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Objetivos Ao fim desta aula você saberá: Boas práticas de projeto paraaplicações de baixo consumo O que é tecnologia nanoWatt XLP Como usar recursos de baixoconsumo disponíveis nos MCUsPIC® Várias dicas e truques para reduzir oconsumo em uma aplicação
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(XLP)
Aplicações de Ultra Baixo Consumo (Extreme Low-Power) com MCUs
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Objetivos
� Ao fim desta aula você saberá:� Boas práticas de projeto para
aplicações de baixo consumo� O que é tecnologia nanoWatt XLP� Como usar recursos de baixo
consumo disponíveis nos MCUsPIC®
� Várias dicas e truques para reduzir o consumo em uma aplicação
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Agenda
� Começando com aplicações de baixo consumo
� Visão geral das tecnologias nanoWatt e nanoWatt XLP
� Modos de baixo consumo no MCU PIC®
� Dicas & Truque de baixo consumo� Demonstração
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Começando com aplicações de baixo consumo
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O que é baixo consumo?
� Aplicações com baterias� Reduzir o duty cycle� Minimizar corrente em sleep mode
� Aplicações alimentadas na rede� Execução eficiente� Minimizar potência dinâmica� Reduzir freqüência de clock
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O que é baixo consumo?Tipos de potência consumida
� Potência Dinâmica� Potência consumida quando o
circuito está ativo e com oscilador funcionando
� Potência Estática� Potência consumida quando VDD é
aplicado ao circuito � É independente do uso do circuito
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Corrente Média = Iativo x tativo+ Ipowerdown x tpowerdown
tativo + tpowerdown
O que é baixo consumo?Calculando PotênciaC
orre
nte
Tempo de Operação
Potência Dinâmica -Modo ativo com MCU rodando
Redução Potência
Potência Estatica- Modo Power
Down
Tempo de Wake-up
Potência Dinâmica -Modo ativo com MCU rodando
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O que é baixo consumo?Potência Dinâmica
� Perdas de chaveamento em CMOS
� Capacitância de Gate é a principal causa
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O que é baixo consumo?Potência Dinâmica
� Variáveis controláveis� Tensão (V)� Freqüência (f)
� V & f afetam a corrente de chaveamento e as perdas capacitivas
CVfI =dtdVIC=
Selecionável & controlável na Aplicação
Definido, principalmente, pelo projeto do
CI. Em parte afetado pelos
periféricos
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� Causada por perdas nos transistores
� Afetada por:� Geometria
Processo� Tensão� Temperatura
O que é baixo consumo?Potência Estática
Source Drain
VD = 2.5V
VG = 0V
Corrente Perda Sub-threshold
(<Vth)
VS = 0V
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1. Definições e seleções iniciais para a aplicação
2. Fazer um “orçamento” de consumo3. Reduzir consumo nos piores casos
� Fonte de Alimentação� Componentes� Projeto do PCB� Algoritmos
4. Verificar o consumo de potência
O Processo de Baixo Consumo
MCU MCU éé o o cabecabeçça: ele a: ele controla controla vváárias rias partes!partes!
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Exemplo de Aplicação
Sinal de entrada medido
Indica quando medir ou apresentar resultado
Cristal 32 kHz, WDT, Interrupção Externa
Amostra e processadados.
Escreve a saída na memória/displayControla sistema para minimizar corrente consumida
Saída do sinal medido
EEPROM, LCD, RF, USB, SD Card
PIC MCUMemória ou
Display
WakeupSinais
SensorWakeupSinais
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Estados da Aplicação
� Inicialização� Amostragem� Processamento� Saída� Sleep
Amostra
Sleep
Inicialização Amostragem
Processamento Saída
Saída
PIC MCUMemória ou
Display
WakeupSinais
Sensor
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“Orçamento” de Potência Consumida
A 23.89mS1000
mSA 23,892Total TempoTotal CargaMédia Corrente
µ
µ =⋅
==
mA 2.1 Pico Corrente =
1. Calcular Corrente Média
2. Identificar Corrente de Pico
3. Identificar Piores Casos2.000,0OnSaída
0,0OffWakeup
100,0RunMCU21000102100,0
0,0OffSensor
Saída
0,0OffSaída
0,0OffWakeup
100,0RunMCU1001100,0
0,0OffSensor
Processa
0,0OffSaída
0,0OffWakeup
100,0RunMCU210012100,0
2.000,0OnSensor
Amostra
0,0OffSaída
0,0OffWakeup
100,0RunMCU1001100,0
0,0OffSensor
Inicia
0,0OffSaída
0,5OnWakeup
0,1SleepMCU592,29870,6
0,0OffSensor
Sleep
Carga (µµµµA*ms)Tempo (ms)Corrente (µµµµA)BlocoEstado
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DemonstraçãoEstimador de tempo útil de
Bateria para Tecnologia nanoWatt XLP
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Tempo útil de Bateria
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Seleção da Fonte de Alimentação
� Procure oportunidades de melhorias� Reduzir tensão de saída do regulador� Reguladores de maior eficiência
� Selecionar a bateria correta !� Conheça as características de cada
química� Limites de corrente Contínua e Pulsada
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Seleção de Componentes
� Não olhe apenas no datasheet� uA/MHz não conta
toda a história
� Calcule ou meça a corrente consumida em cada tarefa da aplicação
# MHz/Ciclo?
# Ciclos/Instrução?
Outras questões:
- Precisão analógica degrada?
- São necessários mais componentes externos?
- Existe variação significativa de parte para parte?
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Medindo Potência Consumida
� Multímetro� Menor corrente é ~0.1 µA
(multímetros portáteis) � Mede corrente média, não
picos� Resistor shunt em VDD
� R viável depende da corrente� R grande pode gerar BOR
� Descarga capacitor VDD� Útil na medida de correntes
muito baixas
R
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Recursos de baixa potência Microcontroladores PIC®
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Recursos Importantes para economizar potência em MCU
� Flexibilidade de operação� Diversas opções de clock� Configurações de periféricos e fontes de
wake-up para modos operação de baixa potência
� Osciladores de baixa potência � Para temporização c/ WDT, Timer1,
RTCC� Entradas digitais com baixa perda� Wake-up em instantes apropriados
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Tecnologias nanoWatt e nanoWatt XLP
� Requisitos da tecnologia nanoWatt XLP para Baixo Consumo Extremo� Corrente em Sleep < 100 nA� RTCC/Timer1 < 800 nA� WDT < 800 nA
� Recursos Tecnologia nanoWatt XLP� Deep Sleep� Baixa corrente de perda nas entradas� BOR de baixo consumo� Wake-up ultra-baixo consumo (ULPWP)� Inicialização com 2 clocks diferentes
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Componentes com Tecnologia nanoWatt XLP
Todos os dados retirados das especificações dos componentes
1.81.81.81.81.821.81.8Minimum VDD
200-270300195170150272300110
1 MHz Run (µA)
50100050550555I/O Port Leakage (nA)
70080052079060082050060032 kHz Osc/RTC (nA)
300-7004200420450500830500500
WDT (nA)
10010025246054*10020Sleep (nA)
--20--13*--Deep Sleep (nA)
MS
P430F21X
1/M
SP
430F21X2/
MS
P430F22X
2/4
Atm
elA
Tmega48/88/
168/328P
PIC
24F16KA
102
PIC
18LF14K50
PIC
16LF193X
PIC
18(L)F46J11
PIC
18F46K20
PIC
16LF72X
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Recursos de Baixo ConsumoMCU PIC®
� Visão detalhada dos recursos de gerenciamento de potência� Modos de Potência Dinâmica
�Idle�Doze�Chaveamento de Clock
� Modos de Potência Estática�Sleep�Deep Sleep
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Modo Execução (Run)
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Modo Idle
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� 25% da corrente no Modo Run
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Modo Doze
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� Redução 35~75% da corrente no Modo Run
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Modos Idle & Doze
� Quando Idle/Doze deve ser usado?� Substituir while(!Interrupt)loops� Períodos de power-down curtos
necessitando de wakeup rápido (~1 instrução)
� Realizando transferências por DMA� Exemplo de Aplicação
� Medidor de Energia – continua medição e comunicação com redução da potência consumida
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Chaveamento de Clock
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Chaveamento de Clock
� Clock lento economiza mais potência que modo Idle/Doze
� Usado para startup rápido com PLL� Usado quando aguarda um evento
sem periféricos rápidos� Periféricos Analógicos
� Exemplo de Aplicação� Medição com baixa taxa de amostragem
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Modo Sleep
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� 50-100 nA sem regulador
� 3-5 µA com regulador
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Modo Sleep
� Sleep é o modo de baixo consumo mais comum� Não há perda de dados ou funcionalidade� Wakeup rápido� Grande economia de potência
� Pode ser usado pela maioria das aplicações� O MCU está o tempo todo aguardando um
evento
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Modo Deep Sleep
Módulos baixo consumo
específicos Deep Sleep
� <50 nA
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Modo Deep Sleep
� Desativação de VDDcore causa perda dos dados da RAM, SFRs e Contador de Programa (PC)
� O wake-up écomo um POR (power-on reset)
� Estados dos pinos de I/O são mantidos
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Modo Deep Sleep
� DPSLP requer re-inicialização� Quando DPSLP deve ser usado?
� DPSLP é melhor quando períodos power-down são longos
DSI - Sleep
IInit
IInit
T PORIPORT
BreakevenT
×+×=
Redução de corrente com DPSLP
“custo” de usar DPSLP
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Modo Deep Sleep
� Exemplo de Aplicações� Equipamentos médicos portáteis
� Termômetros, Alarmes Médicos de Emergência, Medidor/Monitor de Glicose
� Amostra iniciada manualmente� Retenção de RAM não necessária
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Resumo Modos Baixo Consumo
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Outros Recursos para Reduzir Consumo
� DMA/FIFOs� Inicialização com 2 clocks� ULPWU (Wakeup Ultra-baixo
Consumo)� WDT/DSWDT (Deep Sleep WDT)� BOR/DSBOR (Deep Sleep BOR)� PMD (Bits Desabilitação Periféricos)
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Dicas & TruquesBaixo Consumo com MCU PIC®
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Dica 1: Controle Circuitos Externos
� Circuitos externos sempre alimentados� Deve depender dos modos de espera do
sistema
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Dica 1: Controle Circuitos Externos
� MCU PIC® controla alimentação com I/O� Usar FET/LoadSwitch para circuitos alta
corrente ou tensão diferente
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Dica 2: Bateria Backup
� Lógica OU com diodos pode controlar bateria backup� Entrada analógica
mede tensão da bateria
� Entrada digital testa fonte externa
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Dica 3: I/O “abertos”
� Não deixar pinos de entrada “abertos”� Configure GPIO não usado como
saída� Usar pull-up ou pull-down
Quantidade de Pinos abertos Caso Ruim Pior Caso
1 Pino aberto 35 µA 0.5 mA2 Pinos abertos 65 µA 1 mA10 Pinos abertos 305 µµµµA 5 mA
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Dica 4: Reduzir Tensão
� Reduzir a tensão do sistema afeta as correntes dinâmica & estática
� Use reguladores de saída mais baixa
� Use diodos para reduzir tensão� CIs funcionam em uma faixa de
tensões� CIs de 3V funcionam desde ~2V� CIs de 5V funcionam desde ~3V
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Dica 5:Desabilitar Regulador Interno
� VREG consome mais corrente estática� Reduzir VDDCORE reduz corrente
dinâmica
VDD VDDCORE IPD VREG3.3V 2.5V 3.5 uA On3.3V 2.5V 0.3 uA Off3.3V 2.0V 0.2 uA Off
VDD VDDCORE IDD VREG3.3V 2.5V 3.6 mA On3.3V 2.0V 2.2 mA Off
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Dica 6: Evite uso excessivo RAM
Alta Potência:while(!_T1IF) i++;
Baixa Potência:while(!_T1IF){
i++;
Nop();
Nop();
Nop();
Nop();
Nop();
}
� Acesso a RAM e SFR necessita mais corrente que NOPs� Coloque NOPs em
seções não-críticas para reduzir potência média
19.1 mA
16.4 mA
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Dicas Gerais
� Use pull-up internos para botões� pull-up internos podem ser
desabilitados após leitura.� Use LEDs alta potência
� LEDs alto brilho alimentados com baixa corrente ainda são visíveis(LEDs > 1000 mcd e menos de 20 )
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Dicas Gerais
� Use pull-ups de resistência alta� Use capacitores de baixa perda
� Tântalo costumam ter alta perda� Cerâmicos tem perda mais baixa
� Use capacitores bypass com moderação
� Trilhas curtas = baixa impedância
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Portifolio de Produtos
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Desempenho
Func
iona
lidad
e
Ampla Oferta de Produtos
MPLAB® - Ambiente
de Desenvolvimento
Integrado Único
Portfolio nanoWatt XLP
PIC16LF72X
PIC18F46K20
PIC18F46J11PIC18F46J50
PIC24F16KAmTouch
nanoWatt XLP
nanoWatt XLP55
Produtos
PIC16LF193X(LCD)
PIC18LF1XK22PIC18LF1XK50
Disponíveis
Previstos
PIC24FJ64mTouch
PIC24F04KAmTouch
PIC16LF182X
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Selecionando XLP no MAPS
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Portfolio nanoWatt XLP
195520420202520/288-16PIC24F16KA102(mTouch)
195470370202514/204PIC24F04KA201(mTouch)
150650460-34208-16PIC18F14K22
150600500-9028/447-28PIC16LF1937(LCD)
13
13
-
-
-
DeepSleep(nA)
28/44
28/44
28/44
20
28/44
Pinos
272
272
300
170
110
1MHz Run(µA)
8138135416-64PIC18F46J50
8138135416-64PIC18F46J11
6006001008-64PIC18F46K20
790450248-16PIC18F14K50
500500203.5-14PIC16LF727(mTouch)
RTC*(nA)
WDT*(nA)
Sleep(nA)
Memória Flash
KB
Família de MCU PIC
Todos valores são típicos com Vdd mínimo, retirados dos datasheets. * Corrente em Sleep considerando consumo de WDT e/ou RTC. Corrente de perda típica por pino de I/O 50nA
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PIC24F16KA MCU 16-bit
� Otimizado para Bateria�� DeepDeep SleepSleep (DS) 20 nA(DS) 20 nA� RTCC 500 nA� DSWDT 400 nA� DSBOR 50 nA� Várias fontes Wake-up
� INT0, RTCC, DSWDT, POR/BOR, MCLR
� I/Os mantidos em DeepSleep
� EEPROM interna
� mTouch™ CapacitivoDisponível em encapsulamentos de 20 & 28 pinos
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PIC18F46J11 MCU 8-bit
� Rico em recursos, Baixo consumo�� Modo Modo DeepDeep SleepSleep (DS)(DS)
�� < 20 nA< 20 nA� DSBOR, DSWDT, RTCC � Várias fontes Wake-up
�� PerifPerifééricos de 80ricos de 80--pinos em pinos em encapsulamentoencapsulamento de 28/44 de 28/44 pinospinos� Remapeamento dos I/Os
Digitais� mTouch™ Capacitivo� até 4 seriais� até 5 timers, 8 PWMs� 64 KB Flash & 4 KB RAM
� Oscilador Interno +/- 1%
Disponível em encapsulamentos de 28 & 44 pinos
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PIC18F46J50 MCU 8-bit� Baixo Consumo + USB
�� Modo Modo DeepDeep SleepSleep�� < 20 nA< 20 nA� DSBOR, DSWDT, RTCC� Várias fontes Wake-up
�� USB USB FullFull--SpeedSpeed�� Oscilador USB Integrado Oscilador USB Integrado ……
Sem Cristal ExternoSem Cristal Externo
�� PerifPerifééricos de 80ricos de 80--pinos pinos em em encapsulamentoencapsulamento de de 28/44 pinos28/44 pinos
� mTouch™ CapacitivoDisponível em encapsulamentos de 28 & 44 pinos
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PIC18F13K50 / 14K50� USB 2.0 + Vários
Periféricos� ECCP, I2C/SPI, 10-bit ADC
� Encapsulamentospequenos - QFN 5x5 mm� Menor ecapsulamento USB do
mercado
Low Pincount USB Kit (DV164126)
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PIC16F1934/6/7LCD & Uso Geral
Recursos� 1 Produto com Enhanced Core
� Latência de interrupção reduzida� Pilha em hardware 16 níveis
� até 14KB Memória Flash Self-Write� até 512B RAM & 256B EEPROM� Oscilador Interno 32MHz – Desempenho 8
MIPS� 1.8V-5.5V nos modelos ‘F’� nanoWatt XLP™ nos modelos “LF” (1.8V-
3.6V)� Sleep 90 nA� WDT 500 nA� Oscilador Timer1 600 nA
Periféricos� mTouch Capacitivo (até 16 canais)� Integrated LCD Drive (até 96 segmentos)� 2 CCP & 3 ECCP com 3 Bases Tempo
Independentes� Até 14 canais ADC de 10bit� 2 Comparators� Master SPI/I2C™ and EUSART� 4 timers 8-bit e 1 de 16-bit. RTCC baixo
consumo� WDT, BOR, POR
PIC16F/LF1936� 28-pin SPDIP, SOIC, SSOP, 6x6 QFN, 4x4 UQFNPIC16F/LF1934, PIC16F/LF1937� 40-pin PDIP, TQFP, 8x8 QFN, 6x6 UQFN
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Recursos� até 16KB Memória Flash Self-Write� até 512B RAM & 256B EEPROM� Oscilador Interno 64 MHz � 1.8V-5.5V nos modelos ‘F’� nanoWatt XLP™ nos modelos “LF”
(1.8V-3.6V)� Sleep: <50 nA� WDT: <600 nA� Oscillator Timer1: <800 nA @ 32 kHz
Periféricos� Até 12 canais de ADC 10-bit� 2 Comparadores rail-to-rail� Latch SR� Até 4 timers� 1 I2C master / SPI� 1 EUSART� 1 ECCP
PIC18F1XK22 Uso Geral
Encapsulamentos de 20-pin SSOP, PDIP SOIC,QFN 4x4
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Ferramentas de Desenvolvimento Recomendadas
PICDEM™ Lab Development KitPart Number: DM163035
Suporta MCUs 8-bit comuns ( 20 pinos)
PIC18 Explorer Board Part Number: DM183032PIC18F46J11 Plug-In Module: MA180023
PIC18F4XK20 Starter KitPart Number: DM164124Para PIC18F4X/2XK20
PIC1846J50 FS USB Part Number: MA180024
Explorer16 Board Part Number: DM240001PIC24F16KA102 Plug-In Module: MA240017
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Ferramentas Desenvolvimento
� Ferramentas disponíveis� PIC18F1XK50 Low-Pin count USB
(DM164127)� PIC18F4XK20 Starter Kit (DM164124)� PIC24F16KA102 PIM para Explorer16
(MA240017)� PIC18F46J11 PIM para PIC18 Explorer
(MA240017)
Development Tools em www.microchip.com/xlp
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Referências� www.microchip.com/xlp
� AN1267 – Introdução tecnologia XLP� AN879 – Usando ULPWU� AN1095 – Emulação de EEPROM� Capítulo 2 Tips n’ Tricks compilado
� Especificações de Baterias� www.data.energizer.com� www.panasonic.com/industrial/battery
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Resumo
� Hoje falamos de:� Melhores práticas para aplicações de
baixo consumo� O que é a tecnologia nanoWatt XLP� Modos de baixo consumo MCU PIC®
� Dicas & Truques para baixo consumo
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Perguntas
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Obrigado !!
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Marcas Registradas� O nome Microchip e logo, o logo Microchip, dsPIC, KeeLoq, KeeLoq logo, MPLAB, PIC,
PICmicro, PICSTART, rfPIC e UNI/O são marcas registradas da da Microchip Technology Incorporated nos Estados Unidos e outros países.
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