česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 29. únor 2024

RE aneb když Renesas reaguje s respektem

DPS 5/2020 | Články
Autor: Ing. Jan Robenek

S důvěrně známou dvojicí písmen „RE“ se v e-mailové komunikaci potkáváme zcela běžně a nejinak tomu bude i v aktuální nabídce součástek od společnosti Renesas Electronics. Mikrokontroléry skupiny RE jsou také odpovědí. Reagují totiž na volání po ještě větší nezávislosti na elektrické energii.

RE aneb když Renesas reaguje s respektem

Kde chodí slunce...

Energie máme všude okolo nás více než dost a mnohdy nás nestojí ani korunu. Otázkou však zůstává, do jaké míry ji dokážeme z okolního prostředí vytěžit. A pokud se tak jednou stane, nehrozí, že bychom s ní opět začali zbytečně plýtvat? Třeba díky nevhodně zvoleným polovodičům, které budou v aplikaci místo na své okolí hledět především na sebe.

Kontroléry širší skupiny R7F0E jsme u maximálně efektivních návrhů provázaných třeba s tkaničkami na stránkách DPS Elektronika od A do Z představili již koncem roku 2018, tedy v době, kdy ještě nebyly k dispozici ani jejich vzorky [1]. Teď to však vypadá, že sériová výroba konečně nabrala obrátky a na svět začínají postupně proudit i jejich další, neméně zajímavé varianty. Skvělá příležitost posvítit si na chystané verze z ještě větší blízkosti. Zmínka o světle ostatně není vůbec náhodná. Pro výrobce totiž představuje další z možností napájení. A rozhodně ne jedinou.

RE aneb když Renesas reaguje s respektem 1

Ve znamení efektivity

Výsledkem práce na nových mikrokontrolérech rodiny RE, přesněji RE01, se Renesas pochlubil začátkem letních prázdnin. Tehdy bylo také možné objednávat první vzorky a v době, kdy čtete tyto řádky, již pravděpodobně poběží plná výroba. Zkrátka by navíc nemuseli přijít ani zájemci o související vývojovou desku [2], [8].

RE aneb když Renesas reaguje s respektem 2

Novinky s mimořádně nízkou vlastní proudovou spotřebou opět vychází z technologie SOTB™ (silicon-on-thin-buriedoxide), i když aktuální rozšiřování nabídky zde bude spojováno spíše s poklesem velikosti paměti typu Flash z původních 1,5 MB u současně vyráběných verzí „pouze“ na 256 kB. To však nemusí být vůbec problém, když např. uvážíme nejmenší dostupná pouzdra u 72vývodového provedení typu WLBGA (CSP) o rozměrech jen 3,16 × 2,88 mm. Internet nejmenších a zvláště pak nositelných věcí zajásá. Součástek vystavěných okolo stejného 32bitového jádra Arm® Cortex®-M0+, taktovaného až na 64 MHz (1,62 V) a s pamětí SRAM o velikosti 128 kB, je nyní celkem osm, zatímco svým celkovým počtem vývodů pokračují dále v sestupné tendenci přesně z místa, kde rodina šesti prvků s větší Flash a 256 kB RAM skončila.

Šetrný hospodář

Nové mikrokontroléry se pyšní vysokým skóre 705 dle EEMBC® ULPMark™-CoreProfile, které jen oficiálně dokládá jejich maximálně šetrné zacházení s dostupnou energií. Mohou za to právě výše zmiňované, chráněné procesy výrobce SOTB™, s nimiž lze nyní dosahovat extrémně nízké spotřeby jak při aktivní činnosti, tak i v režimech standby. Sběr energie z okolního prostředí již nemusí být žádnou fikcí. Dokonce ani v oblasti vestavných systémů a klidně bez jakékoli baterie [3]. Na úrovni přibližně jedné desetiny velikosti odběru, budeme-li porovnávat s tradičními nízkopříkonovými MCU, navíc odpadají kompromisy spojované s větší a jindy zase menší geometrií, kdy spotřeba výrazněji klesala pouze v určitých případech, jak to ostatně vyplývá i z obr. 2.

Řečí čísel se nyní při aktivním provozu dostáváte třeba na 25 μA/MHz, zatímco v pohotovostním režimu uvažujete nějakých 400 nA. Existují však i cesty, jak u stejné součástky dosáhnout ještě lepších výsledků, a nemyslíme tím zrovna Deep standby s hodinami reálného času RTC a 380 nA při 1,8 V. Přistupovat budeme totiž i aktivně.

RE aneb když Renesas reaguje s respektem 3

Co dokáže další měnič

Provozní odběr 25 μA/MHz může vypadat hezky, ale 12 μA/MHz vyznívá pro nové MCU Renesas RE01 s 256 kB paměti Flash na obr. 3 o poznání lépe. Cesta k takovým výsledkům přitom nemusí být vůbec složitá. Z hardwarového pohledu stačí jen vyměnit lineární stabilizátor za DC/DC měnič. Jak je to možné?

Vše souvisí s vnitřním zapojením mikrokontroléru, jehož interní logiku dle obr. 5 a také dokumentu [6] primárně napájí vnitřní lineární stabilizátor. Pokud ale integrovaný blok LDO nahradíme vnějším spínaným zdrojem pracujícím s vyšší účinností, proudová spotřeba nezůstane bez odezvy. Samostatné napájecí větve, které je nutné obsloužit, však budou ve výsledku dvě, pro VDD a VDDH, což také LDO s přehledem zvládá bezprostředně po zapnutí. Když pak CPU přepíná do režimu Boost (64 MHz), dochází zároveň ke změně velikosti VDD z původních 790 mV až na jeden volt, zatímco VDDH setrvá stále na stejné hladině 1,25 V bez ohledu na pracovní režim. Součástka však umí činnost vlastního stabilizátoru pozastavit a spolehnout se přitom na dodávku energie z externích měničů. Využije k tomu svých vývodů VCL a VCLH, včetně lehce přizpůsobených úrovní pro napětí VDD, typicky 0,85 V, resp. 1,025 V. A začínáme šetřit.

RE aneb když Renesas reaguje s respektem 4

Renesas doporučuje sáhnout po firemních snižujících zdrojích ISL9123 s rozhraním I²C, přebývajících v pouzdrech typu WLCSP o rozměrech 1,8 mm × 1,0 mm [7]. Obvody obecně zajistí výstupy již od 0,4 V, dodají až 600 mA a během regulace požadují pouze 950 nA. V případě režimu Shutdown dokonce jen 7 nA. Při zatěžovacím proudu 10 μA výrobce uvádí účinnost 80 %, špičkově až 97 %. Rostoucí efektivita provozu mikrokontroléru RE01 navrženého pro kompaktní zařízení s čidly, jako např. na obr. 4, je každopádně vykoupena větším počtem součástek, zatímco se od výstupu externího měniče navíc očekávají dynamické reakce na vynucené změny. Úprava ale určitě stojí za zvážení. V podobném duchu lze s odběrem „zacvičit“ i v případě MCU s větší pamětí Flash (35 vs. 15 μA/MHz a 500 nA pro standby), které se zase lépe osvědčí při zpracování obrazových dat.