V3	1.10 uA

したがって、デバイスの一般的な消費電流は、ディープスリープモードで約70マイクロアンペアです。詳細と正確なテスト条件については、デバイスのデータシートの表11と12を参照してください。 MCUがディープパワーダウンモードまたはフルディープパワーダウンモードの場合、通常の供給電流は約15 µAです。

SRAMの省電力に関する考慮事項

電源管理では、オンチップメモリ​​も考慮する必要があります。フラッシュのような不揮発性メモリの場合、内容を失うことなくメモリの電源を切ることができます。 SRAMの場合、組み込み設計者は、低電力モードを使用するときにメモリの内容を保持する必要があるかどうかを判断する必要があります。ありがたいことに、多くのMCU製品では、設計者は完全なデータ損失による最大の電力節約と、完全なデータ保持による削減された電力節約のどちらかを選択できます。

i.MX RT500デバイスには、最大32個の個別のパーティションに分割された最大5メガバイトのオンチップスタティックRAMが含まれています。各パーティションは、両方のCPU、両方のDMAエンジン、および他のすべてのAHBバスマスターからアクセスできます。他の機能に加えて、各ブロックを個別に低電力保持モードにするか、完全に電源をオフにして、デバイスの全体的な消費電力を削減することができます。このアクションが可能なのは、各メモリパーティションが、メモリブロック自体と、メモリアレイ自体のインターフェイスに必要な周辺機器で構成されているためです。組み込みアプリケーションの設計者は、メモリアレイ自体の内容を保持しながら、周辺機器をオフにすることで電力を節約できます。

これを考慮に入れると、組み込みプログラマーは、デバイス内の各SRAMパーティションの物理的な位置が消費電流の変動につながるため、低いSRAMパーティションは高いパーティションに比べて電力を節約する傾向があることを理解する必要があります。

図2。 開発者は、MCUの全体的な消費電力を削減しようとするときに、高いパーティションよりも低いSRAMパーティションを使用することを好む必要があります。画像提供：NXP。

i.MXRT500電力管理アプリケーションノートおよびi.MXRT500ファミリリファレンスマニュアルでは、さまざまな省電力対策について詳しく説明しています。

電源制御および電源管理用のi.MXRT500 MCU

プロジェクトを設計するときは、電力を維持することが重要です。 i.MX RT500クロスオーバーMCUは、電力制御および電力管理機能を提供し、デバイスが可能な限り少ない電力で効率的に動作できるようにします。アクティブモードでは、CPU、メモリ、および周辺機器へのクロックが有効になり、ほとんどのブロックは、組み込みアプリケーションプログラマーによって定義されているように、通常モード、低電力モード、またはオフになります。

NXPのWebサイトでは、i.MXRT500の機能とアプリケーションに関する詳細情報を提供しています。また、アプリケーションノート、ビデオ、オンデマンドウェビナーなどのさまざまなトレーニング資料も提供しています。

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