低功耗高能效的電源MCU方案

當(dāng)電池需要在幾年甚至幾十年中為某個(gè)產(chǎn)品供電時(shí)，不斷改進(jìn)MCU集成產(chǎn)品和輕微修改基本處理器結(jié)構(gòu)都不能滿足人們急劇增加的節(jié)能需要。針對很多能源敏感產(chǎn)品，如：計(jì)量器、樓宇自動(dòng)化產(chǎn)品、安全產(chǎn)品和便攜式醫(yī)療設(shè)備，如果節(jié)能需求和處理功率之間發(fā)生了沖突，就必須要大規(guī)模發(fā)展MCU設(shè)計(jì)。

　　EnergyMicro采用了一種‘bluesky’的方法來設(shè)計(jì)它的低功率EFM32Gecko微處理器，也開發(fā)了支持這個(gè)產(chǎn)品的軟件和硬件工具（圖1）。EnergyMicro現(xiàn)已生產(chǎn)了一種裝置，僅夠消耗現(xiàn)有8位、16位和32位MCU所耗能量的四分之一，使現(xiàn)有電池的壽命大大延長了。換句話說，有了這樣的節(jié)能MCU,產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員能夠大大削減電池的成本、縮小它的尺寸了。而對某些產(chǎn)品，如能源計(jì)量器和安全設(shè)備，有了頻率、成本和碳足跡的維護(hù)標(biāo)注，電池的更換次數(shù)就更少了。

　　要在MCU上獲得如此低功率的資格不是件容易的事，需要進(jìn)行多年的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)真正的創(chuàng)新。到EnergyMicro的網(wǎng)站上去查一查最高峰值，您就會(huì)發(fā)現(xiàn)有關(guān)技術(shù)的描述都取了很大的標(biāo)題，讓32位EFM32成為世界上最節(jié)能的微控制器的10大原因，實(shí)際上肯定還有更多的原因。

　　我們先把“超低能量”的specmanship（技術(shù)指標(biāo)差距）放在一邊吧。當(dāng)電池充電量有限時(shí)，MCU如何能超時(shí)使用能源就變得很重要。在產(chǎn)品的休眠期內(nèi)減少其能耗和時(shí)間與在活躍期時(shí)要做的工作一樣重要。EFM32MCU以ARMCortex-M3處理核為基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)上大大減少了活躍模式的電源消耗。在基準(zhǔn)測試中，32MHz的EFM32實(shí)際需要3V的供電，以180μA/MHz的能量運(yùn)行正確的Flash代碼。

　　這很好，但MCU需要多長時(shí)間來處理任務(wù)也會(huì)對節(jié)能產(chǎn)生重要影響。因此，使用32位Cortex-M3比8位和16位器件的處理效率高，執(zhí)行任務(wù)的時(shí)鐘周期也短得多，這樣就會(huì)大大縮短產(chǎn)品活躍期。通過保持盡可能短的活躍周期，32位MCU更多的時(shí)候都處于深度睡眠模式。人們都忘記了過去32位處理器是不能傳送sub-?A待機(jī)模式的，采用了正確的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，現(xiàn)在可以做到這點(diǎn)了。EFM32可以提供所有基線功能，如：實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器、RAM和CPU保持、掉電檢測和深度睡眠模式中的開機(jī)重設(shè)，全部只使用0.9μA的能量。

　　通常，在我們提到的目標(biāo)應(yīng)用中，MCU的工作周期可以非常短，MCU在深睡眠狀態(tài)可停留高達(dá)99%的時(shí)間。因此，這里的消耗對整體節(jié)能真的很重要。

　　如果MCU從深度睡眠中喚醒產(chǎn)品并重新進(jìn)入活躍模式所花的時(shí)間很長，其優(yōu)勢就會(huì)喪失。為什么呢？因?yàn)楫?dāng)MCU從深度睡眠狀態(tài)進(jìn)入活躍狀態(tài)，總會(huì)有一個(gè)喚醒周期，在次期間處理器必須等待振蕩器和電源系統(tǒng)穩(wěn)定下來才能開始執(zhí)行代碼。由于在此期間無法進(jìn)行任何處理，喚醒所耗費(fèi)的能量就被浪費(fèi)了，因此縮短喚醒時(shí)間對降低整體能耗很重要。

　　不止這些，MCU應(yīng)用還會(huì)影響實(shí)時(shí)要求，這通常指的是喚醒時(shí)間必須保持最短才能使MCU能夠在一段時(shí)間內(nèi)回應(yīng)一個(gè)事件。由于許多應(yīng)用要求的延遲比許多現(xiàn)有MCU的喚醒時(shí)間還長，設(shè)備通常不能完全進(jìn)入深度睡眠——這對節(jié)能應(yīng)用來說不是很好的解決方案。

　　為了解決這個(gè)問題，EFM32采用了各種設(shè)計(jì)技術(shù)將深度睡眠的喚醒時(shí)間減少到了僅需2μs，確保CPU開始處理任務(wù)時(shí)所用的能量最少。

　　如果要完全控制和真正優(yōu)化節(jié)能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要靈活選擇一些結(jié)構(gòu)良好的能源模式。如表1所示，EFM32提供了幾個(gè)模式，可讓設(shè)計(jì)人員及時(shí)在任何地點(diǎn)使用資源，最大限度地提高能源效率。

　　即使在一些觀察家看來這些能源模式可能有點(diǎn)粗糙，但啟用或禁用不同外圍設(shè)備可更精細(xì)地調(diào)整每個(gè)模式下的資源。無論采用哪種方式，EFM32的能源模式都有助于杜絕任何能源的浪費(fèi)。

　　當(dāng)然，低功耗MCU提供的外圍設(shè)備功能塊需要被刻意設(shè)計(jì)來用于低功耗操作，而EFM32也不例外。例如MCUsport的8通道12位ADC在全分辨率時(shí)使用350?A和1Msamples/1秒的轉(zhuǎn)換率；一個(gè)4×4節(jié)的LCD控制器只用550nA的sporting集成電壓增強(qiáng)、對比度、動(dòng)畫和閃爍功能；而特殊的低能量UART和有32kHz時(shí)鐘的完整UART，數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)9600波特時(shí)僅消耗150nA。

　　要實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果，創(chuàng)建一個(gè)MCU架構(gòu)是個(gè)重要的創(chuàng)新，它使CPU可以自動(dòng)保留外圍設(shè)備功能。因此，EFM32的外圍設(shè)備在設(shè)計(jì)上要能顧及自己，要么讓CPU處理其它高水平任務(wù)，要么干脆入睡，這兩種方式都可以節(jié)能。

　　要更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，就要將EFM32引入另外一個(gè)可編程互連結(jié)構(gòu)，稱為外圍反射系統(tǒng)到一個(gè)MCU架構(gòu)（圖2）中，使外圍設(shè)備之間的交流不會(huì)受到CPU的干預(yù)，從而更多地減少能量消耗。

　　擁有超節(jié)能的MCU本身并不能保證用戶有最低的能耗。如果在產(chǎn)品進(jìn)行原型開發(fā)的早期就配備能識(shí)別并防止能耗的合適工具，就可以大大減少最終產(chǎn)品的整體能耗。

　　在Electronica2010展上，EnergyMicro宣布即將開發(fā)SimplicityStudio，這是用于EFM32微控制器的完整的圖形用戶界面開發(fā)套件。它會(huì)更快接入硬件、固件和軟件工程師們所需要的所有信息、文件和工具，并有效地開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。這些工具大部分都有現(xiàn)貨。

　　EFM32的開發(fā)工具包有一個(gè)AdvancedEnergyMonitoring（AEM）系統(tǒng)，可持續(xù)測量消耗的電流。這種測量方法是完整的，可準(zhǔn)確描繪超時(shí)使用的電源，把實(shí)際中應(yīng)用優(yōu)化為低功率運(yùn)行（圖3）。

　　在使用energyAwareProfiler“能量調(diào)試”軟件工具時(shí)，AEM可使用戶及時(shí)確定能源圖上顯示的在給定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的實(shí)際源代碼。這些代碼會(huì)立刻向工程師們指出產(chǎn)生高能耗的程序部分，使代碼被優(yōu)化，更密切地管理好節(jié)能。