СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 3/2016

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2016 ло, с большим энергопотреблением. Для преодоления этого противоречия микроконтроллер STM32L имеет пре- имущества в следующих элементах: процессор, продвинутая низковольт- ная технология и программируемый LDO-регулятор, оптимизированный для низкого потребления АЦП. Ядро ARM Cortex-M3 показывает очень хорошее соотношение потреб- ления и производительности, которое выражается в мкА/DMIPS. Это значение в большей степени представляет энер- гию, необходимую для выполнения программной задачи, чем отношение мкА/МГц, которое не учитывает чис- ло циклов, затрачиваемых на выпол- нение инструкции, или же эффек- тивность самой инструкции. В этом 32-разрядная архитектура превосходит 8- и 16-разрядные архитектуры, кото- рые дают лучшие показатели, выражен- ные в мкА/МГц, но проигрывают при использовании отношения мкА/DMIPS. Дополнительная экономия времени в рабочем режиме является результатом свойственной для Cortex-M3 низкой задержки для прерываний, автомати- ческого сохранения и восстановления состояния и так называемого механиз- ма Tail-Chaining, когда следующие друг за другом прерывания выполняются без дополнительного сохранения и восста- новления состояния. Одной из особенностей КМОП- технологии является то, что в рабо- чем режиме бо ′ льшая часть потребля- емой энергии используется для зарядки и разряда огромного количества свой- ственных для этой технологии очень маленьких конденсаторов. E =V core × Q = (V core ) 2 × C, где V core – напряжение питания цифро- вой части микроконтроллера, а C пред- ставляет собой сумму ёмкостей всех активных узлов электрической цепи. Топология с проектными норма- ми 130 нм, применённая в STM32L, позволяет минимизировать ёмкость отдельных узлов, а компактность ядра Cortex-M3 помогает снизить их общее количество. Кроме того, использова- ние технологии Clock Gating снижа- ет энергопотребление в цифровых схемах за счёт запрета подачи так- товых сигналов на неиспользуемые цепи схемы. Встроенный LDO-регулятор (линей- ный регулятор напряжения, отличаю- щийся малым падением напряжения на регулирующем элементе) и масшта- бирование напряжения способствуют снижению напряжения питания ядра. LDO-регулятор гарантирует, что циф- ровая часть всегда питается минималь- но необходимым напряжением для обе- спечения заданной производительно- сти. Он может программироваться на использование трёх дискретных уров- ней напряжения. Как видно из рисун- ка 3, лучшее соотношение потребляе- мый ток / производительность дости- гается при V core = 1,2 В. Идея состоит в том, чтобы поддер- живать напряжение питания STM32L на уровне V core = 1,2 В и переключаться в более высокопроизводительный диа- пазон на ограниченное время, только когда микроконтроллер должен выпол- нять определённую задачу. Так как и V core , и тактовая частота легко про- граммируются, это позволяет пользо- вателю динамически настраивать энер- гопотребление и производительность во время работы. Режим «сна» с низким энергопотре- блением является обычно самым про- должительным в работе портативных устройств. Хотя потребление в этом режиме на несколько порядков ниже, чем в рабочем, оно всё равно может влиять на полное энергопотребление. На STM32L реализовано несколько режимов с малым энергопотреблени- ем (см. табл. 1), что позволяет разработ- чику производить оптимизацию c учё- том ёмкости батареи и потребностей своего приложения. Опция сверхнизкого потребления используемой 130-нм технологии вме- сте с режимами малого потребления встроенного LDО-регулятора позво- ляют достичь типичного потребления тока 430 нА, сохраняя системную кон- фигурацию, показывая очень быстрый запуск за несколько микросекунд, не теряя при этом контроля. Пониженное потребление также учитывалось и при проектировании встроенного в STM32L контроллера ЖК-экрана, что очень важно для пор- тативных медицинских приборов. Кон- троллер объединяет малопотребляю- щий повышающий преобразователь, который позволяет поддерживать рабо- тоспособность дисплея в течение дли- тельного времени в широком диапазо- не напряжений питания V DD . Встроенный АЦП также оптимизиро- ван для низкого потребления. Разреше- ние АЦП последовательных приближе- ний составляет 12 разрядов, скорость преобразования достигает 1 мега- сэмпл в секунду, а 24 объединённых входа имеют диапазон от 0 до V REF+ . Разрешение может быть снижено до Таблица 1. Режимы STM32L с низким энергопотреблением Режим Активный (выполнение) из памяти программ Активный (выполнение) из ОЗУ Выполнение с низким потреблением @ 32 кГц Сон + 1 таймер Остановка с/без RTC Ожидание с/без RTC Типичное потребление при 25°C 230 мкА/МГц 186 мкА/МГц 10,4 мкА 6,1 мкА 1,3/0,43 мкА 1,0/0,27 мкА Рис. 3. Соотношение потребление тока / производительность и максимальная частота процессора для различных напряжений питания ядра Максимальная частота, МГц 285 мкА/DMIPS 195 мкА/DMIPS 227 мкА/DMIPS 32 16 V core 4 1,2 В 1,5 В 1,8 В