NXP의 i.MX RT500 크로스오버 MCU로 전원 관리 최적화

이 문서에서는 마이크로컨트롤러 전원 관리 개념을 소개합니다. NXP i.MX RT500 크로스오버 MCU 제품군은 이러한 전원 관리 개념이 임베디드 개발자의 애플리케이션에 어떻게 채택될 수 있는지에 대한 예를 제공하는 데 사용됩니다.

MCU 설계자가 고려해야 할 주요 사항은 전력을 관리하고 분배하는 방법입니다. CPU 클럭, 메모리 및 주변 장치를 고려하지 않고 설계자는 설계에서 실제 물리적 제품으로 전환할 수 없음을 발견할 수 있습니다.

이 문서에서는 마이크로컨트롤러 전원 관리 개념을 소개합니다. 여기에는 MCU 전원 모드와 이러한 모드가 장치 작동에 미치는 영향, 각 모드에서 부품이 소비하는 전류의 양, MCU가 저전력 모드에서 깨어나는 데 걸리는 시간에 대한 논의가 포함됩니다. 또한 MCU의 I/O 핀과 SRAM 구성이 장치의 전체 전력 소비에 어떤 영향을 미치는지 조사할 것입니다. NXP i.MX RT500 크로스오버 MCU 제품군은 이러한 전원 관리 개념이 임베디드 개발자의 애플리케이션에 어떻게 채택될 수 있는지에 대한 예를 제공하는 데 사용됩니다. i.MX RT500 MCU는 장치가 가능한 한 적은 전력으로 작동할 수 있도록 하는 전원 제어 및 전원 관리 기능을 제공합니다.

i.MX RT500 크로스오버 MCU 개요

i.MX RT500은 최대 200MHz의 클록 속도를 가진 강력한 Arm® Cortex®-M33 코어를 기반으로 하는 듀얼 코어 마이크로컨트롤러 제품군입니다. i.MX RT500 시리즈는 Arm TrustZone® 및 8개 지역을 지원하는 내장형 메모리 보호 장치(MPU)와 같은 풍부한 보호 기능을 제공합니다. CASPER 암호화 보조 프로세서를 사용하면 하드웨어 가속을 통해 비대칭 암호화 알고리즘에 필요한 다양한 기능을 향상할 수 있습니다. PowerQuad 하드웨어 가속기는 i.MX RT500 크로스오버 MCU의 또 다른 효율적인 보조 프로세서이며 DSP 계산을 수행하는 메인 CPU를 지원합니다. i.MX RT500은 고도로 최적화된 Cadence® Tensilica® Fusion F1 오디오 DSP, 벡터 그래픽 가속 기능이 있는 전용 2D GPU, 및 다양한 디스플레이 인터페이스.

그림 1. i.MX RT500 MCU는 빠르고 시각적으로 만족스러운 그래픽과 사용자 인터페이스가 필요한 최신 임베디드 HMI 애플리케이션에 적합합니다. NXP의 이미지 제공

복잡한 혼합 신호 MCU에는 전원 제어를 개선하고 전원 공급 장치 노이즈 누화를 줄이기 위해 온칩에 여러 전원 공급 장치가 포함되어 있는 경우가 많습니다. 전력 제어를 위해 코어는 I/O보다 낮은 전압에서 실행할 수 있습니다. 또한 MCU의 사용하지 않는 섹션은 사용하지 않을 때 전원을 끌 수 있습니다. 잡음 제거를 위해 I/O 및 디지털 논리에 전원을 공급하는 잡음이 있는 전원 공급 장치를 온칩 아날로그 기능에서 분리할 수 있습니다.

별도의 전원 레일을 사용하는 예로, i.MX RT500 MCU 제품군에는 내부 회로의 서로 다른 부분에 전원을 공급하는 4개의 독립 전원 레일이 있습니다.

<올>

V_DDCORE 레일은 칩의 메인 로직, DSP, 주변 장치 및 메모리에 전력을 공급합니다. 이 공급 레일은 0.6V와 1.1V 사이에서 조정 가능하며 엔지니어는 장치의 내부 PMU(전력 관리 장치)를 사용하거나 외부 PMIC(전력 관리 IC)를 자유롭게 사용할 수 있습니다. 필요한 전압은 CPU 클록 분배기 이전의 코어 클록 주파수에 따라 다릅니다.

V_DD1V8 ADC 및 비교기 이외의 온칩 아날로그 기능을 구동하는 1.8V 전원입니다. 이 레일은 또한 밴드갭, POR, 온도 센서, 코어 저전압 및 고전압 감지를 포함한 내장형 PMC 모듈을 공급합니다. V_{DD1V8_1} 라인은 온칩 디지털 로직에 전원을 공급합니다.

V_{DD_AO1V8} 레일은 RTC, RTC 웨이크업 타이머, Always-on POR, RESET, LDO_ENABLE, PMIC_IRQ, PMIC_MODE0 및 PMIC_MODE1 핀과 같이 항상 켜져 있는 장치 부분에 전원을 공급합니다. 이 레일은 다른 레일에 대한 전원이 제거된 경우에도 웨이크 소스를 제공하여 MCU가 딥 파워 다운 모드 중 하나에서 깨어날 수 있도록 합니다.

V_{DD_Ion} MCU의 GPIO 핀을 제공합니다. V_{DDIO_0} , V_{DDIO_1} , V_{DDIO_2} 및 V_{DDIO_4} 1.8V 및 V_{DDIO_3} 제공 최대 3.6V의 공급 전압을 제공합니다.

i.MX RT500 MCU의 전원 모드 조사

최신 MCU는 일반적으로 전력 소비를 성능과 교환하는 다양한 작동 모드를 제공합니다. 가장 높은 전력 설정에서 CPU, 메모리 및 온칩 주변 장치가 모두 활성화되고 가능한 가장 높은 클록 주파수에서 실행되는 최대 기능을 사용할 수 있습니다. 전력 소비를 줄이기 위해 슬립 및 파워 다운 모드를 사용하여 클록 주파수를 줄이고 공급 전압을 줄이며 MCU의 사용하지 않는 섹션의 전원을 완전히 차단할 수도 있습니다.

i.MX RT500 MCU에서 내장된 전원 관리 컨트롤러(PMC)를 통해 특정 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 전원 입력 조건을 미세 조정할 수 있습니다. 이를 위해 MCU는 칩이 더 낮은 클록 주파수에서 실행되거나 장치가 딥 슬립 모드에 있을 때 VDCORE 레일에서 더 낮은 전압을 사용할 수 있도록 합니다. 칩이 전원 차단 모드에 있을 때 VDCORE 라인을 완전히 차단할 수 있습니다. 기본적으로 PMC는 코어 로직에 적절한 전압 레벨을 설정합니다. 그러나 MCU의 PMIC 핀과 결합된 외부 PMIC를 사용하여 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.

전원 관리 모듈은 5가지 전원 관리 모드를 지원합니다(가장 높은 전력 소비에서 가장 낮은 전력 소비 순으로).

<올>

활성
리셋 후 MCU가 활성 모드로 켜지고 임베디드 시스템 엔지니어는 특정 시스템 레지스터의 값을 변경하여 장치의 기본 전원 구성을 변경할 수 있습니다. 전원 구성은 예를 들어 전용 전원 API를 사용하여 런타임 중에 변경할 수 있습니다. 이 모드에서는 CPU, 메모리 및 주변 장치에 대한 클록이 활성화되고 대부분의 블록은 임베디드 응용 프로그램 프로그래머가 정의한 대로 일반 모드, 저전력 모드 또는 꺼짐 상태일 수 있습니다. 또한 활성 모드를 사용하면 시스템 설계자와 프로그래머가 활성 상태를 유지하는 주변 장치, 메모리 블록 및 액세서리를 제어하여 전력 소비를 미세 조정할 수 있습니다. i.MX RT500 참조 설명서의 섹션 8.4.1.1.1에서 이에 대한 자세한 내용을 제공합니다 .

Sleep
이 모드에서 PMC는 시스템 CPU에 대한 클록을 중지하고 리셋 신호나 인터럽트가 발생할 때까지 명령을 중지합니다. 이 모드를 사용하면 개발자가 CPU가 일시 중단된 상태에서 작업을 계속하도록 주변 장치를 구성할 수 있습니다. 이러한 주변 장치는 CPU를 깨우고 MCU가 PDRUNCFG 및 PSCCTL 레지스터에 의해 정의된 전원 모드로 돌아가도록 하는 인터럽트를 생성할 수 있습니다. 잠자기 동안 CPU는 내부 레지스터와 SRAM의 값을 유지합니다. 활성 주변 장치가 상태를 변경하지 않는 한 I/O 핀의 논리 레벨도 정적으로 유지됩니다. 따라서 이 전원 모드는 CPU, 메모리 시스템 및 내부 버스에서 사용하는 동적 전원을 제거합니다. 절전 모드는 CPU 시계를 변경하지 않으며 CPU 시계만 비활성화합니다.

Deep-Sleep
이 모드는 CPU에 대한 클록을 비활성화하고, 다르게 구성되지 않은 경우 온칩 주변기기 및 아날로그 블록의 클록 신호도 종료합니다. 임베디드 프로그래머는 소프트웨어를 통해 정상, 저전력 또는 꺼짐 상태에서 작동하도록 개별 블록을 자유롭게 구성할 수 있습니다. 장치 레지스터 및 활성화된 SRAM 섹션은 해당 값을 유지합니다. 전원 프로필 API를 사용하면 USB, DMIC, SPI, I2C, USART, WWDT, RTC 및 마이크로 틱 타이머와 같은 선택된 주변 장치가 깊은 절전 모드에서 활성 상태를 유지할 수 있습니다. i.MX RT500 참조 매뉴얼의 섹션 8.4.1.3.1은 딥 슬립 모드에 대한 자세한 내용을 제공합니다.

Deep power-down
이 모드에서는 RTC를 제외한 전체 칩에 대해 전원 공급 장치와 모든 클록이 비활성화됩니다. 이 측정은 RTC 모듈에 있는 것을 제외하고 SRAM과 레지스터가 값을 유지할 수 없음을 의미합니다. 또한 장치가 외부에서 전원이 공급되는 한 모든 기능 핀은 삼중 상태입니다. 이 모드에 대한 추가 구성 옵션이 없습니다.

완전 딥 파워 다운
이 모드는 VDD_AO18, VDD_AO1V8 및 VDD_EAO를 제외한 모든 외부 전원을 비활성화합니다. 웨이크업 소스는 VDD1V8 및 VDDCORE 도메인에서 POR을 트리거할 수 있습니다.

상태 4와 5에서 깨어나는 것은 전체 RESET 프로세스를 거칩니다.

MCU에는 상태 전환 시 외부 PMIC에 상태 변경 사항을 전달하기 위한 전용 PMIC_MODE 핀이 있습니다. 처음에는 이러한 핀에 대해 사전 정의된 상태가 하나만 있으며 임베디드 프로그래머는 소프트웨어를 통해 PMIC_MODE 핀을 구성해야 합니다. 활성 모드에서 MCU는 PMIC_MODE 핀을 제어합니다. MCU가 저전력 모드 중 하나로 작동하면 외부 PMIC가 제어합니다. 자세한 내용은 참조 매뉴얼의 섹션 8.4.2.1을 참조하십시오.

기상 과정 및 일반적인 기상 시간

직관적으로 MCU는 더 많은 주변 장치와 회로가 활성화된 절전 모드보다 더 깊은 절전 모드에서 깨어나는 데 더 오래 걸립니다. 전원 공급 장치는 안정화되어야 하고 수정 발진기는 다시 활성화된 회로가 제대로 작동할 수 있도록 시작해야 합니다. 더 깊은 절전 모드에서는 MCU를 깨우는 데 사용할 수 있는 소스가 제한된 경우가 많습니다.

i.MX RT500의 경우 시스템 클록이 200MHz인 절전 모드에서 일반적인 웨이크업 시간은 약 150µs입니다. 최대 절전 모드에서 장치가 깨어나는 데 약 120µs가 걸립니다. 완전 딥 파워 다운 상태에서 MCU를 깨우는 데 RESET 시퀀스로 인해 약 8.64밀리초가 걸립니다. 이러한 타이밍은 보장되지 않으며 일부 제한 사항이 적용됩니다. 자세한 내용과 테스트 조건은 공식 데이터시트 섹션 1.3.4를 참조하십시오. 칩이 항상 활성 모드로 깨어난다는 점도 중요합니다.

저전력 모드에 있을 때 MCU를 깨우려면 임베디드 프로그래머가 하나 이상의 깨우기 소스를 구성해야 합니다. 슬립 모드에서 인터럽트 및 HWWAKE(Flexcomm 인터페이스 및 DMIC 하위 시스템 활동)를 유발하는 모든 주변 장치는 앞에서 설명한 것처럼 MCU를 깨울 수 있습니다. 딥슬립 모드에서는 핀 인터럽트, 리셋 핀, Flexcomm 주변 장치, DMA, DMIC, HWWAKE, SDIO, HASH-AES, CASPER, PowerQuad, ADC, DSP, USB 및 ACMP와 같은 다양한 깨우기 소스가 깨울 수 있습니다. MCU를 올립니다. 이러한 웨이크업 소스 외에도 워치독 타이머, RTC, uTick 타이머 및 OS 이벤트 타이머와 같은 다양한 타이머로 인해 MCU가 주기적으로 슬립 모드에서 복귀할 수 있습니다. MCU가 딥 파워 다운 모드에 있을 때 RTC와 시스템 리셋만이 장치를 깨울 수 있는 유일한 방법입니다.

I/O 핀의 동적 및 정적 전력 소비

I/O 핀은 종종 총 전력 소비에서 간과되는 측면입니다. I/O 핀은 전체 정적 및 동적 전력 소비에 기여할 수 있습니다. 각 핀의 내부 풀 저항 설정 및 전압 레벨에 따라 정적 전류가 흐르고 장치의 전체 전력 소비가 증가할 수 있습니다. I/O 핀은 또한 스위칭할 때마다 MCU의 동적 전력 요구 사항에 기여합니다. 많은 경우 MCU 데이터시트의 전력 번호에는 I/O의 외부 부하 및 스위칭 주파수에 의존하는 애플리케이션이기 때문에 I/O 핀 전력 소비도 포함되지 않습니다.

i.MX RT500 MCU의 다양한 전력 모드는 다양한 온칩 주변 장치에 영향을 미치고 장치의 일부 회로를 자동으로 비활성화하여 전체 전력 소비를 줄입니다. 대부분의 GPIO 핀에는 내부 풀업 및 풀다운 저항과 재설정 시 비활성화된 입력 버퍼가 있습니다. 예를 들어, 일부 핀은 더 쉽게 디버깅할 수 있도록 다른 구성을 갖습니다. 그러나 이 동작으로 인해 IOCON 레지스터에서 프로그래머가 달리 지정하지 않는 한 사용하지 않은 GPIO 핀이 리셋 시 비활성화된 각 입력 버퍼와 함께 하이 임피던스 모드로 기본 설정됩니다. 딥 파워 다운 모드에서 I/O 핀은 기본적으로 부동 상태입니다.

절전 모드 및 최대 절전 모드에서의 전력 소비

이제 i.MX RT500 MCU를 사용하여 V_DDCORE에서 시스템의 메인 클럭 주파수와 전압에 대한 몇 가지 세부 사항을 알아보겠습니다. 장치의 전체 전력 소비에 영향:

	12MHz	24MHz	48MHz	96MHz	192MHz
활성 모드 (DSP 시계 없음)	1.62mA 0.7V	2.5mA 0.7V	4.33mA 0.7V	9.35mA 0.8V	20.73mA 0.9V
절전 모드 (DSP 시계 없음)	1.8mA 0.7V	4.78mA 1.0V	5.78mA 1.0V	7.78mA 1.0V	9.66mA 0.9V

딥 슬립 및 딥 파워 다운 모드는 메인 CPU 클록을 비활성화하고, 부품의 전체 공급 전류 요구 사항에 영향을 미치는 SRAM 영역을 차단할 수도 있습니다. 다음 표에는 약 25°C의 주변 온도에서 128KB의 SRAM이 켜져 있고 내부 LDO가 비활성화되어 있고 어레이가 켜져 있고 주변 장치가 꺼져 있는 상태에서 딥 슬립 모드의 활성 전원 레일에 대한 공급 전류가 나와 있습니다.

파워 레일	일반적인 전류 소비
VDD1V8	8.5uA
VDDCORE	42uA
VDD_AO1V8	0.79uA
모든 VDDIO 결합된 레일	5.61 uA
VDDA_1V8	11.8uA
VREFP	0.02uA
USB1_VDD_3V3	1.10uA

따라서 장치의 일반적인 전류 소비는 최대 절전 모드에서 약 70마이크로 암페어입니다. 자세한 내용과 정확한 테스트 조건은 장치 데이터시트의 표 11 및 12를 참조하십시오. MCU가 딥 파워 다운 또는 풀 딥 파워 다운 모드에 있을 때 일반적인 공급 전류는 약 15µA입니다.

SRAM 절전 고려 사항

전력 관리는 온칩 메모리도 고려해야 합니다. 플래시와 같은 비휘발성 메모리의 경우 내용 손실 없이 메모리의 전원을 끌 수 있습니다. SRAM의 경우 임베디드 설계자는 저전력 모드를 사용할 때 메모리 내용을 보존해야 하는지 여부를 결정해야 합니다. 고맙게도 많은 MCU 제품을 통해 설계자는 전체 데이터 손실을 통한 최대 절전과 전체 데이터 보존을 통한 감소된 절전 중에서 선택할 수 있습니다.

i.MX RT500 장치에는 최대 32개의 개별 파티션으로 분할된 최대 5MB의 온칩 정적 RAM이 포함되어 있습니다. 각 파티션은 두 CPU, DMA 엔진 및 기타 모든 AHB 버스 마스터에 액세스할 수 있습니다. 다른 기능 외에도 각 블록을 독립적으로 저전력 유지 모드에 두거나 전원을 완전히 꺼서 장치의 전체 전력 소비를 줄이는 것이 가능합니다. 이 작업은 각 메모리 파티션이 메모리 블록 자체와 메모리 어레이 자체를 인터페이스하는 데 필요한 주변 장치로 구성되기 때문에 가능합니다. 임베디드 애플리케이션 설계자는 메모리 어레이 자체의 내용을 유지하면서 주변 장치를 끄면 전력을 절약할 수 있습니다.

이를 고려하여 임베디드 프로그래머는 장치 내 각 SRAM 파티션의 물리적 위치로 인해 전류 소비 변동이 발생하므로 낮은 SRAM 파티션이 상위 파티션에 비해 전력을 절약하는 경향이 있음을 이해해야 합니다.

그림 2. 개발자는 MCU의 전체 전력 소비를 줄이려고 할 때 높은 SRAM 파티션보다 낮은 SRAM 파티션을 사용하는 것을 선호해야 합니다. NXP의 이미지 제공

i.MX RT500 전원 관리 애플리케이션 노트 및 i.MX RT500 제품군 참조 매뉴얼에서 다양한 절전 조치에 대해 자세히 설명합니다.

전력 제어 및 전력 관리를 위한 i.MX RT500 MCU

모든 프로젝트를 설계할 때 전력을 보존하는 것이 중요합니다. i.MX RT500 크로스오버 MCU는 전력 제어 및 전력 관리 기능을 제공하여 장치가 가능한 한 적은 전력으로 효율적으로 작동할 수 있도록 합니다. 활성 모드에서는 CPU, 메모리 및 주변 장치에 대한 클록이 활성화되고 대부분의 블록은 임베디드 응용 프로그램 프로그래머가 정의한 대로 일반 모드, 저전력 모드 또는 꺼짐 상태일 수 있습니다.

NXP 웹사이트는 i.MX RT500 기능 및 애플리케이션에 대한 자세한 정보를 제공합니다. 또한 애플리케이션 노트, 비디오 및 주문형 웨비나와 같은 다양한 교육 자료를 제공합니다.

업계 기사는 업계 파트너가 편집 콘텐츠에 적합하지 않은 방식으로 All About Circuits 독자와 유용한 뉴스, 메시지 및 기술을 공유할 수 있는 콘텐츠 형식입니다. 모든 산업 기사는 독자에게 유용한 뉴스, 기술 전문 지식 또는 이야기를 제공하기 위해 엄격한 편집 지침을 따릅니다. 업계 기사에 표현된 관점과 의견은 파트너의 것이며 반드시 All About Circuits 또는 해당 작성자의 의견은 아닙니다.