Energy Micro超低功耗設(shè)計(jì)延長能源敏感壽命

　　“能源敏感應(yīng)用”的配置不斷增加，它是指設(shè)備必須 – 因?yàn)楦鞣N原因 – 用一個(gè)單一電池長時(shí)間運(yùn)作。通常包括的應(yīng)用有能源計(jì)量、傳感器網(wǎng)絡(luò)或環(huán)境監(jiān)測(cè)的其它形式，在這些應(yīng)用中設(shè)備的占空比很低，因此希望運(yùn)行多年而不會(huì)受到用戶干預(yù)。

　　許多這些設(shè)備將使用流行的CR2032紐扣電池;一種3V的鋰/二氧化錳原電池。與5.6kΩ負(fù)載的2V終點(diǎn)電壓一樣，這些紐扣電池的典型容量為230mAh，相當(dāng)于約0.5毫安的放電，這使它們的壽命長達(dá)400小時(shí)。但是，這種紐扣電池設(shè)計(jì)具有約為0.25μA的自放電率，這意味著它的保質(zhì)期會(huì)長達(dá)20年。 在這兩個(gè)極端之間的就是能源敏感的應(yīng)用;它在低電壓下運(yùn)行的設(shè)備中電流消耗最小， 還提供可靠、可持續(xù)的功能。因此，很明顯，任何希望用一個(gè)單紐扣電池就實(shí)現(xiàn)類似主動(dòng)壽命的應(yīng)用都需要能夠?qū)⑵骄枨罅烤S持在約0.25μA。

　　壽命需要之所以要如此長是因?yàn)樗婕暗降膽?yīng)用領(lǐng)域。在通常情形下，這種新興設(shè)備類別針對(duì)的是消費(fèi)者，其零售價(jià)格支持不了電池更換。它也可能是指那些無法訪問區(qū)域的配置，必須在沒有額外電源的情況下可靠地運(yùn)行多年。重要的是，這是一個(gè)發(fā)展中的應(yīng)用領(lǐng)域，很需要非常低功率的綜合解決方案。

　　圖1.人們期望新一代的煤氣、電和水計(jì)量產(chǎn)品能定期報(bào)告其讀數(shù)給計(jì)費(fèi)和資源管理人員，同時(shí)在二十年里其運(yùn)行無人看管。

　　歷史上這些應(yīng)用都包括一個(gè)低功耗微控制器, 任務(wù)是提供一切所需的計(jì)算能力，同時(shí)也負(fù)責(zé)管理自己的睡眠周期，以節(jié)省電力。 微控制器的晶體管數(shù)量通常很小，它們的設(shè)計(jì)最大限度地減少了主動(dòng)功耗和被動(dòng)泄漏 – 十分重視超低功耗設(shè)計(jì)，過程特別像節(jié)點(diǎn)收縮。在這些應(yīng)用中的微控制器將在睡眠模式下花掉盡可能多的時(shí)間，對(duì)簡(jiǎn)單充電，不定期做測(cè)量的設(shè)備來說, 要花掉99.9%的時(shí)間并不少見。

　　因此，這種方法主要集中于降低在那些睡眠時(shí)間內(nèi)保存的電量，在它們能做到的電力保存方面的技術(shù)已經(jīng)陷入僵局。

　　人們從根本上質(zhì)疑這種做法，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)的主動(dòng)功耗很有限，其基礎(chǔ)是每個(gè)時(shí)鐘周期要求的電源產(chǎn)品和完成處理任務(wù)所需的時(shí)鐘周期數(shù)。

　　隨著人們對(duì)正常運(yùn)行時(shí)間的要求變得更長了，該行業(yè)正在從整體上看待問題，考慮能源如何才能不僅用于睡眠模式，而且用于每個(gè)操作模式。量身訂做的開發(fā)解決方案更加接近這些消耗資源的應(yīng)用，使產(chǎn)品的開發(fā)能用一個(gè)單一的原電池運(yùn)行10年，15年，甚至20年。

　　圖2.紐扣電池一生中的電荷量很有限。設(shè)計(jì)者必須在MCU運(yùn)作的各個(gè)階段盡量減少電流和時(shí)間產(chǎn)品 - 不僅是每個(gè)微安計(jì)數(shù)，而且對(duì)每個(gè)動(dòng)作的每微秒也是如此。

　　觀念的改變

　　由于微控制器的定位，在這個(gè)能源敏感的產(chǎn)品范疇內(nèi)，開發(fā)者已經(jīng)嚴(yán)重依賴于8位設(shè)備。微控制器在執(zhí)行相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)時(shí)會(huì)比較有效，所以很自然，他們會(huì)首選為在這一新興的應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，其中加工方面的需要首先受到了限制。然而，由于這個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域的發(fā)展，人們對(duì)處理能力的需求日益增加，導(dǎo)致微控制器離開了其運(yùn)作的最佳區(qū)域。人們對(duì)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理、接口和通訊的需要意味著資源有限的微控制器在性能和能耗方面不能再提供最高效率了。

　　當(dāng)面對(duì)更多處理能力的需要時(shí)，自然而然地就會(huì)轉(zhuǎn)移到32位架構(gòu)。但是這種處理器類別攜帶有較高的晶體管數(shù)量，因而有較高水平的靜電/泄漏電源。事實(shí)上，ARM Cortex - M3在實(shí)施一個(gè)非常低的泄漏過程時(shí)會(huì)配合或提高一個(gè)典型的8位微控制器的靜電/泄漏電流數(shù)字。

　　無論是否有靜電泄漏，任何內(nèi)核在主動(dòng)處理時(shí)所消耗的電源將大大增加整個(gè)電源預(yù)算。在操作時(shí)，Energy Micro在其首個(gè)產(chǎn)品系列 EFM32 Gecko中采用ARM Cortex - M3，其在正常運(yùn)行的情況下只消耗了很少的180μA/MHz, 明顯低于其競(jìng)爭(zhēng)架構(gòu)或Cortex - M3的其它執(zhí)行方式。Energy Micro已經(jīng)通過認(rèn)真實(shí)施低漏電工藝實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)，并保持了低功耗運(yùn)行的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　本質(zhì)上，CMOS晶體管消耗的大部分主動(dòng)電流發(fā)生在切換時(shí)。通過開發(fā)先進(jìn)的門控同步時(shí)鐘結(jié)構(gòu)，EFM32架構(gòu)隨時(shí)保持最少的開關(guān)，大大減少了不必要的晶體開關(guān)數(shù)量。這對(duì)主動(dòng)電源極為有效，它通過總線架構(gòu)延伸，甚至到達(dá)執(zhí)行程序內(nèi)存的內(nèi)核。該架構(gòu)的設(shè)計(jì)很方便直接運(yùn)行閃存，可通過減少訪問內(nèi)存來進(jìn)一步省電。

　　Cortex - M3的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是它提供了先進(jìn)的睡眠模式，在EFM32里得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。由于這些設(shè)備在睡眠模式下花掉了大多數(shù)的運(yùn)行壽命，在睡眠模式下提供盡可能多的靈活度很有意義。EFM32提供5種睡眠模式, '運(yùn)行模式'(EM0)花費(fèi)了180μA/MHz而'關(guān)斷模式'只花費(fèi)20nA(EM4)。

　　圖3.EFM32 Gecko微控制器可提供能源模式選擇，例如，在完整的關(guān)閉模式中電流消耗僅有20nA，而在深度睡眠模式下僅有900nA。

　　任何微處理器的電源配置包括兩個(gè)主要內(nèi)容，基線力量 - 包括功能模塊使用的電源，如電壓調(diào)節(jié)器和電流偏置發(fā)生器 – 以及頻率相關(guān)因素。Energy Micro的方法是要特別注意基線功耗，在較低的頻率時(shí)這些功耗不會(huì)不受損，而某些架構(gòu)會(huì)受損。

　　以EFM32系列為基礎(chǔ)的Cortex - M3不僅注重于降低內(nèi)核的功耗，而且注重于支撐架構(gòu)。功能模塊調(diào)制器、比較器和振蕩器在設(shè)計(jì)時(shí)都必須要考慮到應(yīng)用，移進(jìn)和移出睡眠模式都要求這些功能模塊也進(jìn)入省電狀態(tài)，不言而喻，睡眠模式越深,它要把一個(gè)設(shè)備恢復(fù)到全速需要的時(shí)間越長。

　　圖4. EFM32 Gecko的獨(dú)特架構(gòu)為低功率操作的設(shè)計(jì)目的提供了廣泛的外圍設(shè)備功能模塊。例如，4 × 40段LCD控制器的運(yùn)行僅需要550nA。

　　EFM32總共使用6個(gè)定制設(shè)計(jì)的振蕩器，提供快速的喚醒時(shí)間，使內(nèi)核從睡眠模式中更快開始處理。它通過使用僅有0.5微秒啟動(dòng)時(shí)間的內(nèi)部RC振蕩器來達(dá)到這個(gè)目的。這使得內(nèi)核可以更快地從睡眠中喚醒、評(píng)估和執(zhí)行任務(wù) - 因此電源效率比其它設(shè)備高。

　　在開發(fā)設(shè)備時(shí)如果腦中有這樣的想法，睡眠模式的功能就會(huì)有最佳組合，在應(yīng)用開發(fā)過程中為用戶提供最大的靈活性。一個(gè)更有能力的內(nèi)核比不那么強(qiáng)大的解決方案需要的處理時(shí)間更短，這樣總電源才會(huì)降低。具有睡眠模式之間快速有效移動(dòng)的能力，其結(jié)果其電源曲線大大低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的。

　　為了使開發(fā)者能夠最好使用最佳睡眠狀態(tài)，EFM32的開發(fā)工具包采用一個(gè)先進(jìn)的能源監(jiān)控系統(tǒng)來完成，這一設(shè)施使用一個(gè)從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器來測(cè)量系列晶體管的下降電壓, 從而不斷測(cè)量電源軌上的電流。這種測(cè)量方法被綜合起來運(yùn)用，準(zhǔn)確地描繪用了一段時(shí)間的電源，使實(shí)際使用例子的低功率運(yùn)行得到了優(yōu)化。

　　圖5. Energy Micro的EFM32 Gecko MCU系列開發(fā)工具包為用戶提供了一個(gè)獨(dú)特的先進(jìn)能源監(jiān)控(AEM)系統(tǒng)。通過大量的內(nèi)置LCD屏幕和預(yù)配置的GUI，AEM使用戶可以精確地查看一個(gè)原型應(yīng)用的實(shí)時(shí)電流消耗數(shù)據(jù)，從而及早發(fā)現(xiàn)和清除不良的能量排放。

　　Cortex - M3內(nèi)核能夠執(zhí)行軟件中的眾多任務(wù)，其低功耗運(yùn)行決定了某些功能仍可以處理更多的硬件電源效率。為EFM32開發(fā)的外圍設(shè)備用于自主運(yùn)作，無需內(nèi)核的干預(yù)。使用一個(gè)復(fù)雜的互連矩陣--'外圍設(shè)備反射系統(tǒng)'，EFM32的外圍設(shè)備能夠執(zhí)行不喚醒睡眠模式下內(nèi)核的相對(duì)復(fù)雜的功能。 在典型應(yīng)用中，例如它可能經(jīng)常使用ADC來進(jìn)行測(cè)量。EFM32具有低水平驅(qū)動(dòng)程序庫的特點(diǎn)，支持Cortex - M3配置自主操作的外圍設(shè)備。這樣，一旦配置好了，它們就可以執(zhí)行許多任務(wù)，無需喚醒內(nèi)核。

　　圖6使用Energy Micro的'外圍設(shè)備反射系統(tǒng)—一個(gè)復(fù)雜的互聯(lián)矩陣—就可以執(zhí)行簡(jiǎn)單的任務(wù)如開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)結(jié)果，完全無需喚醒32位處理器內(nèi)核。

　　使用硬件加速也支持其它處理器密集型功能的卸載，從而加深睡眠狀態(tài)。例如，EFM32實(shí)現(xiàn)了硬連線的AES加密塊，這個(gè)功能越來越多地被用來保護(hù)最普通的數(shù)據(jù)。盡管AES加密算法不是Cortex - M3的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，把它交給一個(gè)硬件加速塊還是可以節(jié)省更多的處理器周期，因此，無需名義上的彌補(bǔ)，就能代表更多的晶體管數(shù)量。

　　對(duì)超低功耗器件的要求，加上有同類領(lǐng)先的節(jié)能特性的超級(jí)處理器性能的指數(shù)速度在不斷提高，預(yù)計(jì)各種應(yīng)用中將會(huì)繼續(xù)使用它們，增加它們的特性。隨著ARM架構(gòu)的普及，Cortex - M3的效率和Thumb2指令集的性能產(chǎn)生出令人矚目的解決方案和理想的平臺(tái)，用于未來超低功耗解決方案的開發(fā)。Energy Micro開發(fā)低功率解決方案的整體方法將繼續(xù)下去，基于ARM架構(gòu)和自己在超低功耗設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí)。