Strom sparen bei 32KHz mit 8051
by Martin Clausen (mc AT rotgradpsi DOT de)
Einführung
Die Charakteristiken von Quarzen im KHz Bereich unterscheiden sich grundsätzlich von denen im MHz Bereich. Der Innenwiderstand der niederfrequenten Quarze ist deutlich höher, darum muß ein 330K Widerstand an den Ausgang des Oszillators geschaltet werden, da sonst die Dämpfung so stark ansteigt, daß die Phasenverschiebung weniger als 180° beträgt.
8051 bei niedrigen Taktfrequenzen
Die alten Kerne der 8051 Serie sind nicht statisch. Das bedeutet, daß die Taktfrequenz einen bestimmten Wert nicht unterschreiten darf (Philips alte 80C51 3,5MHz; Siemens SAB80C535 500KHz, C515 1MHz, C515C 2MHz). Statische Kerne arbeiten jedoch bis zu 0Hz herab. Dennoch schwingen die Oszillatoren nicht mit niederfrequenten Quarzen an (laut Atmel unter 500KHz, Dallas 1MHz). Ausnahmen davon sind die 87LPC76X von Philips und 8051 von Cygnal, die mit niederfrequenten Quarzen und sogar mit RC-Oszilatoren arbeiten, da diese wie die PIC von Mircochip EPROM bzw. Flash-Speicher besitzen, in dem die Oszilatorkonfiguration abgelegt wird.
Mein Entwurf für den 8051 Oszillator mit 32KHz
Der folgende Schaltplan ist für die 8051 von Atmel, Temic, MHS, Dallas, neue Philips und andere geeignet. Da der Oszillator der AVR den der Atmel 8051 ähnlich sein wird, sollte die Schaltung auch mit diesen Chips funktionieren.
Schaltplan dazu: 51osz32k.gif
Wird der Widerstand verringert, so dauert das Anschwingen länger und wird schließlich unsicher. Ein Erhöhen des Widerstandes verlängert die Zeit der erhöhten Stromaufnahme zu Beginn des Power Down (siehe unten). Wird der Kondensator vergrößert oder verkleinert (um einige pF), kann die Stromaufnahme im Idel Modus optimiert werden. So wohl ein zu großer als auch ein zu kleiner Wert verhindern das Anschwingen.
Meßwerte zum Entwurf
Hier einige Meßwerte, aufgenommen am Teatimer bei 3,6 Volt mit beiden Lookbits gesetzt. Der Meßwert zu Idel wird von kurzen Active-Phasen im Rahmen der hier angegebenen Genauigkeit nicht verfälscht. Gleiches gilt im Activ Modus für die geringe Stromaufnahme des Piezos.
Meßgerät: Metrix MX53 im 5mA Bereich, für nA Messungen über 100K Metallfilm Widerstand, Meßgerät dann im 500mV Bereich.
| Chip | Herstellung | Activ | Idel | Power Down | Quarz
|
|---|
| AT89C2051PC-24 Nr.1 | 9941 | ca. 2,0mA | 400µA | 10µA | 32KHz Nr.1
|
| AT89C2051PC-24 Nr.2 | 9941 | ca. 1,9mA | 390µA | 9µA | 32KHz Nr.1
|
| AT89C2051PI-24 Nr.1 | 9838 | ca. 1,8mA | 360µA | 11µA | 32KHz Nr.1
|
| AT89C2051PI-24 Nr.2 | 9838 | ca. 1,7mA | 360µA | 10µA | 32KHz Nr.1
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 320µA | 4nA | 32KHz Nr.1
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 290µA | | 32KHz Nr.1, jedoch 60pF
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 290µA | | 32KHz Nr.1, jedoch 57pF
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 280µA | | 32KHz Nr.1, jedoch 54pF
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 270µA | | 32KHz Nr.1, jedoch 47pF
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 270µA | | 32KHz Nr.1, jedoch 42pF
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 290µA | | 32KHz Nr.1, jedoch 33pF
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 330µA | | 32KHz Nr.1, jedoch 27pF
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 360µA | 6nA | 32KHz Nr.3
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 330µA | 6nA | 32KHz Nr.4
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,3mA | 700µA | 5nA | 32KHz klein Nr.1
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 550µA | 8nA | 32KHz klein Nr.2
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 490µA | | 32KHz klein Nr.3
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 400µA | | 32KHz klein Nr.3, jedoch 42pF
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 450µA | | 32KHz klein Nr.3, jedoch 27pF
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 290µA | 8nA | 32KHz NDK 6YF, ca. 20 Jahre alt
|
| AT89C1051PI-24 | 9901 | ca. 2,2mA | 575µA | 4nA | 32KHz Seiko-Epson SMD
|
| Quarz | Durchmesser bzw. Seitenlänge | Länge
|
|---|
| 32KHz | 3mm | 8mm
|
| 32KHz klein | 2mm | 6mm
|
| NDK 6YF | 3mm | 8mm
|
| Seiko-Epson SMD | 4mm | 10mm
|
Es wurde beobachtet, daß nachdem der AT89C1051PI-24 in den Power Down Modus gewechselt hatte, die Stromaufnahme auf ca. 30µA zurückging, wieder bis auf 100µA anstieg, dann relativ schnell auf unter 1µA fiel. Im Laufe einiger 10s ging er dann auf den tabellierten Wert. Es ist möglich, daß nach langer Zeit alle Meßwerte zum AT89C1051PI-24 im Power Down Modus gegen 4nA laufen. Dieses Verhalten wurde bei den AT892051 nicht beobachtet.
Atmels Kommentar zum Stromsparen
Auf meine Anfrage hin teilte Atmel folgendes mit:
Es gibt zwei Möglichkeiten für den Low Power Betrieb:
- Man betreibt die 89CXX mit 32Khz in dieser Schaltung. Es ist nicht möglich diese Schaltung für den Power Down Modus zu benutzen.
- Man benutzt einen 1 bis 3MHz Quarz und wechselt dann in den Power Down Modus.
(so meine recht freie Übersetzung)
Meine Erfahrungen mit dieser Schaltung am AT89C1051 des Teatimers:
- Stromaufnahme: ca. 1mA im Idel Modus bei 3,6 Volt
- etwas langsameres Anschwingen
- Power Down funktioniert problemlos, das kurze Ansteigen des Power Down Stromes verschwindet (wohl aufgrund des 10M Widerstandes).
Fazit
Mit den meisten 8051 Derivaten lassen sich keine besonders stromsparenden Schaltungen durch Absenken der Taktfrequenz realisieren. Die hier betrachtete AT89CX051 Serie nimmt im Idel Modus bei 12 MHz mit dem normalen Standardoszilator max. 1mA bei 3 Volt auf, die Stromaufnahme konnte nur auf ca. ein drittel bei 32KHz gesenkt werden. Dies ist mit darin begründet, daß die meisten 8051 keine Möglichkeit zum Einstellen des Oszillatortyps besitzen. Außerdem ist im Active Mode bei bei vielen 8051 (z.B. von Atmel und auch bei deren AVR) mit einer mindest Stromaufnahme von ca. 1,5 mA zu rechnen. Die Cygnal Chips sind für die meisten Anwendungen überdimensioniert. Damit bleiben nur die 87LPC76X von Philips (2µA bei 32KHz, Active, 2,7 Volt), die sogar die PIC16F87X von Mircochip (ca. 20µA bei 32KHz, Active, 3Volt) übertreffen. Leider sind die 87LPC76X nur mit OTP EPROM erhältlich. Neu ist eine ähnliche Serie (89LPC9XX) mit FLASH von Philips.
Weitere Informationen
Artikel dazu in EDN Access (Englisch)
Nihon Dempa Kogyo (NDK) Hersteller von Quarzen (Englisch)
Disclaimer: No warranty at all!
Copyright by Martin Clausen, Germany.
Kontakt zum Autor: mc AT rotgradpsi PUNKT de
Impressum