如何為嵌入式系統(tǒng)選擇最低功耗的微控制器

設(shè)計(jì)低功耗MCU并不容易，也沒(méi)有為您的特定嵌入式設(shè)計(jì)選擇合適的MCU。許多特定于應(yīng)用的注意事項(xiàng)都會(huì)起到作用，這使得比較MCU規(guī)格表具有挑戰(zhàn)性。本文分析了在分析競(jìng)爭(zhēng)性MCU替代品的電源效率時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。節(jié)約能源有利于環(huán)境，更容易在錢(qián)包上使用。提高能效的無(wú)數(shù)好處已被充分證明：降低消費(fèi)者的電費(fèi)，降低公用事業(yè)的負(fù)擔(dān)，降低電子產(chǎn)品的擁有成本，減少垃圾填埋場(chǎng)丟棄的廢舊電池。

隨著電子設(shè)備的使用滲透幾乎我們生活的每個(gè)方面，降低功耗必須從半導(dǎo)體層面開(kāi)始。在芯片級(jí)設(shè)計(jì)的節(jié)能技術(shù)具有深遠(yuǎn)的影響。對(duì)于作為當(dāng)今大多數(shù)電子設(shè)備背后的智能引擎的微控制器（MCU）而言尤其如此。從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來(lái)看，確定哪些MCU真正“低功耗”的挑戰(zhàn)需要設(shè)計(jì)人員瀏覽各種半導(dǎo)體供應(yīng)商提出的無(wú)數(shù)要求。由于供應(yīng)商使用的指標(biāo)不同（通常是令人困惑的），這不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

讓我們仔細(xì)研究在分析競(jìng)爭(zhēng)性MCU備選方案的功效時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。

在基本級(jí)別，MCU功耗可以定義為以下總和：

總功耗=活動(dòng)模式功率+待機(jī)（休眠）模式功率

但是，要記住的另一個(gè)重要指標(biāo)是MCU從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活動(dòng)狀態(tài)所需的時(shí)間。由于MCU在所有數(shù)字和模擬組件完全穩(wěn)定且可操作之前無(wú)法進(jìn)行任何有用的處理，因此在計(jì)算總功耗時(shí)添加此（浪費(fèi)）功率非常重要：

總功耗=活動(dòng)模式功率+待機(jī)（睡眠）模式電源+喚醒功率

圖1.

由于每個(gè)應(yīng)用程序都不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員傾向于比其他應(yīng)用程序更重視這些元素。例如，某些應(yīng)用，例如水表，大部分時(shí)間都處于待機(jī)狀態(tài)，因此很明顯，它們的長(zhǎng)占空比需要非常低的待機(jī)功耗。其他應(yīng)用程序（如數(shù)據(jù)記錄器）經(jīng)常進(jìn)入和退出活動(dòng)狀態(tài)，因此限制喚醒轉(zhuǎn)換模式所花費(fèi)的時(shí)間至關(guān)重要。然而，開(kāi)發(fā)引人注目的MCU解決方案的供應(yīng)商不會(huì)試圖猜測(cè)這些指標(biāo)中哪一個(gè)是最重要的，而是將從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)解決方案，專(zhuān)注于最小化該等式的每個(gè)部分。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要強(qiáng)大的混合信號(hào)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以解決在模擬和數(shù)字域中最小化功耗所必需的架構(gòu)級(jí)和電路級(jí)挑戰(zhàn)。對(duì)這些變量進(jìn)行簡(jiǎn)短討論將有助于突出系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在嘗試為其應(yīng)用選擇最佳MCU解決方案時(shí)需要注意的問(wèn)題類(lèi)型。

Active Mode Current

對(duì)于CMOS邏輯門(mén)，動(dòng)態(tài)功耗可以使用以下眾所周知的公式重寫(xiě)：

有源模式功率= C x V2 xf

其中C是負(fù)載電容，V是電源電壓，f是開(kāi)關(guān)頻率。 BR》電容項(xiàng)是所用設(shè)計(jì)和處理技術(shù)的函數(shù)，頻率項(xiàng)是應(yīng)用程序處理要求的函數(shù)。但是，如前面的等式所示，電源電壓對(duì)MCU消耗的總功率有不成比例的影響。因此，通過(guò)向MCU電路提供低得多的穩(wěn)定電源電壓，為MCU設(shè)計(jì)增加電壓調(diào)節(jié)可以顯著節(jié)省功耗模式。開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器可能是一種可能的解決方案，但它們最適合需要大電壓轉(zhuǎn)換比的穩(wěn)壓器環(huán)境。但是，對(duì)于平均電壓轉(zhuǎn)換率較?。姵貕勖Y(jié)束時(shí)接近1：1）的電池類(lèi)應(yīng)用，更好的解決方案是添加片上低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器因?yàn)樗梢蕴峁┛山邮艿男?，而且?fù)雜性和成本低于開(kāi)關(guān)解決方案。為了說(shuō)明使用LDO穩(wěn)壓器的好處，重新闡述CMOS動(dòng)態(tài)功率公式是有幫助的：

有源模式功率= C x V2 xf

= V x（C x V xf）

= V x I，其中動(dòng)態(tài)電流I = C x V xf

通常將動(dòng)態(tài)電流歸一化為1MHz的頻率和特定的電源電壓。例如，最近推出的一款超低功耗MCU在1.8 V時(shí)的動(dòng)態(tài)電流消耗為每MHz160μA。如果沒(méi)有電源調(diào)節(jié)，該指標(biāo)將增加到（160）x（3.2/1.8）=284μA/MHz時(shí)電源電壓為3.2 V.使用LDO時(shí)，電池電流將在整個(gè)電源范圍內(nèi)保持固定為每MHz160μA。

可以看出，這種先進(jìn)的電源架構(gòu)可用于維持恒定的有功電流完整的工作電壓范圍，可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員大幅節(jié)省功耗。因此，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，確定在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)工作時(shí)的MCU電流消耗非常重要 - 而不僅僅是MCU供應(yīng)商通常引用的1.8 V最低工作條件。引用一個(gè)過(guò)于樂(lè)觀的電流數(shù)字，假設(shè)任何低于典型的電壓供應(yīng)，并不能準(zhǔn)確反映應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)世界中的使用方式。例如，在2 x AA/AAA和紐扣電池應(yīng)用中，電池最常接近3 V初始電壓工作，因此引用的1.8 V規(guī)格可能是欺騙性的，因?yàn)閺倪@個(gè)角度來(lái)看，大多數(shù)MCU都會(huì)消耗掉功耗比通常引用的功率多50％。

圖2.

此外，由于功耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須將引用的電流數(shù)歸一化到電流/MHz。通過(guò)結(jié)合這兩個(gè)因素，可以根據(jù)以下指標(biāo)對(duì)MCU進(jìn)行并排比較：

電流消耗/MHz @ 3 V

當(dāng)真正有意義的值是指令時(shí)鐘速度時(shí)，一些供應(yīng)商會(huì)試圖通過(guò)將“MHz”等同于系統(tǒng)時(shí)鐘速度來(lái)混淆問(wèn)題。這是欺騙性的，因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘速度可以以其實(shí)際指令速度的兩倍（或更多）運(yùn)行，從而使其有效功耗加倍（或更多）。因此，確保所有內(nèi)容都符合指令時(shí)鐘速度是很重要的。通過(guò)這樣做，并通過(guò)使用典型的電源電壓，可以正確地推導(dǎo)出實(shí)際的有源模式電流消耗預(yù)算。

待機(jī)（休眠）電流

實(shí)現(xiàn)最大能效（和電池壽命）轉(zhuǎn)化為確保每個(gè)MCU任務(wù)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)以最小可能電壓消耗最小可能電流，以便器件將大部分時(shí)間用于非常低功耗的睡眠模式。在一些應(yīng)用中，睡眠模式電流是對(duì)整體能量消耗負(fù)有最大責(zé)任的參數(shù)。然而，經(jīng)常被忽視的是MCU可實(shí)現(xiàn)的絕對(duì)最小睡眠電流主要受其漏電流的限制。例如，輸入泄漏電流規(guī)格為100 nA的20輸入設(shè)備在睡眠模式下可能消耗高達(dá)2μA的功率。

泄漏電流受多種因素的影響，但最重要的因素是使用的基礎(chǔ)流程技術(shù)。在某些情況下，供應(yīng)商會(huì)選擇使用0.25或0.35微米工藝技術(shù)來(lái)降低由泄漏引起的睡眠電流，但這種選擇是以更高的有功電流為代價(jià)的。在其他情況下，MCU供應(yīng)商選擇使用0.18微米或更小的工藝技術(shù)來(lái)降低有源模式電流，但這是以更高漏電流為代價(jià)的。圍繞這一難題的獨(dú)特解決方案是應(yīng)用混合信號(hào)專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)實(shí)施先進(jìn)的電源管理單元（PMU），專(zhuān)門(mén)用于限制泄漏并實(shí)現(xiàn)超低睡眠電流，無(wú)論使用何種基礎(chǔ)工藝技術(shù)。使用0.25微米或更小的工藝技術(shù)，最小化睡眠模式電流需要削減數(shù)字核心的功率。在睡眠模式下工作的模塊，如電源管理電路，I/O焊盤(pán)單元和RTC，必須使用未調(diào)節(jié)的電源工作，以避免在LDO中燒毀額外的電流。切斷數(shù)字核心邏輯的電源也可以防止其斷態(tài)泄漏對(duì)睡眠模式電流產(chǎn)生影響;但是，MCU必須在休眠模式下保留RAM內(nèi)容和所有寄存器的狀態(tài)，以便代碼執(zhí)行可以從中斷處繼續(xù)。這種保存可以通過(guò)一些非常低電流，睡眠模式，鎖存偏置方案或通過(guò)使用特殊的保持鎖存器來(lái)執(zhí)行，該保持鎖存器可以將狀態(tài)保持在睡眠模式而沒(méi)有顯著的泄漏。 MCU還需要某種形式的連續(xù)電源電壓監(jiān)控（即“掉電檢測(cè)”），以便在電源電壓低于最小保持電壓的情況下復(fù)位器件，這可能會(huì)破壞狀態(tài)。

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看因此，重要的是要檢查潛在的漏電流規(guī)范，以確定哪些MCU供應(yīng)商已經(jīng)應(yīng)用其混合信號(hào)專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)解決這一復(fù)雜問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該考慮大多數(shù)供應(yīng)商提供許多不同的待機(jī)電流選項(xiàng)的事實(shí)。大多數(shù)供應(yīng)商將突出顯示其絕對(duì)最低睡眠模式電流，這通常對(duì)應(yīng)于實(shí)時(shí)時(shí)鐘消耗的電流和禁用掉電檢測(cè)器。一些供應(yīng)商會(huì)更進(jìn)一步，并引用關(guān)閉模式電流，該電流不會(huì)保留存儲(chǔ)器并需要復(fù)位才能喚醒，這通常不是一個(gè)非常實(shí)用的模式。因此，由于大多數(shù)應(yīng)用程序都需要完整的RAM和寄存器保留，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)以下指標(biāo)進(jìn)行并排比較：

待機(jī)/睡眠模式電流與實(shí)時(shí)時(shí)鐘和掉電禁用（具有RAM保持）

待機(jī)/睡眠模式電流，實(shí)時(shí)時(shí)鐘禁用和掉電啟用

待機(jī)/睡眠模式電流與實(shí)時(shí)時(shí)鐘然后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)應(yīng)用程序的占空比計(jì)算總體待機(jī)模式功率預(yù)算時(shí)使用正確的值。

喚醒能量

如前所述，在使用睡眠模式的系統(tǒng)中，可能會(huì)浪費(fèi)大量功率來(lái)喚醒MCU并準(zhǔn)備采集或處理數(shù)據(jù)。實(shí)際上，在某些應(yīng)用中，MCU在退出待機(jī)狀態(tài)時(shí)通常會(huì)使用與設(shè)備完全處理數(shù)據(jù)時(shí)一樣多的能量。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)MCU以在極短的時(shí)間內(nèi)喚醒和穩(wěn)定非常重要，以便最大限度地減少在能量浪費(fèi)狀態(tài)下花費(fèi)的時(shí)間。

MCU應(yīng)該能夠退出睡眠模式來(lái)自外部觸發(fā)事件或內(nèi)部計(jì)時(shí)器。最靈活的周期性喚醒源是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，能夠從外部晶體振蕩器（用于需要精確定時(shí)的應(yīng)用）或低頻內(nèi)部振蕩器運(yùn)行，無(wú)需在低精度應(yīng)用中使用晶體。避免使用慢啟動(dòng)晶體振蕩器作為高速系統(tǒng)時(shí)鐘;一個(gè)準(zhǔn)確的，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對(duì)輸入進(jìn)行采樣，因此為數(shù)字電路提供足夠的時(shí)間非常重要喚醒和模擬電路穩(wěn)定開(kāi)始進(jìn)行有效測(cè)量。模擬模塊的啟動(dòng)行為會(huì)對(duì)在活動(dòng)模式下花費(fèi)的時(shí)間量產(chǎn)生重大影響;使用外部去耦電容的穩(wěn)壓器或基準(zhǔn)電壓源可能需要幾毫秒才能穩(wěn)定下來(lái)。有時(shí)，MCU供應(yīng)商只會(huì)引用數(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，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須分析數(shù)字和模擬電路的整體喚醒和建立時(shí)間，以分析這種浪費(fèi)能源的真實(shí)成本。

其他注意事項(xiàng)

當(dāng)然還有其他注意事項(xiàng)進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗的方法。例如，通常使用2 x AA/AAA電池配置，因?yàn)镸CU通常通常可以在低至1.8 V的電壓下運(yùn)行，有時(shí)只能降低功能（無(wú)ADC;降低指令時(shí)鐘速度）。降低功耗（和環(huán)境影響）的創(chuàng)新方法是將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為單個(gè)電池配置，其中電池可以一直運(yùn)行直至其使用壽命（0.9 V）。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，MCU必須集成高度優(yōu)化的DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以在電池的最低可用電壓下工作，在堿性化學(xué)情況下為0.9 V.這種方法還可以節(jié)省供應(yīng)商和/或降低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)镸CU可以根據(jù)應(yīng)用的需要控制啟用和禁用這些外設(shè)。例如，某些MCU提供具有突發(fā)模式的專(zhuān)用低功耗ADC，可在CPU關(guān)閉時(shí)進(jìn)行模擬測(cè)量，以進(jìn)一步降低功耗。