Cách sửa đổi tần số xung nhịp để giảm tiêu thụ điện năng của bộ vi điều khiển

Các nhà phát triển luôn gặp thách thức trong việc cung cấp các mức chức năng và hiệu suất cao đồng thời tối đa hóa thời lượng pin. Ngoài ra khi nói đến các sản phẩm điện tử, tính năng quan trọng nhất là mức tiêu thụ pin. Nó nên càng ít càng tốt để tăng thời gian hoạt động của thiết bị. Việc quản lý năng lượng rất quan trọng trong các ứng dụng di động và sử dụng pin. Sự khác biệt của mức tiêu thụ microampere có thể dẫn đến tuổi thọ hoạt động hàng tháng hoặc hàng năm, điều này có thể làm tăng hoặc giảm mức độ phổ biến và thương hiệu của sản phẩm trên thị trường. Sự gia tăng các sản phẩm đòi hỏi tối ưu hóa hiệu quả hơn việc sử dụng pin. Ngày nay, người dùng yêu cầu pin dự phòng lâu hơn với kích thước nhỏ gọn của sản phẩm nên các nhà sản xuất đang tập trung vào kích thước pin nhỏ hơn với thời lượng pin siêu dài là một nhiệm vụ đáng bàn. Nhưng,các nhà phát triển đã đưa ra Công nghệ tiết kiệm điện sau khi xem xét nhiều yếu tố và thông số quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ pin.

Có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến việc sử dụng pin như vi điều khiển được sử dụng, điện áp hoạt động, mức tiêu thụ dòng điện, nhiệt độ môi trường, điều kiện môi trường, thiết bị ngoại vi được sử dụng, chu kỳ sạc lại… Với xu hướng các sản phẩm thông minh sắp ra mắt trên thị trường, điều này rất quan trọng trước tiên tập trung vào MCU được sử dụng để tối ưu hóa tuổi thọ pin. MCU trở thành một phần quan trọng khi nói đến việc tiết kiệm điện trong các sản phẩm có kích thước nhỏ. Vì vậy, bạn nên bắt đầu với MCU trước. Bây giờ, MCU đi kèm với các kỹ thuật tiết kiệm điện khác nhau. Để biết thêm về cách giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng trong bộ vi điều khiển (MCU), hãy tham khảo bài viết trước. Bài viết này chủ yếu tập trung vào một trong những tham số quan trọng để giảm tiêu thụ điện năng trong vi điều khiển, đó là sửa đổi tần số xung nhịpđiều này cần được chú ý khi sử dụng MCU cho các ứng dụng công suất thấp.

Tại sao phải sửa đổi tần số xung nhịp trong bộ vi điều khiển?

Trong rất nhiều thông số nêu trên, việc lựa chọn tần số đồng hồ đóng vai trò rất quan trọng trong việc tiết kiệm điện năng. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc lựa chọn sai tần số hoạt động của vi điều khiển có thể dẫn đến phần trăm (%) hao hụt năng lượng pin đáng kể. Để tránh tổn thất này, các nhà phát triển cần quan tâm đến việc lựa chọn tần số thích hợp để chạy vi điều khiển. Bây giờ, việc chọn tần số có thể được thực hiện ngay từ đầu trong khi thiết lập vi điều khiển là không cần thiết, trong khi nó cũng có thể được chọn giữa các chương trình. Có nhiều bộ vi điều khiển đi kèm với lựa chọn bit để chọn tần số hoạt động mong muốn. Ngoài ra, bộ vi điều khiển có thể chạy ở nhiều tần số, do đó các nhà phát triển có quyền lựa chọn tần số phù hợp tùy theo ứng dụng.

Việc chọn nhiều tần số có tác dụng gì đối với hiệu suất?

Không có nghi ngờ rằng việc lựa chọn các tần số khác nhau sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của vi điều khiển. Đối với vi điều khiển, người ta biết rằng tần số và hiệu suất là tỷ lệ thuận. Nó có nghĩa là, tần số lớn hơn sẽ có ít thời gian thực thi mã hơn và do đó tốc độ thực thi chương trình lớn hơn. Vì vậy, bây giờ rất rõ ràng rằng nếu tần số được thay đổi thì hiệu suất cũng sẽ thay đổi. Nhưng không nhất thiết các nhà phát triển cần phải cố gắng ở một tần số chỉ vì hiệu suất cao hơn của vi điều khiển.

Tần suất thấp hay cao, nên chọn cái nào?

Không phải lúc nào vi điều khiển cũng phải mang lại hiệu suất cao, có một số ứng dụng cần hiệu suất vừa phải của vi điều khiển, trong loại ứng dụng này, nhà phát triển có thể giảm tần số hoạt động từ GHz xuống MHz và thậm chí đến tần số tối thiểu cần thiết chạy vi điều khiển. Mặc dù, trong một số trường hợp, yêu cầu hiệu suất tối ưu và thời gian thực thi cũng rất quan trọng, chẳng hạn như khi điều khiển các ADC flash bên ngoài mà không có bộ đệm FIFO, hoặc trong xử lý video và nhiều ứng dụng khác, trong những lĩnh vực này, các nhà phát triển có thể sử dụng tần số tối ưu của vi điều khiển. Ngay cả khi sử dụng trong loại môi trường này, các nhà phát triển có thể viết mã một cách thông minh để giảm độ dài mã bằng cách chọn hướng dẫn phù hợp.

Ví dụ: Nếu vòng lặp 'for' sử dụng nhiều hướng dẫn hơn và người ta có thể sử dụng một số dòng hướng dẫn sử dụng ít bộ nhớ hơn để thực hiện tác vụ mà không sử dụng vòng lặp for , thì các nhà phát triển có thể sử dụng một số dòng hướng dẫn tránh sử dụng vòng lặp 'for' .

Việc lựa chọn tần số thích hợp cho vi điều khiển phụ thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ. Tần số cao hơn có nghĩa là tiêu thụ điện năng cao hơn nhưng công suất tính toán cũng nhiều hơn. Vì vậy, về cơ bản lựa chọn tần số là sự cân bằng giữa công suất tiêu thụ và công suất tính toán cần thiết.

Ngoài ra, lợi thế chính của việc làm việc ở tần số thấp là dòng cung cấp thấp bên cạnh RFI (Nhiễu tần số vô tuyến) thấp hơn.

Dòng cung cấp (I) = Dòng tĩnh (I _q) + (K x Tần số)

Thuật ngữ thứ hai là chủ yếu. Năng lượng RFI của vi điều khiển rất nhỏ nên rất dễ lọc.

Vì vậy, nếu ứng dụng cần tốc độ nhanh, đừng lo lắng về việc chạy nhanh. Nhưng nếu tiêu thụ điện năng là một vấn đề đáng lo ngại, hãy chạy chậm hơn khi ứng dụng cho phép.

Kỹ thuật chuyển đổi tần số xung nhịp

Thiết bị PLL (Phases Lock Loop) luôn tồn tại trong MCU hiệu suất cao chạy ở tốc độ cao. Các PLL tăng các đầu vào tần số để một tần số cao hơn ví dụ, từ 8 MHz đến 32 Mhz. Đó là tùy chọn của nhà phát triển để chọn tần số hoạt động thích hợp cho ứng dụng. Một số ứng dụng không cần phải chạy ở tốc độ cao, trong trường hợp đó các nhà phát triển cần giữ cho tần số xung nhịp của MCU càng thấp càng tốt để chạy tác vụ. Tuy nhiên, trong nền tảng tần số cố định, chẳng hạn như MCU 8 bit giá rẻ không chứa đơn vị PLL, người ta phải cải thiện mã lệnh để giảm năng lượng xử lý. Ngoài ra, MCU có chứa bộ PLL không thể khai thác các lợi ích của kỹ thuật chuyển mạch tần số cho phép MCU hoạt động ở tần số cao trong giai đoạn xử lý dữ liệu và sau đó trở lại hoạt động ở tần số thấp trong giai đoạn truyền dữ liệu.

Hình giải thích việc sử dụng đơn vị PLL trong Kỹ thuật chuyển đổi tần số.

Lựa chọn chế độ hoạt động của quản lý đồng hồ

Một số bộ vi điều khiển tốc độ cao hỗ trợ các chế độ quản lý xung nhịp khác nhau như chế độ Dừng, Chế độ quản lý nguồn (PMM) và chế độ Chờ. Có thể chuyển đổi giữa các chế độ này cho phép người dùng tối ưu hóa tốc độ của thiết bị trong khi tiêu thụ điện năng.

Nguồn đồng hồ có thể lựa chọn

Bộ dao động tinh thể là một bộ tiêu thụ năng lượng lớn trên bất kỳ bộ vi điều khiển nào, đặc biệt là khi hoạt động với công suất thấp. Bộ dao động vòng, được sử dụng để khởi động nhanh từ chế độ Dừng, cũng có thể được sử dụng để cung cấp nguồn xung nhịp khoảng 3 đến 4MHz trong quá trình hoạt động bình thường. Mặc dù vẫn cần một bộ dao động tinh thể khi khởi động, nhưng khi tinh thể đã ổn định, hoạt động của thiết bị có thể được chuyển sang bộ dao động vòng, giúp tiết kiệm điện năng tới 25 mA.

Kiểm soát tốc độ đồng hồ

Tần số hoạt động của vi điều khiển là yếu tố lớn nhất trong việc xác định mức tiêu thụ điện năng. Dòng vi điều khiển tốc độ cao Microcontroller hỗ trợ các chế độ quản lý tốc độ xung nhịp khác nhau để tiết kiệm năng lượng bằng cách làm chậm hoặc dừng xung nhịp bên trong. Các chế độ này cho phép nhà phát triển hệ thống tiết kiệm điện tối đa với tác động tối thiểu đến hiệu suất.

Thực thi phần mềm từ bộ nhớ không bay hơi hoặc RAM

Các nhà phát triển phải xem xét cẩn thận xem phần mềm được thực thi từ bộ nhớ không bay hơi hay RAM trong việc ước tính mức tiêu thụ hiện tại. Thực thi từ RAM có thể cung cấp thông số kỹ thuật hiện tại hoạt động thấp hơn; tuy nhiên, nhiều ứng dụng không đủ nhỏ để thực thi chỉ từ RAM và yêu cầu các chương trình được thực thi từ bộ nhớ không bay hơi.

Đồng hồ xe buýt được bật hoặc tắt

Hầu hết các ứng dụng vi điều khiển yêu cầu quyền truy cập vào bộ nhớ và thiết bị ngoại vi trong quá trình thực thi phần mềm. Điều này yêu cầu đồng hồ xe buýt phải được bật và cần được xem xét trong các ước tính hiện tại đang hoạt động.

Sử dụng bộ dao động bên trong

Sử dụng bộ dao động bên trong và tránh bộ dao động bên ngoài có thể tiết kiệm năng lượng đáng kể. Khi các bộ tạo dao động bên ngoài hút nhiều dòng điện hơn dẫn đến việc sử dụng nhiều điện hơn. Ngoài ra, không có ràng buộc cứng rắn rằng người ta nên sử dụng bộ dao động bên trong, vì bộ dao động bên ngoài được khuyến khích sử dụng khi các ứng dụng yêu cầu tần số xung nhịp cao hơn.

Phần kết luận

Việc tạo ra một sản phẩm công suất thấp bắt đầu bằng sự lựa chọn MCU và rất khó khăn khi các lựa chọn đa dạng có sẵn trên thị trường. Việc thay đổi tần số có thể có tác động lớn đến việc sử dụng điện năng và cũng cho kết quả tiêu thụ điện năng tốt. Ưu điểm bổ sung của việc sửa đổi tần số là không tốn thêm chi phí phần cứng và nó có thể được thực hiện dễ dàng trong phần mềm. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để cải thiện hiệu quả năng lượng của MCU chi phí thấp. Hơn nữa, mức tiết kiệm năng lượng phụ thuộc vào sự khác biệt giữa tần số hoạt động, thời gian xử lý dữ liệu và kiến ​​trúc của MCU. Tiết kiệm năng lượng lên đến 66,9% khi sử dụng kỹ thuật chuyển đổi tần số so với hoạt động bình thường.

Vào cuối ngày, đối với các nhà phát triển, đáp ứng nhu cầu tăng cường chức năng hệ thống và mục tiêu hiệu suất trong khi tăng tuổi thọ pin của sản phẩm, là một thách thức đáng kể. Để phát triển hiệu quả các sản phẩm mang lại tuổi thọ pin lâu nhất có thể - hoặc thậm chí hoạt động không cần pin - đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cả yêu cầu hệ thống và thông số kỹ thuật hiện tại của bộ vi điều khiển. Điều này phức tạp hơn nhiều so với việc chỉ ước tính lượng dòng điện mà MCU tiêu thụ khi hoạt động. Tùy thuộc vào ứng dụng đang được phát triển, việc sửa đổi tần số, dòng điện chờ, dòng điện ngoại vi có thể có tác động đáng kể hơn đến tuổi thọ pin so với nguồn MCU.

Bài viết này được tạo ra để giúp các nhà phát triển hiểu cách MCU tiêu thụ điện năng về mặt tần số và có thể được tối ưu hóa với việc sửa đổi tần số.