(1) 概要
(2) 低消費電流 ≠ 低消費電流？
　(2.1) 低電圧での動作について
(3) LED, 低電流MCU, RTC, 低消費電流RTC の電流の比較
　(3.1) バッテリの種類・容量について
　(3.2) 動作時間について
(4) システム レベルでの低電力化の工夫
　(4.1) 2 つのセンサーが監視している例
　(4.2) 考慮すべき重要な点
(5) 動作レベルでの調整
(6) 重要な要素の選択: RTC モジュール
(7) 結論

 

（英語原本）Achieving lowest power consumption on system level( 2021-01 Rev.1.1E)/ Microcrystal

 

 

　 IoT(Internet of things) によって豊富な新しいアプリケーションが広がり、モニタリングや制御する機能がさらに多く必要とされています。 多くの場合、機能が増えると消費電力も増加してしまいます。 必要とする電力を体系的に見ると、各機能ブロック毎では動作時には各々の最大電流を必要とします。しかし幸いなことに全ての機能を常に最大のパフォーマンスで動作させる必要はありません。省電力設計の目標はその都度不要なものを全てオフにすることになります。
そのためには各機能にウェイクアップ信号を送るため常時オンになっているデバイスは非常に低消費電流である必要があります。リアルタイムクロック (RTC) はいずれにしても時刻保持のため常時オンである必要があるため、これを活用することをご提案します。最新のRTCモジュールは非常に低消費電流(50nA〜240nATyp.)で動作します。RTCモジュールには時刻情報の保持以外にも定期的に割り込み信号を出力してマイコンをウェイクアップさせる機能があります。それにより多くの場合でシステム全体での消費電流を90％以上削減することが出来ます。

 

このホワイトペーパーではアプリケーションで追加で電流が流れる可能性があるポイントの特定に加えて、影響を軽減するための対策も提案します。

 

 

　今日、多くのデバイスは低消費電力 (Low Power =LP) をうたっています。
 それにより次世代のアプリケーションは消費電力が少しばかり減少しています。
 しかし実際問題としては、消費電流はバッテリー容量に対して十分に少ない値である必要があります。
『外付けのRTCモジュール』を活用して消費電流の多いデバイスの稼働時間を制御して全体の電流値を抑えることで
 本当の『低消費電流化』になります。

IoT 関連のウェアラブル、ポータブル、および多くのアプリケーションは、最小限の消費電流にすることが必須となっています。
電力を消費するデバイスのほとんどが抵抗特性を持っているため、低電圧動作は有効です。
動作電圧を5V→3V (1.5分の1)に下げると消費電流は約半分になります。
そして消費電力を最小限に抑えるための回路を選択して最適化する必要があります。

 

 

　下の(表1)はPCB基板上での各デバイスの消費電流の比較した例です。

e), e)' は Microcrystal のRTCモジュール です。

一般に電池容量の大きい『一次バッテリー』 と 容量の小さい『バックアップバッテリー』が併用されます。

・以下の例で時系列での消費電流を考察します。

（ 図1：デバイス構成の違いによる消費電流の違い ）
（ 左：マイコン内蔵のRTCを使用／ 右：外付け低電流RTCを使用 ）

 a) タイミング
 b) センサー動作時の電流
 c) MCUの電流
 d) RTCモジュールの電流
 e) トータル電流

 

 

*saving = 節約された電流

 

 

　設計段階の早い段階で配電のアーキテクチャを検討することはとても有効です。 さまざまな機能ブロックを完全にオフにできるように、供給ラインを配線する必要があります。

例えば以下のように必要なタイミングのみセンサを動作させることで消費電流を削減出来ます。

 

a)
全てのセンサーが常に作動している状態が理想ですが、必ずしもその必要は無い場合もあります。個々のブロックを詳しく見てみると、消費電力を削減できる可能性があります。例えば各サンプリング間の時間間隔を伸ばすだけでも電流が削減されます。
b)
センサー #1: 温度が 55°C 未満の場合には1 分間に1 回だけ読み取る必要があるが、55°C を超える場合にのみ 10 秒間隔にするなどサンプリング間隔を最適化します。
c)
センサー #2: 水位は急速に変化しないため、15 分ごとにチェックするだけで十分です。
d)
通信 : モジュールは 1日に 1回のみ決められた時間に通信するか、パラメータが限界を超えた場合に直ちに警告情報を送信させます。

 

基板上の電源をオフにした後、漏れ電流に関してすべてのラインをチェックします。 標準的な FETスイッチは 数 µA のオーダーで容易にリークする可能性があります。 オープンドレイン構成の通信回線も無駄な電流の潜在的な発生源です。プルアップがコントローラの電源に接続されていることを確認してください。 電源の切り替えに使用されるダイオードは低リークのショットキー タイプでなければなりません。また基板テスト用のクロック周波数出力をオフにして消費電力を最小限に抑えるように構成する必要があります。

 

 

 

　システムの消費電力が最小になるのは、次の場合です。
　◎ 一つの超低消費電流のデバイス(RTCモジュール)のみが常にオンとなり、時刻情報を保持し一定間隔でのウェイクアップを制御する
　◎ その他の動作ブロックは通常時は全てオフに
　◎ ブロックをオフにできない場合は、ブロックをスリープまたは最低電力のアイドリング モードにする必要があります。
そうすることで多くのケースで 稼働時間の95％以上で電源が供給されている回路はRTCモジュールだけになります。
（図2：RTCモジュールを接続した場合の動作モデル）

→ 機能動作時の電流
→ 待機時の電流
*RTCモジュールは一次リチウムコイン電池 (CR2032)でバックアップ動作し、一定間隔でMCUやバッテリスイッチに割り込み信号を出力します。

 

 

　『 XTAL内蔵のRTCモジュール 』は、特にIoTや低消費電流が重要な用途で使用される場合により優れています。

＊消費電流値は +3V＠+25℃ でのTypcal値。
　『RV-3028-C7』及び『RV-3032-C7』はバックアップ電源切替モードの設定により Typcal値が変わって来ます。

 

 

 

　特別なタスクを実行するためにごく短い時間だけMCUの高い計算能力を必要とするアプリケーションは多くあります。そのタスク実行後はMCUはアイドリング モードに戻ることができます。さらにウェイクアップをスケジュール通り実行するため専用の低消費電流の RTCモジュールを追加すると消費電力がより最小限に抑えられます。
以下の <表3> と<図3> に示すように、マイクロコントローラを低消費電力 RTC モジュールと組み合わせるとシステム性能が向上することが分かります。

（表3）『MCU内蔵RTC』使用時と『外付けRTCモジュール』使用時の消費電流の比較

（図3：MCU内蔵RTC場合と 外付けRTC との消費電流での比較グラフ）

 

 

・(株)多摩デバイス お問合せ先（日本国内）
（ mailto: microcrystal@tamadevice.co.jp）
 または お問合せフォーム

 

・Microcrystal 問い合わせ窓口（スイス／グレンヘン）
（ mailto:　marketing@microcrystal.com　）
（ mailto:  tech-support@microcrystal.com ）

 

 

 

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