AVR ATtiny Stromaufnahme

[Georg M. (g_m)]

Hallo,

meine Messergebnisse stimmen nicht mit den Datenblatt-Werten überein.
Konkret geht es um die Stromaufnahme vom Mikrocontroller im Ruhemodus, 
wenn nur der Oszillator mit Prescaler und der TCB laufen.
(getestet am ATtiny402 @ 3.0V, 21°C)

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Datasheet:
OSC20M (1MHz system clock): 125 µA
TCB @ 1 MHz:                  7.5 µA
-------------------------------------

Zusammen: 132.5µA

Gemessen: 235µA

Irgendwas stimmt also nicht. Wo ist der Fehler?

// OSC20M: 16MHz
// Main Clock: 1MHz
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
  _PROTECTED_WRITE(CLKCTRL.MCLKCTRLB, CLKCTRL_PDIV_16X_gc | CLKCTRL_PEN_bm);   // 1 MHz Main Clock

  PORTA.PIN1CTRL = PORT_ISC_INPUT_DISABLE_gc;      // disable PA1 digital input buffer
  PORTA.PIN2CTRL = PORT_ISC_INPUT_DISABLE_gc;      // disable PA2 digital input buffer
  PORTA.PIN3CTRL = PORT_ISC_INPUT_DISABLE_gc;      // disable PA3 digital input buffer
  PORTA.PIN6CTRL = PORT_ISC_INPUT_DISABLE_gc;      // disable PA6 digital input buffer
  PORTA.PIN7CTRL = PORT_ISC_INPUT_DISABLE_gc;      // disable PA7 digital input buffer

  TCB0.CCMP = 0xC350;                              // count value
  TCB0.CTRLA = TCB_RUNSTDBY_bm | TCB_ENABLE_bm;    // enable Run in Standby, enable TCB

  SLPCTRL.CTRLA = SLPCTRL_SMODE_STDBY_gc;          // select STANDBY sleep mode

  while(1)
  {
    sleep_mode();
  }
}

[Benjamin K. (bentschie)]

Eventuell am drumherum?

Es kommen jetzt die üblichen Fragen.
Wie hast du gemessen, nur den µC?
Was ist sonst noch dran, vielleicht fließt ja dein Strom aus einem 
IO-Port?

Günstig ist wie immer auch ein Schaltplan. Und bei Low-Power besser den 
kompletten, in eine Prinzip/Übersichtsschaltung passiert es schnell das 
der verursachende Teil weggelassen wurde (ach ist doch nur die LED oder 
so)

Bitte nicht missverstehen, ich bin Elektroniker, das sind die für mich 
wesentlichen Fragen. Die deri Softwarezeilen versteht jemand anderes 
besser.

[S. L. (sldt)]

Tja, merkwürdig: mein ATmega4809 nimmt 360 uA auf, ist jedoch mit 130 + 
7.4 bei OSC20M angegeben; mit OSC16M sind es immer noch 290 uA. Ich sehe 
aber keinen Fehler im Programm.

[Ingo W. (uebrig)]

Auch gern genommen: Eingänge die zwischen Low und High schweben, ohne 
dass der Digitaleingang gesperrt ist (DIDR).

[Peter D. (peda)]

Ich würde mal Power-Down testen, ob <1µA.

[Εrnst B. (ernst)]

Und überprüfe, ob dein Tiny auch dauerhaft im Sleep-Mode ist, oder 
ständig aufwacht.

Wakeup-Sources sind ja eigentlich keine aktiv, oder?

Also statt

while(1) {
    sleep_mode();
  }

ein

  sleep_mode();
  while(1);

dann sollte das am Stromverbrauch deutlich sichtbar sein.

[S. L. (sldt)]

> Ich würde mal Power-Down testen, ob <1µA.

< 0.2 uA

[Georg M. (g_m)]

Peter D. schrieb:
> Ich würde mal Power-Down testen, ob <1µA.

Ja, 0.65µA mit RTC/PIT, und 0.15µA wenn komplett down.

[Ingo L. (corrtexx)]

Die üblichen Verdächtigen geprüft?

- offene Eingänge
- unbeutzte Peripherie (damals wars der analog Komparator)

[S. L. (sldt)]

Es geht um die tinyAVR® 0-series bzw. megaAVR® 0-series.
  Für die Eingänge ist mit PORTx.PINnCTRL gesorgt.

[S. L. (sldt)]

Und bei dem ähnlichen AVR128DB28 ist es - nun ja, ähnlich: angegeben mit 
160 + 3.5 uA, aber ich komme hier auf 560 uA.

[Ingo L. (corrtexx)]

S. L. schrieb:
> Für die Eingänge ist mit PORTx.PINnCTRL gesorgt.
Hast du mal geschaut, ob sich was ändert, wenn du die Einänge mal alle 
per Pulldown runter ziehst oder mal als Ausgang konfigurierst? Rein 
experimentell! Es muss ja einen Grund geben, dass du soweit weg von den 
Spezifikationen bist...

[Peter D. (peda)]

Du kannst ja mal den Vorteiler verdoppeln, um zu sehen, welcher Anteil 
konstant bleibt und welcher sich mit dem Takt halbiert.

Ist die Referenzspannung an (Brownout)?

[S. L. (sldt)]

Schon heute vormittag: pull-ups per PINnCTRL (bzw. PINCONFIG) ändert 
nichts.

660 uA bei 2 MHz, 590 bei 0.5 (statt 560 bei 1).
FUSE_BODCFG und FUSE_WDTCFG stehen auf 0x00.

[Keks F. (keksliebhaber)]

Mache die IO Pins mal alle als Output Low.
Schau wie sich der Stromverbrauch ändert bei anderem Takt oder anderen 
Einstellungen (bleibt der Differenzbetrag gleich, oder skaliert er).
Du kommst ja schonmal im Powerdown auf deine unter 1µA.
Ich würde vermuten, dass du eine Brücke irgendwo hast. Guck mal wie viel 
Strom beim Pullup fließen würde, wenn man den kurzschließen würde.
Ich hatte das Problem auch, aber mit einem 2-series im QFN. Da war ein 
Pin mit GND kurzgeschlossen, Lötfehler.

Du hast 100µA Differenz, Pullups werden mit 35kOhm angegeben 
(20-50kOhm), wären bei 3V irgendwas um die 80µA, also durchaus passend.

[S. L. (sldt)]

Steckbrett: AVR128DB28 neben ATmega4809, also wohl kein Kurzschluss.
  Und schließlich ist da ja auch noch der Originalfall, Georg M. mit dem 
ATtiny402.

[S. L. (sldt)]

an Georg M.:

Wie es bei Ihrem ATtiny402 aussieht, kann ich natürlich nicht sagen; bei 
meinem ATmega4809 verstehe ich den Unterschied in den beiden 
Datenblattangaben nicht, siehe Anhang. Idle-Modus (entspricht Standby 
mit aktivem TCB) bei 3.0 V und 5 MHz benötigt hier 520 uA, das passt so 
ungefähr zu den angegebenen 0.4 mA; aber welche Bedeutung dann die 130 
uA haben ... ?

[Veit D. (devil-elec)]

Hallo,

habe auch gemessen. ATmega4808 TQFP auf Adapter auf Steckbrett. An der 
Stiftleiste sind direkt 2x 100nF Keramik verlötet an Vcc und Avcc. Sonst 
nichts. 5V über Multimeter auf Steckbrett. Ich messe 2,4µA. Allerdings 
zeigen alle 3 Multimeter Minus an. Also -2,4µA. Wobei die Kabel richtig 
herum gesteckt sind. Im Nicht Sleep Mode passt auch alles.

Keysight U1233A
Voltcraft VC940
Voltcraft VC220

Mit internal 32kHz keine Änderung.

#define F_CPU 1000000UL
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

void set1MHz (void)
{
    CPU_CCP = CCP_IOREG_gc;
    CLKCTRL_MCLKCTRLA = 0;           // 16MHz internal 
    CPU_CCP = CCP_IOREG_gc;
    CLKCTRL_MCLKCTRLB = CLKCTRL_PDIV_16X_gc | CLKCTRL_PEN_bm;  
}

int main(void)
{  
    set1MHz();
    PORTA.DIR = 0xFF;
    PORTC.DIR = 0x0F;
    PORTD.DIR = 0xFF;
    PORTF.DIR = 0x7F;
     
    set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
    //sleep_cpu();
    sleep_mode();
    sleep_enable();  // überflüssig ???
    while (1) 
    { }
}

[Veit D. (devil-elec)]

Hallo,

@ TO & Herr Landolt

ich hatte ein paar komische Effekte beim Messen. Programmiere mal deinen 
Controller für Sleep Mode, trenne die Versorgung, stelle Multimeter auf 
µA und Verbindung wieder herstellen. Ich hatte auch im µA Meßbereich 
Probleme mit dem flashen. Signatur wurde nicht erkannt usw. Weil ich 
hatte auch öfters um die 480µA gemessen was viel zu hoch war. Als wenn 
der Controller nicht im Sleep Mode war.

[Stefan F. (Gast)]

Mangels passender Messgeräte mache ich das so:

In Reihe zur Stromversorgung liegt ein 1 kΩ Widerstand, der zunächst 
überbrückt ist. Das Programm auf dem µC legt ihn Schlafen. Das sehe ich 
deutlich an der "Ampere" Anzeige des Netzteils.

Dann entferne ich die Brücke über dem Widerstand und messen den 
Spannungsabfall.

[S. L. (sldt)]

> set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);

Okay, aber das war ja unbestritten; da messe ich, wie geschrieben, unter 
0.2 uA.
  Es geht um die Relevanz dieser Angabe für den '16/20 MHz Oscillator 
(OSC20M)' - die ist für mich als Anwender, nach derzeitigem 
Kenntnisstand, so interessant wie, sagen wir mal, Länge&Breite 
irgendeiner Leiterbahn auf dem Chip.

> komische Effekte beim Messen

hatte ich nicht (zugegeben, einmal falsch abgelesen). Alles passte 
zusammen, auch bei dem 'AVR128DB48 Curiosity Nano', das ich schließlich 
auch noch hervorkramte: die Stromangabe für den isolierten Oszillator 
ist nur ein (Bruch-) Teil der Wahrheit.

[S. L. (sldt)]

> Programmiere ... trenne ... stelle ... wieder herstellen

Das wird bei mir nichts bringen - irgendwelche Effekte dabei hängen 
sicher (auch) von Programmiergerät und Stromversorgung ab: das ist bei 
mir alles Eigenbau.

Das Problem auf eine Frage reduziert: Unter welchen Voraussetzungen kann 
der Anwender diese '130 uA' messen?

[Georg M. (g_m)]

S. L. schrieb:
> Wie es bei Ihrem ATtiny402 aussieht, kann ich natürlich nicht sagen; bei
> meinem ATmega4809 verstehe ich den Unterschied in den beiden
> Datenblattangaben nicht, siehe Anhang. Idle-Modus (entspricht Standby
> mit aktivem TCB) bei 3.0 V und 5 MHz benötigt hier 520 uA, das passt so
> ungefähr zu den angegebenen 0.4 mA; aber welche Bedeutung dann die 130
> uA haben ... ?

Ja, etwas stimmt nicht.

Entweder braucht der TCB viel mehr Strom als angegeben, oder er läuft 
nicht allein.
Oder könnte es andere Erklärungen geben?


Auszüge aus dem Datenblatt:

Three sleep modes:
• Idle with all peripherals running
• Standby (configurable operation of selected peripherals)
• Power-Down with full data retention

TCBn is, by default, disabled in Standby sleep mode.
It will be halted as soon as the sleep mode is entered.
The module can stay fully operational in the Standby sleep mode if the 
Run Standby (RUNSTDBY) bit in the TCBn.CTRLA register is written to ‘1’.

[S. L. (sldt)]

Ich stelle mir das so vor: der isolierte Oszillator läuft mit den 
angegebenen 125 uA (bzw. 130 oder 160), nur - die Frequenz muss über 
weite Teile des Chips verteilt werden, das zehrt; deshalb auch das 
deutlich schlechtere Verhältnis zum gemessenen Strom beim ATmega4809 im 
Vergleich zum ATtiny402.

[Veit D. (devil-elec)]

Hallo,

ich denke man muss das anders betrachten. Das ist nicht die absolute 
Stromaufnahme, sondern der Wert um den es sich reduziert wenn man 
Einheit x abschaltet bzw. zunimmt beim aktivieren. Laut Angabe im 
Datenblatt ist das alles im Idle Sleep Mode.

ATmega4808 @5V @1MHz

// 677µA
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE);
TCB0.CTRLA = TCB_RUNSTDBY_bm | TCB_ENABLE_bm;  
TCB1.CTRLA = TCB_RUNSTDBY_bm | TCB_ENABLE_bm;        
sleep_mode();

// 677µA
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE);
TCB0.CTRLA = TCB_ENABLE_bm;  
TCB1.CTRLA = TCB_ENABLE_bm;        
sleep_mode();

// 652µA
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE);
TCB0.CTRLA = TCB_RUNSTDBY_bm;
TCB1.CTRLA = TCB_RUNSTDBY_bm;     
sleep_mode();

// 652µA
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE); 
sleep_mode();

[Keks F. (keksliebhaber)]

S. L. schrieb:
> Und schließlich ist da ja auch noch der Originalfall, Georg M. mit dem
> ATtiny402.

Um den geht es mir auch.
Wie du schon bemerktest, ist Georg M. das Thema.
Ich weiß euer Problem sieht gleich aus, aber das heißt nicht, dass sie 
dieselbe Ursache haben.
Mach ein eigenes Thema auf.
Eigentlich sollte hier ein Moderator aufräumen.

[Georg M. (g_m)]

Veit D. schrieb:
> Laut Angabe im Datenblatt ist das alles im Idle Sleep Mode.

Ja, das war mein Denkfehler. Ich habe naiv geglaubt, dass der TCB im 
Standby Modus laufen kann (wie es im Datenblatt steht).
Offensichtlich wird stattdessen der Idle Modus eingeschaltet, bei dem 
auch andere Komponenten Strom verbrauchen.

[Georg M. (g_m)]

S. L. schrieb:
> die Frequenz muss über
> weite Teile des Chips verteilt werden, das zehrt

Ja, absolut richtig. Jetzt begreife ich es auch.
Es war schon klar, dass das Taktsignal nicht ganz ohne Energieaufwand 
weitergeleitet werden kann. Überraschend ist dabei aber, dass diese 
"dunkle" Stromaufnahme rund 20-mal höher liegt als der eigentliche 
Energiebedarf des 16-bit-Zählers.

[S. L. (sldt)]

> ... 20-mal höher ...

Ich denke nicht. Die 7.5 uA des TCB sind bei unserer Betrachtung 
vernachlässigbar.
  Der Timer benötigt einen Takt, deshalb bleibt der Oszillator trotz 
Stand-by-Modus eingeschaltet, was konkret dann dem Idle-Modus 
entspricht, strommäßig. Es geht um die Differenz zwischen der 
Datenblattangabe von 125 uA für den Oszillator und dem gemessenen Wert 
von 235 im Betrieb - die erkläre ich mir damit, dass die Verteilung des 
Oszillatorsignals über den Chip zusätzlichen Strom benötigt, und je 
größer der Chip, wie bei meinen ATmega4809 bzw. AVR128DB28, umso mehr: 
ATtiny402: +80 %, ATmega4809: +110 %, AVR128DB28: +240 %.

[Georg M. (g_m)]

S. L. schrieb:
> Die 7.5 uA des TCB sind bei unserer Betrachtung vernachlässigbar.

Welchen Sinn hat dann die Datenblatt-Angabe über die Stromaufnahme vom 
TCB, wenn sie nur einen kleinen Bruchteil des Unvermeidbaren ausmacht?


S. L. schrieb:
>   Der Timer benötigt einen Takt, deshalb bleibt der Oszillator trotz
> Stand-by-Modus eingeschaltet, was konkret dann dem Idle-Modus
> entspricht, strommäßig. Es geht um die Differenz zwischen der
> Datenblattangabe von 125 uA für den Oszillator und dem gemessenen Wert
> von 235 im Betrieb - die erkläre ich mir damit, dass die Verteilung des
> Oszillatorsignals über den Chip zusätzlichen Strom benötigt

Beim Oszillator allein (für diesen Test auf 16MHz umgeschaltet) messe 
ich nur 95µA @ 3V. Der Rest ist für den TCB und die Taktzufuhr. Sonst 
ist nichts eingeschaltet und muss also nicht mit dem Oszillatorsignal 
beliefert werden. Theoretisch.

[S. L. (sldt)]

> Welchen Sinn hat dann die Datenblatt-Angabe
> über die Stromaufnahme vom TCB

Vielleicht für Anwender, die 'EXTCLK' oder den '32 kHz ULP Int. 
Oscillator' für den Systemtakt nutzen.

[S. L. (sldt)]

> Beim Oszillator allein (für diesen Test auf 16MHz
> umgeschaltet) messe ich nur 95µA @ 3V. Der Rest ist
> für den TCB und die Taktzufuhr.

Das heißt, 140 uA (235-95) für den TCB? Erstaunlich, wirklich ganz 
erstaunlich. Dass der Winzling sich so anders verhält! Zum Vergleich:

3.0 V, 4 MHz
            idle [uA]   +TCB0 [uA]
ATmega4809   492          514
AVR128DA28   628          643
AVR128DB28   559          572
AVR128DB48   564          577

Hier ist der TCB vernachlässigbar.

[Georg M. (g_m)]

S. L. schrieb:
> Das heißt, 140 uA (235-95) für den TCB? Erstaunlich

Nein, das heißt, 7µA für den TCB und 133µA für die "dunkle Materie".

Oszillator allein (ATtiny402, 16MHz):

#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
  _PROTECTED_WRITE(CLKCTRL.MCLKCTRLB, CLKCTRL_PDIV_16X_gc | CLKCTRL_PEN_bm);   // 1 MHz main clock
  _PROTECTED_WRITE(CLKCTRL.OSC20MCTRLA, CLKCTRL_RUNSTDBY_bm);                  // Run in Standby

  PORTA.PIN1CTRL = PORT_ISC_INPUT_DISABLE_gc;   // disable PA1 digital input buffer
  PORTA.PIN2CTRL = PORT_ISC_INPUT_DISABLE_gc;   // disable PA2 digital input buffer
  PORTA.PIN3CTRL = PORT_ISC_INPUT_DISABLE_gc;   // disable PA3 digital input buffer
  PORTA.PIN6CTRL = PORT_ISC_INPUT_DISABLE_gc;   // disable PA6 digital input buffer
  PORTA.PIN7CTRL = PORT_ISC_INPUT_DISABLE_gc;   // disable PA7 digital input buffer

  SLPCTRL.CTRLA = SLPCTRL_SMODE_STDBY_gc;       // select STANDBY sleep mode

  while(1)
  {
    sleep_mode();
  }
}

Messergebnis: 95µA @ 3.0V.

[S. L. (sldt)]

Ah, danke, CLKCTRL_OSC20MCTRLA hatte ich bislang übersehen - und damit 
ist auch meine gestrige Frage beantwortet!
  Am Rande: der Oszillator meines ATmega4809 benötigt 105 uA, das stimmt 
recht gut mit den 130 aus dem Datenblatt überein.

[Veit D. (devil-elec)]

Hallo,

habe auch nochmal rumgespielt. Die BOD Fuses machen bei mir auch wie 
angegeben ca. 19µA aus zwischen Enable und Sample. Wegen Thema 
Grundenergieverbrauch.  ;-)

Wünsche ruhige Pfingsten.