詳解RA2E3 MCU的低功耗工作模式

摘要

本文將為您詳細(xì)介紹RA2E3 MCU的省電功能如何降低應(yīng)用中不必要的功耗。

Prabhath Horagodage

Senior Staff Product Management

微控制器用于多種用途。一些應(yīng)用需要高速、高性能和連續(xù)的全速運(yùn)行，而另一些應(yīng)用只需要在特定周期內(nèi)進(jìn)行部分操作。瑞薩多年來一直在研究這些用例，并設(shè)計(jì)了極其節(jié)能的RA2E3，使設(shè)計(jì)人員能夠通過其省電功能來降低MCU功耗，以達(dá)到最終用戶的期望，實(shí)現(xiàn)高能效和環(huán)保效益。RA2E3提供四種主要的省電模式，可以單獨(dú)使用，也可以組合使用：

三種不同的低功耗工作模式

四種不同的電源控制模式

將時(shí)鐘頻率切換到適當(dāng)?shù)乃俣?/p>

在特定持續(xù)時(shí)間內(nèi)停止不必要的模塊

低功耗工作模式

RA2E3提供以下三種不同的低功耗模式：

休眠模式

軟件待機(jī)模式

貪睡模式

當(dāng)滿足所需條件時(shí)，可以對(duì)MCU進(jìn)行編程，使其自動(dòng)在這些模式之間轉(zhuǎn)換。在特定條件下（高速時(shí)鐘、所有外設(shè)時(shí)鐘均已啟用等）的正常模式下的最大電源電流為12 mA，而在特定條件下（所有SRAM均已開啟、所有外設(shè)模塊均停止等）軟件待機(jī)模式下的最大電源電流為0.25 μA。睡眠模式和貪睡模式下的電源電流介于正常和軟件待機(jī)模式下的電源電流之間，具體取決于操作模塊數(shù)量、時(shí)鐘頻率等條件?？梢源致员容^每種模式下的功耗，如圖1所示。低功耗模式之間的轉(zhuǎn)換方法如圖2所示。

圖1 各低功耗模式下功耗的粗略比較（有條件）

圖2 低功耗模式轉(zhuǎn)換方法（詳見MCU硬件手冊(cè)）

1睡眠模式

在此模式下，CPU停止運(yùn)行，但保留其內(nèi)部寄存器的內(nèi)容。其他外設(shè)功能和振蕩器默認(rèn)不停止，但用戶可以設(shè)置是否停止它們。

例如，如果用戶需要在快速模式下執(zhí)行一段時(shí)間的A/D轉(zhuǎn)換，但在此期間不需要CPU操作，則用戶可以編程MCU在A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí)進(jìn)入具有高速轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的睡眠模式，并在A/D轉(zhuǎn)換完成后返回正常模式。在此示例中，用戶在此期間節(jié)省了不必要的CPU功耗。有關(guān)進(jìn)入、操作和取消睡眠模式的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱文末RA2E3硬件手冊(cè)。

2軟件待機(jī)模式

在此模式下，CPU、大多數(shù)外設(shè)功能和振蕩器停止。但是，CPU內(nèi)部寄存器和SRAM數(shù)據(jù)的內(nèi)容、片上外設(shè)功能的狀態(tài)和I/O端口被保留。軟件待機(jī)模式可顯著降低功耗，因?yàn)榇蠖鄶?shù)振蕩器已停止。

例如，如果MCU需要等待外部輸入（如IRQ中斷）啟動(dòng)特定操作，并且在等待期間不需要其他操作，則用戶可以對(duì)MCU進(jìn)行編程，使其保持軟件待機(jī)模式，直到接收到輸入，從而節(jié)省大部分不必要的功耗。接收到輸入后，可以在軟件待機(jī)模式下執(zhí)行目標(biāo)操作，也可以根據(jù)需要在過渡到貪睡或正常模式后執(zhí)行。目標(biāo)操作完成后，可以再次返回軟件待機(jī)模式并等待下一個(gè)輸入。有關(guān)進(jìn)入、操作和取消軟件待機(jī)模式的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱文末RA2E3硬件手冊(cè)。

3貪睡模式

在此模式下，CPU停止運(yùn)行，但其內(nèi)部寄存器的內(nèi)容被保留。大多數(shù)外設(shè)功能和振蕩器的操作都是可選的。如圖2所示，不允許從正常模式或睡眠模式直接過渡到貪睡模式。應(yīng)通過軟件待機(jī)模式過渡到貪睡模式。但是，可以直接從“正?！蹦Ｊ竭^渡到“貪睡”模式。

讓我們看一個(gè)在貪睡模式下使用UART的示例。在開始UART通信之前，MCU可以保持軟件待機(jī)模式，節(jié)省功耗。當(dāng)它開始接收UART數(shù)據(jù)時(shí)，MCU可以過渡到貪睡模式并繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，而不會(huì)喚醒CPU、不必要的外設(shè)功能和振蕩器。數(shù)據(jù)接收完成后，MCU可以再次返回軟件待機(jī)模式，等待下一個(gè)UART數(shù)據(jù)。有關(guān)進(jìn)入、操作、結(jié)束和取消貪睡模式的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱文末RA2E3硬件手冊(cè)。

電源控制模式

有四種功率控制模式，主要根據(jù)最大工作頻率和工作電壓范圍來定義。通過功率模式控制內(nèi)存讀取速度，可以降低內(nèi)存（閃存/RAM）的電流消耗。電源控制模式可用于正常、睡眠和貪睡模式。每種模式的功耗如圖3所示。

1高速模式

在此模式下，MCU的最大工作頻率和電壓范圍分別為48 MHz和1.8至5.5V。在特定條件（在正常模式下工作，禁用所有外設(shè)時(shí)鐘，從閃存執(zhí)行CoreMark代碼）模式下，最大電源電流為4.80 mA。

2中速模式

在此模式下，MCU的最大工作頻率和電壓范圍分別為24 MHz和1.8至5.5V。但是，當(dāng)工作電壓為1.6至1.8V時(shí)，最大工作頻率為4 MHz。在特定條件下（在正常模式下工作，禁用所有外設(shè)時(shí)鐘，從閃存執(zhí)行CoreMark代碼）的典型電源電流為2.60 mA。

3低速模式

在此模式下，MCU的最大工作頻率和電壓范圍分別為2 MHz和1.6至5.5V。在特定條件下（在正常模式下工作，禁用所有外設(shè)時(shí)鐘，從閃存執(zhí)行CoreMark代碼）的典型電源電流為0.30 mA。

4Subosc速度模式

在此模式下，MCU的最大工作頻率和電壓范圍分別為37.6832 kHz和1.6至5.5V。在特定條件下，該模式的典型電源電流約為5 μA。

圖3 各電源控制模式下功耗的粗略比較（有條件）

時(shí)鐘切換

可以為系統(tǒng)時(shí)鐘（ICLK）選擇分頻比。當(dāng)不需要高速時(shí)鐘時(shí)，用戶可以切換到適當(dāng)?shù)牡退贂r(shí)鐘并節(jié)省功耗。時(shí)鐘分頻比為1、2、4、8、16、32和64。

頻率越低，電流消耗越低。但就功率性能（mA/MHz）而言，48 MHz是最有效的（100 μA/MHz = 4.8 mA/48 MHz）。一般來說，對(duì)于需要更高計(jì)算處理和CPU性能的應(yīng)用，可以通過在正常模式下設(shè)置更高的頻率和縮短CPU處理時(shí)間來實(shí)現(xiàn)更低的功耗。另一方面，對(duì)于控制系統(tǒng)等應(yīng)用，可以通過在正常模式下將頻率設(shè)置為較低的值來降低電流消耗。

例如，ICLK為48 MHz、32 MHz、16 MHz和8 MHz時(shí)，在以下省電功能的條件下，典型電源電流分別為4.80 mA、3.45 mA、2.05 mA和1.40 mA。低功耗模式：正常模式，功率控制模式：高速模式，模塊停止：禁用所有外設(shè)時(shí)鐘。

圖4 其他省電功能條件相同時(shí)的功耗粗略比較

外設(shè)時(shí)鐘（PCLKB、PCLKD）也可以選擇時(shí)鐘分頻比1、2、4、8、16、32和64。

模塊停止功能

通過以下寄存器設(shè)置停止非工作模塊或其時(shí)鐘，可以節(jié)省功耗：

DTC、I2C、SPI、SCI、CAC、CRC、DOC、ELC、AGT、GPT32n、GPT16n、POEG、ADC120模塊的運(yùn)行可以通過設(shè)置MSTPCRn（n：A、B、C、D）寄存器來停止

RTC、WDT、IWDT的寄存器讀/寫時(shí)鐘可以通過LSMRWDIS寄存器的設(shè)置來停止

MPU、調(diào)試、BPF的運(yùn)行時(shí)鐘可以通過設(shè)置LPOPT寄存器來停止

在軟件待機(jī)模式下，16 KB SRAM中的8 KB可以通過PSMCR寄存器的設(shè)置關(guān)閉

各省電功能組合

結(jié)合使用省電功能可以實(shí)現(xiàn)更多的省電效果。該表詳細(xì)介紹了五種情況，這些情況只是眾多可能組合中的幾個(gè)例子。

表1 省電功能組合示例（適用條件）

圖5 各組合情況下功耗粗略比較

審核編輯：湯梓紅