MCUの消費電流低減機能で、システム全体の低電力化に貢献

マイクロコントローラはさまざまな用途に使用されています。 アプリケーションによっては、高速、高性能、連続フル動作を必要とするものもあれば、特定のサイクルでの部分的な動作しか必要としないものもあります。 ルネサスは、これらのユースケースを長年にわたって研究しており、この度、システム全体の低電力化を実現するため、様々な省電力機能を搭載し、非常に電力効率の高いRA2E3をリリースしました。 これにより、RA2E3を搭載した電子製品は、エンドユーザーの期待以上に電力効率が高く、環境に優しいものになります。 RA2E3は、主に4つの省電力機能を搭載しており、単独でも組み合わせても使用できます。

1. 3つの異なる低消費電力動作モード
2. 4つの異なる電力制御モード
3. フレキシブルなクロック周波数切り替え
4. ユースケースに応じたモジュール停止機能

低消費電力動作モード

RA2E3は、以下の3種類の低消費電力モードを提供します。

1. スリープモード
2. ソフトウェアスタンバイモード
3. スヌーズモード

RA2E3は、特定の条件を設定することで、これらの消費電力モード間を自動的に遷移するようにプログラムできます。 ノーマルモード(High speedモード、すべての周辺クロックが有効)での最大消費電流は12mAですが、ソフトウェアスタンバイモード(すべてのSRAMがオン、周辺モジュールが停止)での標準消費電流は0.25μAです。 スリープモードとスヌーズモードでの消費電流は、動作モジュールの数、クロック周波数などの条件に基づいて、通常モードとソフトウェアスタンバイモードの中間にあります。各モードの消費電力は、 図1のように比較できます。 また、低電力モード間の遷移方法を 図2に示します。

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スリープモード – このモードでは、CPUは動作を停止しますが、内部レジスタの内容は保持されます。 その他の周辺機能や発振器は初期設定では停止しませんが、停止することも設定可能です。

例えば、高速モードで一定時間A/D変換を行う必要があるが、その間はCPUの介入が不要な場合、A/D変換開始時にスリープモードに入り、高速変換クロックでA/D変換を行った後、ノーマルモードに戻るようにマイコンをプログラムすることができます。 この例では、ユーザーはその期間中に不要な CPU 電力消費を節約することができます。 RA2E3 ハードウェアのマニュアルにて、スリープモードの開始、操作、解除についての詳細を参照してください。

ソフトウェアスタンバイモード – このモードでは、CPU、ほとんどの周辺機能、および発振器が停止します。 ただし、CPUの内部レジスタやSRAMデータの内容、内蔵周辺機能の状態、I/Oポートは保持されます。 ソフトウェアスタンバイモードでは、ほとんどの発振器が停止しているため、消費電力を大幅に削減できます。

例えば、MCUがIRQ割り込みなどの外部入力を待機して特定の動作を開始する必要があり、その待機期間中に他の操作が必要ない場合、ユーザーは入力が受信されるまでソフトウェアスタンバイモードを維持するようにMCUをプログラムできるため、不要な電力消費の大部分を節約できます。 入力を受信すると、ターゲット操作をソフトウェアスタンバイモードで実行するか、必要に応じてスヌーズモードまたは通常モードに移行した後に実行できます。 対象操作完了後、再度ソフトウェアスタンバイモードに戻り、次の入力を待つことが可能です。 ソフトウェアスタンバイモードの開始、操作、キャンセルの詳細については、RA2E3ハードウェアマニュアルを参照してください。

スヌーズモード – このモードでは、CPUは動作を停止しますが、内部レジスタの内容は保持されます。 ほとんどの周辺機能や発振器の動作が選択可能です。 図2に示すように、ノーマルモードまたはスリープモードからスヌーズモードへの直接の移行は許可されていません。 スヌーズモードへの移行は、ソフトウェアスタンバイモードから行う必要があります。 ただし、スヌーズモードからノーマルモードに直接移行することはできます。

UARTをスヌーズモードで使用する例を見てみましょう。 UART通信を開始する前に、MCUはソフトウェアスタンバイモードのままで、電力を節約できます。 UARTデータの受信を開始すると、MCUはスヌーズモードに移行し、CPU、不要な周辺機能、発振器をウェイクアップすることなくデータの受信を継続できます。 データ受信が完了すると、MCUは再びソフトウェアスタンバイモードに戻り、次のUARTデータを待つことができます。 スヌーズモードの開始、操作、終了、キャンセルの詳細については、RA2E3ハードウェアマニュアルを参照してください。

電力制御モード

4つの電力制御モードがあり、主に最大動作周波数と動作電圧範囲に基づいて設定します。 これら４つの電力制御モードに応じてメモリの読み出し速度を制御することで、メモリ(フラッシュ/RAM)の消費電流を低減することができます。電力制御モードは、ノーマルモード、スリープモード、およびスヌーズモードで使用することができ、ユーザーは適切な動作周波数と消費電力を満たす電力制御モードを選択できます。 各モードでの消費電力を 図3に示します。

High-speedモード – このモードでは、フラッシュ読み取り時の最大動作周波数と電圧範囲は、それぞれ 48 MHz と 1.8 から 5.5V です。 特定の条件(ノーマルモード、すべての周辺クロックが無効、CoreMarkコードはフラッシュからの実行)でのこのモードでの標準消費電流は4.80mAです。

Middle-speedモード– このモードでは、フラッシュ読み取り時の最大動作周波数と電圧範囲は、それぞれ24MHzと1.8〜5.5Vです。 ただし、動作電圧が1.6〜1.8Vの場合、最大動作周波数は4MHzです。 特定の条件 (ノーマルモード、すべての周辺クロックが無効、CoreMark コードはフラッシュからの実行) での標準消費電流は 2.60mA です。

Low-speedモード – このモードでは、フラッシュ読み取り時の最大動作周波数と電圧範囲は、それぞれ 2 MHz と 1.6 から 5.5 V です。 特定の条件(ノーマルモード、すべての周辺クロックが無効、CoreMarkコードはフラッシュからの実行)での標準消費電流は0.30mAです。

サブクロック発振器モード–このモードでは、フラッシュ読み取り中の最大動作周波数と電圧範囲は、それぞれ37.6832kHzと1.6〜5.5Vです。 特定の条件(ノーマルモード、すべての周辺クロックが無効等)でのこのモードでの標準的な消費電流は、約5μAです。

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フレキシブルなクロック周波数

システムクロック(ICLK)の分周比は選択可能です。 高速クロックが不要な場合は、適切な低速クロックに切り替えることで消費電力を節約することができます。 クロック分周比は1、2、4、8、16、32、および64です。

周波数が低いほど、消費電流は低くなります。 しかし、電力性能(mA/MHz)に関しては、48MHzが最も効率的です(100μA/MHz = 4.8mA/48MHz)。 一般に、より高い演算処理やCPU性能が求められるアプリケーションでは、ノーマルモードで周波数を高く設定し、CPUの処理時間を短くすることで、低消費電力化を図ることができます。 一方、制御システムなどのアプリケーションでは、ノーマルモードで周波数を低い値に設定することで、消費電流を低減できます。

例えば、ICLKが48MHz、32MHz、16MHz、8MHzのときの標準的な消費電流は、以下の省電力機能の条件でそれぞれ4.80mA、3.45mA、2.05mA、1.40mAです。 （低電力モード:通常モード、電力制御モード:High―speedモード、モジュール停止:すべての周辺クロックが無効での条件）。

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クロック分周比1,2,4,8,16,32,64は、ペリフェラル・クロック(PCLKB、PCLKD)にも選択可能です。

ユースケースに応じたモジュール停止機能

消費電力は、次のレジスタ設定で非動作モジュールまたはそのクロックを停止することで節約できます。

• DTC、I2C、SPI、SCI、CAC、CRC、DOC、ELC、AGT、GPT32n、GPT16n、POEG、ADC120モジュールの動作は、MSTPCRn(n:A、B、C、D)レジスタの設定により停止できます
• RTC、WDT、IWDTのレジスタR/Wクロックは、LSMRWDISレジスタの設定により停止できます
• MPU、デバッグ、BPFの動作クロックは、LPOPTレジスタの設定により停止できます
• SRAMの16KBのうち8KBは、PSMCRレジスタの設定により、ソフトウェアスタンバイモードで電源をオフにすることができます

各消費電流低減機能の組み合わせ

RA2E3が搭載する消費電流低減機能を組み合わせることで、さらなる省電力化を実現できます。 この表では、考えられる多くの組み合わせの内、ほんの一部である 5つのケースを説明しています。

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超低消費電力RA2E3マイクロコントローラの詳細については、renesas.com/ra2e3をご覧ください。

RA2E3 の低電力動作モードの詳細については、 RA2E3 ハードウェアマニュアルを参照してください。