功耗功耗测试

ApplicationNotesZHCA767-April20181|Page利用MSP430FRMCU片上VREF和ADC实现低功耗电池电压测量GaryGaoMSP430AELouisLuEastCHINAFAE概述MSP430系列MCU具有低功耗特性,使其在电池供电类产品得到广泛应用.
针对这类电池供电的产品,为了保证系统电源的稳定,常对供电电压进行检测,并在电压低于设定安全供电阈值时进行必要的系统保护及低电压报警.
传统的电池电压检测方法一般通过对电源电压进行分压并通过ADC采样实现检测.
这种分压采样的检测方式需要额外的外部电路,这会给系统带来成本,体积及功耗的增加.
本文基于MSP430FRAM系列MCU,针对电池直接供电的应用,提出了无需外部分压电路,利用片内ADC进行低功耗供电电压检测的方案,并给出了方案的验证结果.
关键词:供电电压测量,低功耗采样,MSP430FRMCUZHCA767利用MSP430FRMCU片上VREF和ADC实现低功耗电池电压测量Contents1.
使用MSP430FRAMMCU片上ADC检测电源电压原理.
32.
ADC低功耗采样软件设计.
42.
1系统时钟源的选择.
42.
2ADC时钟源的选择.
42.
3未使用的GPIO管脚的初始化52.
4ADC触发源的选择.
52.
5采用ADC窗口比较功能.
63ADC误差校正及实验测试.
73.
1误差校正.
73.
2精度实验测试.
74分时复用ADC实现其它通道的采集.
85总结96参考资料9ListofTables表格1不同参考时钟的功耗对比数据.
4表格2LPM0模式下有XT1CLK时ADC不同时钟源的功耗对比数据.
4表格3ADC在LPM0和LPM3模式下的功耗对数据5表格4GPIO管脚初始化配置功耗对比数据.
5表格5ADC不同触发源下的功耗数据.
6表格6使用ADC测量供电电压的测试数据.
7ZHCA767利用MSP430FRMCU片上VREF和ADC实现低功耗电池电压测量1.
使用MSP430FRAMMCU片上ADC检测电源电压原理MSP430FR2xx/FR4xx系列微控制器的ADC模块示意图如图1.
可以看出,ADC可直接对内部参考电压(一般为1.
5V,具体请查看技术手册)进行采样,且ADC的参考电压可配置为电源电压.
不同的MCU型号参考电压所对应的ADC通道可参考器件数据手册中的"ADCChannelConnections"表格.
.
.
.
SampleandholdSARReferencevoltageClocksTriggersystemMemorybufferInterrupt1.
5VRefVCC图表1片上测量电池电压示意图我们通过配置寄存器ADCMCTL0的ADCINCHx位设定1.
5V参考电压设为ADC采样电压,配置ADCSREFx位选择VCC为采样参考电压.
根据ADC采样结果转换公式:NADC=210*VinVRVR+VRNADC:ADC转换结果Vin:通道采集电压VR+:参考电压正极VR:参考电压负极我们可以得到供电电压计算公式:AVCC=210NADC*1.
5VRef与传统供电电压检测方法相比,上述方法不需要额外的分压电路(部分外部采样电路为了降低功耗还会采用三极管作为采样供电开关),其功耗可以做到更低,成本更具优势,PCB体积更小.
ZHCA767利用MSP430FRMCU片上VREF和ADC实现低功耗电池电压测量2.
ADC低功耗采样软件设计低功耗的设计是一个系统问题,本文针对MSP430FRAMMCU片内ADC采样,列举了影响功耗的主要因素,并给出了这些因素在不同配置下的功耗测试结果(数据结果均在常温下测得).
考虑到实验的便利性,本文档功耗测试采用了TIMSP430内置的EnergyTrace功能.
2.
1系统时钟源的选择MSP430系统时钟源主要有两个:内部32K的低频REFOCLK和外部晶振XT1CLK.
系统时钟DCOCLK和ACLK选用上述时钟源的功耗对比数据如表1可以看出选用外部的XT1CLK作为系统时钟源功耗会更加出色.
表格1不同参考时钟的功耗对比数据[1]参考时钟源REFOCLKXT1CLK采样频率(Hz)11功耗(mA)0.
09290.
0752[1]实验条件:1.
功耗测量工具为EnergyTraceTM;2.
测试硬件MSP430FR4133LaunchPad;3.
ADC采集由RTC触发;4.
ADC时钟源为ACLK;5.
MCLK时钟源为DCOCLK;6.
LPM32.
2ADC时钟源的选择MSP430FRAM系列ADC时钟源选择很灵活,主要有MODCLK,ACLK和SMCLK.
ADC时钟源的选择需要根据系统需求而确定,并非时钟频率越低ADC的功耗就越小.
因为选择低频时钟,时钟功耗减小但ADC采样及转换时间增长,其总体功耗并不一定小.
下面,本文将基于MSP430MCU常用的低功耗模式LPM0和LPM3,给出不同ADC时钟下的功耗测试结果并总结时钟设置建议.
a)LPM0模式下,根据表2数据可以看出,ADC时钟选择MODCLK功耗更低.
表格2LPM0模式下有XT1CLK时ADC不同时钟源的功耗对比数据[1]ADC时钟MODCLK(5MHz)ACLK(32KHz)SMCLK(5MHz)采样频率(Hz)100100100功耗(mA)0.
25330.
26720.
2536[1]实验条件:1.
功耗测量工具为EnergyTraceTM;2.
测试硬件MSP430FR4133LaunchPad;3.
ADC采集由RTC触发;4.
参考时钟源为XT1CLK.
ZHCA767利用MSP430FRMCU片上VREF和ADC实现低功耗电池电压测量b)LPM3模式下,需要注意,虽然MODCLK和SMCLK在LPM3模式下默认是关闭的,但是仍可选择其作为ADC的时钟源.
这种情况下ADC被触发采样后,MCU会自动使能MODCLK和SMCLK,等采样转换完成后,MODCLK和SMCLK自动关闭.
(详细内容可以参考用户手册3.
2.
12).
LPM3模式下选择不同的ADC时钟的功耗测试结果如表3.
可见,LPM3模式下ADC时钟选择MODCLK功耗更低.
表格3ADC在LPM3模式下的功耗对数据[1]ADC时钟MODCLK(5MHz)ACLK(32KHz)SMCLK(5MHz)采样频率(Hz)100100100功耗(mA)0.
07540.
08730.
0757[1]实验条件:1.
功耗测量工具为EnergyTraceTM;2.
测试硬件MSP430FR4133LaunchPad;3.
ADC采集由RTC触发;4.
参考时钟源为XT1CLK2.
3未使用的GPIO管脚的初始化对于未使用到的GPIO引脚要避免悬空,因为浮空状态下功耗波动会较大.
可以通过将寄存器PxREN相应位置1使能片上的上拉或下拉电阻将管脚电平固定从而可以减小部分功耗.
表4给出了这两种情况的功耗对比数据:表格4GPIO管脚初始化配置功耗对比数据[1]未使用GPIO配置情况未配置配置(拉低)采样频率(Hz)11功耗(mA)0.
70330.
0929[1]实验条件:1.
功耗测量工具为EnergyTraceTM;2.
测试硬件MSP430FR4133LaunchPad;3.
未使用GPIO数量为59个;4.
ADC采集由RTC触发;5.
LPM3.
2.
4ADC触发源的选择TIMSP430系列MCU的ADC能工作在多种工作模式,并支持触发进行采样.
触发采样模式下,ADC无需CPU干预,大部分时间处于低功耗状态,从而达到更低的系统功耗.
ADC的触发源可灵活设置,具体请参考用户手册.
这里,我们针对使用RTC或Timer作为触发源,结合不同CPU功耗模式进行了功耗测试,试验结果如表5.
ZHCA767利用MSP430FRMCU片上VREF和ADC实现低功耗电池电压测量表格5ADC不同触发源下的功耗数据[1]ADC触发源RTCTimerARTCTimerA低功耗模式LPM0LPM0LPM3LPM3定时器时钟源SMCLK(1MHz)SMCLK(1MHz)VLCLKACLK功耗(mA)0.
25540.
25690.
0750.
075[1]实验条件:1.
功耗测量工具为EnergyTraceTM;2.
测试硬件MSP430FR4133LaunchPad;3.
ADC采样频率为1Hz;4.
参考时钟源为XT1;5.
ADC时钟源为ACLK以上数据表明两种触发源的功耗相当,但RTC的时钟源在使用VLOCLK(10KHz)时具有以下两点优势:a)VLOCLK可以结合RTC时钟分频器将溢出中断周期延长至1.
8个小时(TimerA使用ACLK最长溢出中断时间为2分钟).
b)VLOCLK可以运行在LPM3.
5模式下,在这种模式下ADC每次采样需唤醒一次CPU所以适用于采样间隔较长的应用.
2.
5采用ADC窗口比较功能MSP430的ADC还具有窗口比较的功能.
这种模式下,可以设定一个阈值,当ADC的采样值低于阈值时,唤醒CPU进行相关的处理操作.
这种模式适合不需要获取ADC采样的实时值,只需要进行阈值报警的应用.
综上所述,根据系统应用来灵活选择设定MCU的工作模式,系统时钟,ADC的工作模式及参考时钟源,可以大幅度的优化ADC的采样功耗.
ZHCA767利用MSP430FRMCU片上VREF和ADC实现低功耗电池电压测量3ADC误差校正及实验测试3.
1误差校正使用片上ADC测量电池电压,其误差主要来源于两个方面:ADC的测量误差和1.
5V参考电压的误差.
其中数据手册中分别给出了针对于ADC的测量误差和1.
5V参考电压的误差的校准公式.
但对于1.
5V参考电压的校准中所用到的校准系数是针对于1.
5V作为ADC参考电压时测试得到的系数.
而当使用1.
5V作为ADC输入时,此校准系数不再适用.
因为1.
5V作为参考电压时会经过一个ReferenceBuffer,而当1.
5V作为ADC输入时是没有这个ReferenceBuffer的.
此处只需校准ADC的误差即可.
对于ADC的校准可以参考如下公式:ADCcalibrated=ADCraw*Factorgain*1215ADCoffset其中:ADCcalibrated为校准后的数值;Factorgain为ADC增益误差校准系数;ADCoffset为ADC偏移误差校准系数;因为不同系列的校准系数存储地址不同,Factorgain和ADCoffset需要通过查询对应器件数据手册得到它的存储地址.
3.
2精度实验测试使用片上ADC检测供电电压的测试数据如表6:表格6使用ADC测量供电电压的测试数据[1]Powersupply(v)ADCrawWithoutcalibrationWithcalibration(v)Error(Withcalibration)2.
5625972.
5702.
5690.
27%2.
8125442.
8202.
8190.
24%3.
3274613.
3283.
3270%[1]实验条件:1.
测试硬件MSP430FR2311LaunchPad;2.
Favtorgain=0x8011,ADCoffset=0;3.
常温.
ZHCA767利用MSP430FRMCU片上VREF和ADC实现低功耗电池电压测量4分时复用ADC实现其它通道的采集在使用ADC作为电池电压采集功能时,ADC也可以用作其它模拟量的采集.
因为电池电压的变化比较缓慢,所以电池电压的采集时间间隔可以很长.
在ADC闲置期间,用户就可以使用ADC去采集其它模拟量.
因为电池电压是在不断的监控中,所以参考电压可以继续采用电池电压,也可以切换成1.
5V的内部参考电压.
而且采用电池电压作为参考电压,可以提高测量范围,测量期间可以关断1.
5V以降低功耗.
但采用电池电压的误差会比内部参考1.
5V要大.
ZHCA767利用MSP430FRMCU片上VREF和ADC实现低功耗电池电压测量5总结本文基于MSP430FRMCU,提出了利用片内ADC直接采样电池供电电压的方案.
该方案不仅节省了用户成本,且节约了PCB体积和系统功耗.
接着,本文针对低功耗的采样设计进行了详细介绍并给出了不同情景下的实验结果.
最后对测量精度进行了校准和测试.
6参考资料1.
MSP430FR4xxandMSP430FR2xxFamilyuser'sguide(SLAU445G)2.
MSP430FR413xMixed-SignalMicrocontrollers(SLAS865B)IMPORTANTNOTICEFORTIDESIGNINFORMATIONANDRESOURCESTexasInstrumentsIncorporated('TI")technical,applicationorotherdesignadvice,servicesorinformation,including,butnotlimitedto,referencedesignsandmaterialsrelatingtoevaluationmodules,(collectively,"TIResources")areintendedtoassistdesignerswhoaredevelopingapplicationsthatincorporateTIproducts;bydownloading,accessingorusinganyparticularTIResourceinanyway,you(individuallyor,ifyouareactingonbehalfofacompany,yourcompany)agreetouseitsolelyforthispurposeandsubjecttothetermsofthisNotice.
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