详解RA2E3 MCU的低功耗工作模式

摘要

本文将为您详细介绍RA2E3 MCU的省电功能如何降低应用中不必要的功耗。

Prabhath Horagodage

Senior Staff Product Management

微控制器用于多种用途。一些应用需要高速、高性能和连续的全速运行，而另一些应用只需要在特定周期内进行部分操作。瑞萨多年来一直在研究这些用例，并设计了极其节能的RA2E3，使设计人员能够通过其省电功能来降低MCU功耗，以达到最终用户的期望，实现高能效和环保效益。RA2E3提供四种主要的省电模式，可以单独使用，也可以组合使用：

三种不同的低功耗工作模式

四种不同的电源控制模式

将时钟频率切换到适当的速度

在特定持续时间内停止不必要的模块

低功耗工作模式

RA2E3提供以下三种不同的低功耗模式：

休眠模式

软件待机模式

贪睡模式

当满足所需条件时，可以对MCU进行编程，使其自动在这些模式之间转换。在特定条件下（高速时钟、所有外设时钟均已启用等）的正常模式下的最大电源电流为12 mA，而在特定条件下（所有SRAM均已开启、所有外设模块均停止等）软件待机模式下的最大电源电流为0.25 μA。睡眠模式和贪睡模式下的电源电流介于正常和软件待机模式下的电源电流之间，具体取决于操作模块数量、时钟频率等条件。可以粗略比较每种模式下的功耗，如图1所示。低功耗模式之间的转换方法如图2所示。

图1 各低功耗模式下功耗的粗略比较（有条件）

图2 低功耗模式转换方法（详见MCU硬件手册）

1睡眠模式

在此模式下，CPU停止运行，但保留其内部寄存器的内容。其他外设功能和振荡器默认不停止，但用户可以设置是否停止它们。

例如，如果用户需要在快速模式下执行一段时间的A/D转换，但在此期间不需要CPU操作，则用户可以编程MCU在A/D转换开始时进入具有高速转换时钟的睡眠模式，并在A/D转换完成后返回正常模式。在此示例中，用户在此期间节省了不必要的CPU功耗。有关进入、操作和取消睡眠模式的更多详细信息，请参阅文末RA2E3硬件手册。

2软件待机模式

在此模式下，CPU、大多数外设功能和振荡器停止。但是，CPU内部寄存器和SRAM数据的内容、片上外设功能的状态和I/O端口被保留。软件待机模式可显著降低功耗，因为大多数振荡器已停止。

例如，如果MCU需要等待外部输入（如IRQ中断）启动特定操作，并且在等待期间不需要其他操作，则用户可以对MCU进行编程，使其保持软件待机模式，直到接收到输入，从而节省大部分不必要的功耗。接收到输入后，可以在软件待机模式下执行目标操作，也可以根据需要在过渡到贪睡或正常模式后执行。目标操作完成后，可以再次返回软件待机模式并等待下一个输入。有关进入、操作和取消软件待机模式的更多详细信息，请参阅文末RA2E3硬件手册。

3贪睡模式

在此模式下，CPU停止运行，但其内部寄存器的内容被保留。大多数外设功能和振荡器的操作都是可选的。如图2所示，不允许从正常模式或睡眠模式直接过渡到贪睡模式。应通过软件待机模式过渡到贪睡模式。但是，可以直接从“正常”模式过渡到“贪睡”模式。

让我们看一个在贪睡模式下使用UART的示例。在开始UART通信之前，MCU可以保持软件待机模式，节省功耗。当它开始接收UART数据时，MCU可以过渡到贪睡模式并继续接收数据，而不会唤醒CPU、不必要的外设功能和振荡器。数据接收完成后，MCU可以再次返回软件待机模式，等待下一个UART数据。有关进入、操作、结束和取消贪睡模式的更多详细信息，请参阅文末RA2E3硬件手册。

电源控制模式

有四种功率控制模式，主要根据最大工作频率和工作电压范围来定义。通过功率模式控制内存读取速度，可以降低内存（闪存/RAM）的电流消耗。电源控制模式可用于正常、睡眠和贪睡模式。每种模式的功耗如图3所示。

1高速模式

在此模式下，MCU的最大工作频率和电压范围分别为48 MHz和1.8至5.5V。在特定条件（在正常模式下工作，禁用所有外设时钟，从闪存执行CoreMark代码）模式下，最大电源电流为4.80 mA。

2中速模式

在此模式下，MCU的最大工作频率和电压范围分别为24 MHz和1.8至5.5V。但是，当工作电压为1.6至1.8V时，最大工作频率为4 MHz。在特定条件下（在正常模式下工作，禁用所有外设时钟，从闪存执行CoreMark代码）的典型电源电流为2.60 mA。

3低速模式

在此模式下，MCU的最大工作频率和电压范围分别为2 MHz和1.6至5.5V。在特定条件下（在正常模式下工作，禁用所有外设时钟，从闪存执行CoreMark代码）的典型电源电流为0.30 mA。

4Subosc速度模式

在此模式下，MCU的最大工作频率和电压范围分别为37.6832 kHz和1.6至5.5V。在特定条件下，该模式的典型电源电流约为5 μA。

图3 各电源控制模式下功耗的粗略比较（有条件）

时钟切换

可以为系统时钟（ICLK）选择分频比。当不需要高速时钟时，用户可以切换到适当的低速时钟并节省功耗。时钟分频比为1、2、4、8、16、32和64。

频率越低，电流消耗越低。但就功率性能（mA/MHz）而言，48 MHz是最有效的（100 μA/MHz = 4.8 mA/48 MHz）。一般来说，对于需要更高计算处理和CPU性能的应用，可以通过在正常模式下设置更高的频率和缩短CPU处理时间来实现更低的功耗。另一方面，对于控制系统等应用，可以通过在正常模式下将频率设置为较低的值来降低电流消耗。

例如，ICLK为48 MHz、32 MHz、16 MHz和8 MHz时，在以下省电功能的条件下，典型电源电流分别为4.80 mA、3.45 mA、2.05 mA和1.40 mA。低功耗模式：正常模式，功率控制模式：高速模式，模块停止：禁用所有外设时钟。

图4 其他省电功能条件相同时的功耗粗略比较

外设时钟（PCLKB、PCLKD）也可以选择时钟分频比1、2、4、8、16、32和64。

模块停止功能

通过以下寄存器设置停止非工作模块或其时钟，可以节省功耗：

DTC、I2C、SPI、SCI、CAC、CRC、DOC、ELC、AGT、GPT32n、GPT16n、POEG、ADC120模块的运行可以通过设置MSTPCRn（n：A、B、C、D）寄存器来停止

RTC、WDT、IWDT的寄存器读/写时钟可以通过LSMRWDIS寄存器的设置来停止

MPU、调试、BPF的运行时钟可以通过设置LPOPT寄存器来停止

在软件待机模式下，16 KB SRAM中的8 KB可以通过PSMCR寄存器的设置关闭

各省电功能组合

结合使用省电功能可以实现更多的省电效果。该表详细介绍了五种情况，这些情况只是众多可能组合中的几个例子。

表1 省电功能组合示例（适用条件）

图5 各组合情况下功耗粗略比较

审核编辑：汤梓红