RE aneb když Renesas reaguje s respektem

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.

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.

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].

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.

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.

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.