【经验】基于瑞萨电子的RL78 MCU LCD演示方案——使用一颗柠檬持续供电三天

时间： 2018-11-16 来源：Renesas

技术问答

本文介绍了基于瑞萨电子的RL78 MCU的LCD演示方案，它使用了一颗柠檬在整个展会期间（三天！！）持续供电，真正证明了RL78现在仍然是最低功耗的MCU产品系列之一。

虽然这个演示主要是用于宣传，并且也不建议用水果来替代电池，但我们希望通过该演示让客户看到，在电池供电的产品应用中，例如煤气表和水表、空调控制器、便携式测试工具和便携式医疗设备和其他应用等，使用RL78 MCU可以明显延长电池寿命，在某些情况下，电池的使用寿命甚至可以和产品生命周期一样长。

图1 -瑞萨电子的RL78/L12 LCD演示方案

环境保护、有效资源利用等市场需求要求系统必须维持低功耗运行，而电池供电设备的总成本（产品加上处置成本）往往高于同等水平的有线供电系统，这些状况都要求电池能持续工作更长时间。世界范围内的政府监管推动了电子设备在运行和待机方面降低总功耗的需求。现在越来越多的产品已经或将要使用电池供电或者要求包含一个备用电池，因此对产品设计，特别是MCU方面提出了更多的要求。降低功耗对于设备达到功耗目标和遵守法规要求来说至关重要。

在文章中，参考使用了瑞萨电子的两个低功耗MCU产品系列RL78和RX100，其中，RL78是高性能、低功耗（63μW/MHz）的16位系列产品，RX100是高性能、低功耗（100μW/MHz）的32位产品系列，它们都能为客户提供更高的性能，并保持良好的低功耗特性。

虽然方案使用了这些具体的产品（RL78/L12和RX111）进行参考和比较，但原理和技术同样适用于瑞萨所有的RL78和RX产品系列。尽管本文主要集中介绍LCD“柠檬”演示方案和其配置，同时也介绍了一系列资料，定义了低功耗设计的必要共同原则。

低功耗运行

很多产品要在整个生命周期仅靠电池供电运行，不进行充电或更换电池，最关键的就是要保证待机时功耗非常低，并且可以用极小的电流进行唤醒操作。全新的MCU产品不仅可以改变工作频率以实现低工作电流，而且还能支持灵活的低功耗待机运行，使设计人员能够针对运行时的功耗选择优化时钟频率，并使用待机模式，以满足系统和电池寿命的要求。这已经成为全新的MCU的重要特点。MCU虽然能在很大程度上影响低功耗设计，但并不是在设计领域将功耗降至最低时需要考虑的唯一因素。

RENESAS参考使用的产品RL78包括两种待机模式，在HALT模式下只有CPU时钟停止，在STOP模式下几乎所有的MCU功能都会停止。如右图2所示，二者都可以显著地降低电流消耗。但是，RL78包括一个先进的链接STOP模式的额外低功耗模式，简称为SNOOZE。当该模式与ADC、UART或CSI外设（以任何组合方式）结合使用时，它允许系统主时钟和外设从STOP模式唤醒，进行一个事件检查（ADC范围检测、UART/ CSI有效接收），CPU会被唤醒去处理有效事件，或者事件无效MCU返回到STOP模式。这样可以极大程度的减少CPU被激活的次数，直到产生一个有效的系统唤醒需求，CPU才会被激活。它还能结合很多RL78产品提供的特殊片上外围功能一起使用，诸如“事件链接控制器”（ELC），ELC可以使用其他外围设备触发一系列事件，而不需要CPU的任何操作。

这样可以在不使用CPU的情况下进行有效地处理，例如将ADC结果或者将UART/SPI接收的数据存入存储器，在这些“链接”事件平行进行时，可以让CPU处理应用任务，从而节省执行时间。

RX100包括三种待机模式，其中SLEEP、DEEP SLEEP是类似于RL78的HALT运行模式的硬件触发模式，而SOFTWARE STANDBY是基本等同于RL78的STOP模式。从右图3可以看出这样可以使RX100与RL78具备相同的低功耗优势，结合快速唤醒时间使RX100成为功耗最低的32位MCU之一。RX100还包括类似事件链接控制器等的外围设备，可以在CPU处理应用任务的同时并行处理“链接”事件，节省了执行时间和能耗。

图2 - RL78待机电流消耗

图3 - RX100待机电流消耗

柠檬演示方案

经过上文对低功耗设计和运行的描述，我们回到本文的主题，柠檬演示方案最大的问题是“如何做才能让RL78演示方案持续三天？”。在开发演示方案时Renesas考虑了一系列的因素。

1.尽可能地利用待机，尽可能少地唤醒设备处理事件

2.尽可能地将系统时钟频率降到最低

3.尽可能地配置最宽范围的系统运行电压

根据这些条件，RL78/L12被配置成使用32 KHz外部谐振器来操作，在初始化完成后使用RL78的超低功耗（ULP）振荡选项来运行CPU、RTC和LCD控制器。

演示方案开始时使用内部的1 MHz振荡器，一旦完成系统初始化，主时钟变更为32 KHz，同时关闭内部振荡器。该系统超过90%的时间都是在HALT模式下，仅仅每1/2秒由RTC唤醒CPU来更新液晶显示数据。

所有其他未使用的外设功能都关闭了。柠檬“电池”是使用了一个柠檬，通过以镁板为负极，铜板为正极实现的。两个板

被小心的隔开实现最大化的介电效应，产生电压和电流。整个系统在标称1.8 V电压下大约消耗2.4μA电流。

尽管柠檬可以提供标称1.8V的电压，RL78/L12更能够在低至1.6V电压下运行，但LCD显示需要较高的工作电压，因此LCD控制器被设定为“升压”模式，以尽可能长间的保持LCD的工作电压。

本文介绍了很多适用于低功耗设计和操作的关键因素，并使用了“柠檬”的例子来验证这些因素可以增加您的电池（或柠檬！）工作寿命。

尽管每个产品应用都有其自身的规格和目标，通过细致的电源管理设计和操作可以使任何电池供电的产品应用持续工作更长时间，从而实现提高电池寿命的目标。尽管Renesas的“柠檬”样例比较简单，但它不难应用到那些一个事件被定期处理而大部分的剩余时间处于休眠状态的传感器、加热控制器或计量类应用中，它也表明在实际应用时，通过细致设计和操作，可以延长电池寿命。

最后需要注意的是，Renesas的柠檬演示方案，确实最终由于电源电压低于正常运行要求，LCD停止了工作。尽管三天后柠檬明显严重腐化（当然这个问题通常不会发生在电池上），但CPU、定时器等仍在实际运行。

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本文由LEA酱的一生转载自Renesas，原文标题为:白皮书 1 ：柠檬供电设计，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。

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