選擇最佳低功耗微控制器（MCU）

設(shè)計(jì)低功耗微控制器（MCU）是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，為特定嵌入式設(shè)計(jì)挑選合適的MCU同樣充滿挑戰(zhàn)。涉及的應(yīng)用特定考慮因素繁多，使得對(duì)比微控制器的技術(shù)規(guī)格成為一項(xiàng)艱巨的工作。

從系統(tǒng)架構(gòu)的視角出發(fā)，為了確定哪些MCU真正符合“低功耗”的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)師需要對(duì)半導(dǎo)體供應(yīng)商提出的各種聲明進(jìn)行仔細(xì)篩選。由于不同供應(yīng)商采用了不同且經(jīng)常令人困惑的度量標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)任務(wù)并不簡(jiǎn)單。

MCU的電源消耗通?？梢苑譃橐韵聨讉€(gè)部分：

總耗電量 = 工作模式功耗 + 待機(jī)（休眠）模式功耗

然而，另一個(gè)需要考慮的重要標(biāo)準(zhǔn)是MCU從待機(jī)狀態(tài)到工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。MCU開(kāi)始執(zhí)行有用的處理是在所有數(shù)字和模擬組件完全穩(wěn)定并開(kāi)始運(yùn)行后，因此在計(jì)算總耗電量時(shí)，這部分（浪費(fèi)的）能量也應(yīng)該被包括在內(nèi)：

總耗電量 = 工作模式功耗 + 待機(jī)（休眠）模式功耗 + 喚醒功耗

由于每個(gè)應(yīng)用的需求不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可能會(huì)更關(guān)注這些元素中的某些。例如，像水表這樣的應(yīng)用，大部分時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，因此它們的長(zhǎng)期工作周期顯然需要非常低的待機(jī)功耗。而像數(shù)據(jù)記錄器這樣的應(yīng)用，頻繁地進(jìn)入和退出工作狀態(tài)，因此限制喚醒轉(zhuǎn)換中消耗的時(shí)間變得至關(guān)重要。值得注意的是，專門為MCU開(kāi)發(fā)解決方案的制造商不會(huì)試圖猜測(cè)哪個(gè)指標(biāo)最重要，而是從底層開(kāi)始設(shè)計(jì)，致力于最小化上述公式中的每一個(gè)部分。為此，需要強(qiáng)大的混合信號(hào)技術(shù)基礎(chǔ)，以解決在模擬和數(shù)字領(lǐng)域最小化功耗所面臨的架構(gòu)級(jí)和電路級(jí)挑戰(zhàn)。探討這些變量可以幫助突出系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在選擇最佳MCU解決方案時(shí)需要了解的問(wèn)題類型。

工作模式功耗

對(duì)于CMOS邏輯門，動(dòng)態(tài)功耗可以用以下公式表示：

工作模式功耗 = C x V^2 x f

其中C代表負(fù)載電容，V代表供應(yīng)電壓，f代表開(kāi)關(guān)頻率。

電容項(xiàng)取決于設(shè)計(jì)和處理技術(shù)，而頻率項(xiàng)取決于應(yīng)用的處理需求。然而，正如公式所示，供應(yīng)電壓對(duì)MCU總體功耗有著顯著的影響。因此，在MCU設(shè)計(jì)中加入電壓調(diào)節(jié)功能可以通過(guò)為MCU電路提供更低的穩(wěn)定供電，從而節(jié)省大量的工作模式功耗。開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器可能是一種解決方案，但它們最適合大電壓轉(zhuǎn)換比的調(diào)節(jié)環(huán)境。對(duì)于電池供電的應(yīng)用（在電池壽命結(jié)束時(shí)，平均電壓轉(zhuǎn)換比較小，接近1:1），更好的解決方案可能是集成一個(gè)片上低壓降（Low Drop Out, LDO）線性電壓調(diào)節(jié)器，因?yàn)樗暂^低的復(fù)雜性和成本提供可接受的效率，而不是開(kāi)關(guān)解決方案。

為了強(qiáng)調(diào)使用LDO調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢(shì)，我們可以重新審視CMOS動(dòng)態(tài)功耗方程：

工作模式功耗 = C x V^2 x f

= V x (C x V x f)

= V x I，其中動(dòng)態(tài)電流I = C x V x f

動(dòng)態(tài)電流通常對(duì)于頻率1MHz和特定供應(yīng)電壓進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。例如，一種新型的超低功耗MCU，在1.8V電壓下的動(dòng)態(tài)電流消耗為160μA/MHz。如果沒(méi)有電源調(diào)節(jié)，當(dāng)供電電壓為3.2V時(shí)，這個(gè)數(shù)值會(huì)增加到(160) x (3.2/1.8) = 284 μA/MHz。使用LDO的情況下，電池電流在整個(gè)供應(yīng)范圍內(nèi)都將保持在160μA/MHz。

正如所見(jiàn)，這種高級(jí)電源架構(gòu)可以在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)保持恒定的工作電流，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師顯著節(jié)省功耗。因此，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，確定MCU在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)的電流消耗是非常重要的——而不僅僅是供應(yīng)商經(jīng)常引用的1.8V的最低工作條件。引用一個(gè)樂(lè)觀的電流值，假設(shè)電壓供應(yīng)不低于典型值，這并不能準(zhǔn)確反映真實(shí)世界中的應(yīng)用環(huán)境。例如，在2 x AA/AAA和硬幣電池應(yīng)用中，電池在其生命周期的大部分時(shí)間內(nèi)都是在接近初始3V的電壓下工作的，如果僅引用1.8V的規(guī)格，可能會(huì)讓人誤以為MCU的功耗比經(jīng)常引用的數(shù)值要高出約50%。

此外，由于功耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，將引用的電流值歸一化到每MHz的電流是很重要的。將這兩個(gè)因素結(jié)合起來(lái)，可以進(jìn)行MCUs的并行對(duì)比，基于以下指標(biāo)：

3V下的電流消耗/MHz

一些供應(yīng)商可能會(huì)試圖通過(guò)將“MHz”等同于系統(tǒng)時(shí)鐘速度來(lái)混淆概念，而實(shí)際有意義的是指令時(shí)鐘速度。這是誤導(dǎo)性的，因?yàn)闀r(shí)鐘速度可以以雙倍（或更多）的實(shí)際指令速度運(yùn)行，從而使功耗效率加倍（或更多）。因此，需要確保所有數(shù)值都?xì)w一化到指令時(shí)鐘速度。這樣做，再加上使用典型的供應(yīng)電壓，可以正確推導(dǎo)出實(shí)際的工作模式電流消耗預(yù)算。

待機(jī)（休眠）電流

為了實(shí)現(xiàn)最大的能源效率（和電池壽命），需要確保MCU的每個(gè)任務(wù)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成，以盡可能低的電流和電壓消耗最少的電能，讓設(shè)備大部分時(shí)間都處于極低功耗的休眠模式。在某些應(yīng)用中，休眠模式的電流是影響總能源消耗的主要參數(shù)。然而，經(jīng)常被忽略的一點(diǎn)是，MCU可以達(dá)到的最低休眠電流主要受到其漏電流的限制。例如，一個(gè)有20個(gè)輸入的設(shè)備，如果每個(gè)輸入的漏電流規(guī)格為100nA，那么在休眠模式下可能會(huì)消耗高達(dá)2μA的電力。

漏電流受多種因素影響，但最重要的是采用的底層工藝技術(shù)。有時(shí)，供應(yīng)商會(huì)選擇使用0.25或0.35微米的工藝技術(shù)來(lái)減少漏電所引起的休眠電流，但這種選擇會(huì)導(dǎo)致更高的工作電流。在其他情況下，MCU供應(yīng)商可能會(huì)選擇使用0.18微米或更小的工藝技術(shù)以減少工作模式電流，但這會(huì)帶來(lái)更高的漏電電流。解決這一問(wèn)題的獨(dú)特方法是，無(wú)論采用何種底層工藝技術(shù)，利用混合信號(hào)專業(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)專門設(shè)計(jì)的高級(jí)電源管理單元（PMU），以限制漏電，并實(shí)現(xiàn)超低休眠電流。

在采用0.25微米或更小的工藝技術(shù)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)最小的休眠模式電流，需要切斷給數(shù)字核心的電源。在休眠模式下運(yùn)行的模塊，如電源管理電路，I/O墊環(huán)元件和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，必須從未調(diào)節(jié)的電源電壓運(yùn)行，以避免在LDO中消耗額外的電流。切斷數(shù)字核心電源也可以防止其關(guān)態(tài)漏電導(dǎo)致的休眠模式電流；然而，MCU需要在休眠模式下保留所有RAM內(nèi)容和所有寄存器狀態(tài)，以便代碼執(zhí)行能夠恢復(fù)到中斷點(diǎn)。這種保留可以通過(guò)一種非常低電流的休眠模式鎖存偏置方案實(shí)現(xiàn)，或者使用特殊的保持鎖存，這些鎖存在休眠模式下無(wú)顯著漏電。MCU還需要一種形式的連續(xù)供電電壓檢測(cè)（即“斷電檢測(cè)”），如果供應(yīng)電壓下降到最小保持電壓以下，則復(fù)位設(shè)備，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)損壞。

因此，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的角度來(lái)看，檢查底層漏電流規(guī)格非常重要，以確定哪些MCU供應(yīng)商利用他們的混合信號(hào)專業(yè)知識(shí)來(lái)解決這個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。設(shè)計(jì)師還應(yīng)該意識(shí)到，大多數(shù)供應(yīng)商提供多種不同的待機(jī)電流選項(xiàng)。大多數(shù)供應(yīng)商強(qiáng)調(diào)他們的最低休眠模式電流，這通常是在實(shí)時(shí)時(shí)鐘和斷電檢測(cè)器被禁用時(shí)的電流。有些供應(yīng)商甚至?xí)鲫P(guān)機(jī)模式電流，這種模式不保留內(nèi)存，并需要重置才能喚醒，這通常并不實(shí)用。因此，由于大多數(shù)應(yīng)用需要完整的RAM和寄存器保持，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，基于以下度量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較是很重要的：

- 休眠/待機(jī)模式下的電流，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和斷電檢測(cè)器禁用（保持RAM）

- 待機(jī)/休眠模式下電流，實(shí)時(shí)時(shí)鐘禁用，斷電檢測(cè)器啟用

- 待機(jī)/休眠模式下電流，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和斷電檢測(cè)器都啟用

這樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就可以在計(jì)算基于其應(yīng)用的工作周期的整個(gè)待機(jī)模式的電源預(yù)算時(shí)，使用正確的數(shù)值。

喚醒能量

正如前面所述，在使用休眠模式的系統(tǒng)中，喚醒MCU和準(zhǔn)備它采集或處理數(shù)據(jù)時(shí)可能會(huì)浪費(fèi)大量電源。實(shí)際上，在某些應(yīng)用中，MCU從待機(jī)狀態(tài)恢復(fù)時(shí)消耗的能量與完全處理數(shù)據(jù)時(shí)使用的能量相當(dāng)。因此，設(shè)計(jì)MCU時(shí)要能夠在極短的時(shí)間內(nèi)喚醒并穩(wěn)定，以最大限度地減少處于浪費(fèi)電能狀態(tài)的時(shí)間。

MCU應(yīng)該能夠從外部事件或內(nèi)部定時(shí)器喚醒退出休眠模式。最靈活的周期性喚醒源是實(shí)時(shí)時(shí)鐘，它既可以從外部晶體振蕩器（對(duì)于需要精確計(jì)時(shí)的應(yīng)用）運(yùn)行，也可以從一個(gè)低頻的內(nèi)部振蕩器（適合對(duì)精度要求不高的應(yīng)用）運(yùn)行。避免使用啟動(dòng)慢的晶體振蕩器作為高速系統(tǒng)時(shí)鐘；一個(gè)精確、快速啟動(dòng)的片上振蕩器是更好的選擇。

此外，由于許多產(chǎn)品定期喚醒以使用片上ADC采樣輸入，需要足夠時(shí)間讓數(shù)字電路喚醒，模擬電路穩(wěn)定后才能開(kāi)始有效測(cè)量。模擬模塊的啟動(dòng)行為可能對(duì)活動(dòng)模式時(shí)間有重大影響；使用外部去耦電容的電壓調(diào)節(jié)器或參考可能需要數(shù)毫秒時(shí)間才能穩(wěn)定。有時(shí)，MCU供應(yīng)商只引述數(shù)字電路的喚醒時(shí)間，而忽略了模擬電路穩(wěn)定所需的時(shí)間。因此，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，分析模擬電路和數(shù)字電路的整體喚醒和穩(wěn)定時(shí)間，以計(jì)算這部分浪費(fèi)電能的真實(shí)成本是非常重要的。

其他考慮因素

還有其他方式可以進(jìn)一步減少系統(tǒng)中的功耗。例如，MCU通?？梢栽?.8V甚至更低的電壓下工作（在這種情況下可能沒(méi)有ADC功能；指令時(shí)鐘頻率降低），因此經(jīng)常使用2 x AA/AAA電池配置。一種創(chuàng)新的減少功耗（和環(huán)境影響）的方法是將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為單電池配置，其中電池可以一直使用到其壽命盡頭（0.9V）。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，MCU必須集成一個(gè)高度優(yōu)化的直流-直流轉(zhuǎn)換器，能夠使用到電池的最低工作電壓，對(duì)于堿性電池來(lái)說(shuō)是0.9V。這種方法也可以節(jié)省供應(yīng)商和/或消費(fèi)者在電池上的開(kāi)銷。

減少功耗的另一種方法是使用高度集成的MCU，包括ADC、DAC和其他外設(shè)，因?yàn)閼?yīng)用可以控制啟用和禁用這些外設(shè)。例如，有些MCU提供了專門的低功耗ADC，帶有突發(fā)模式，該模式可以在CPU關(guān)閉時(shí)采取模擬測(cè)量，以進(jìn)一步減少功耗。

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可能最好的方法是簡(jiǎn)單地返回到初始的功耗方程，以便切入主題：

總功耗 = 工作模式功耗 + 待機(jī)模式功耗 + 喚醒功耗

每個(gè)應(yīng)用將實(shí)際應(yīng)用由待機(jī)功耗，工作模式功耗，和喚醒功耗等各種元素的組合影響，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)始任何分析最有幫助的方式是把功耗數(shù)值系統(tǒng)地分解為上面的元素。一旦得到了這些數(shù)值，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師又可以考慮應(yīng)用的工作周期——應(yīng)用預(yù)期在待機(jī)，工作，和喚醒模式下，花費(fèi)各比例的時(shí)間——以計(jì)算出平均功耗的數(shù)值。得到的數(shù)值應(yīng)該給系統(tǒng)設(shè)計(jì)師一個(gè)近似的，可用來(lái)客觀評(píng)價(jià)和對(duì)比MCU選項(xiàng)以達(dá)到最低可能的系統(tǒng)級(jí)功耗的值。