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实现MCU的低功耗设计
使用更少的功耗 实现更多的功能

【作者: 徐進】2017年08月21日 星期一

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近年来,可携式电池供电应用的日益普及促使设计人员致力於将更多功能整合至更小的?品中。这些增添的功能,尤其是无线通讯功能,对系统电源提出了更高要求。如何在实现所需系统功能的同时又能延长电池的寿命成?设计人员需要解?的一大挑战。随着包含各种整合式特性及周边设备的微控制器功能的最新发展,嵌入式设计电源管理的实现变得更加简单灵活。同时,这些MCU也促进了设计技术的进步。



图一 : 可携式电池供电应用的日益普及促使设计人员致力於将更多功能整合至更小的?品中。(Source: sureuniversal)
图一 : 可携式电池供电应用的日益普及促使设计人员致力於将更多功能整合至更小的?品中。(Source: sureuniversal)

更低的功耗实现更多功能

也许你不曾注意到,我们周遭的一切似??变得越来越智慧,并且彼此间互相连结。你的鞋子现在有了感测器,可以藉由显示在你智慧型手机上的你的速度资料告诉你如何改善你的跑步时间。体重计不仅可以将你的体重资料自动储存到云端追踪应用程式,还可以透过你的智慧型手机发送提醒,告诉你,?什?你吃的最後一个甜甜圈并不是一个好主意。多亏设置在热水器旁的小型无线感测器,你的居家保全系统就可以在车库出现漏水时用手机简讯通知你。


随着技术的不断进步,可携式电池供电应用的普及程度迅速提高。工程师一直被要求让每个?品都能在升级换代时增加更多的功能并同时缩小整体尺寸。然而,这些新增的性能对系统电源提出了更高的要求。如何在更小的空间内添加这些新功能并延长电池的寿命,给设计人员出了个难题。


用於电池供电应用设计的传统方法就是尽量让许多模组长时间保持在低功耗状态,偶尔需要执行任务时才被唤醒,任务完成後又再返回到休眠模式。在一个包含多个MCU/MPU和元件的复杂设计中,低接脚数的8位元控制器经常被使用在系统监控功能,依据需要来执行一些类似开机关机模组之类的管理任务,将功效最大化。


然而,大多数的设计仍然只有一个主要的微控制器,再搭配许多整合式的周边设备来实现所需的系统功能。因此,这个主要的微控制器的功耗就成?关键的叁数。然而,并非所有微控制器都具有良好的低功耗性能。在这一方面,许多应用中8位元微控制器比32位元装置更胜一筹。有些8位元微控制器在最低功耗设置时电流消耗可低至20 nA,但32位元元件的电流消耗在最好的情况下也会高出10到20倍左右。


要将微控制器从休眠状态中唤醒的方法有很多种。一种常见的做法是使用微控制器内部的计时器定期唤醒系统。这个计时器经过配置可以在溢位时发生时引发中断。一个附有1:8预除器的16位计时器,外加一个独立运行的内建低功耗31 kHz振荡器(或者带一个外部晶振)可以让装置休眠17秒左右。


另一种做法就是使用MCU本身的监视计时器(WDT),理想条件下其待机时间最长可达256秒,期间消耗的电流约?440 nA。(同样的,一个带有WDT功能的32位元MCU一般情?下的消耗电流至少是一个8位元MCU的3倍。)


以不需要被时常唤醒的应用?例,像是环境监测器,它大约每四小时被唤醒一次以读取湿度感测器的资料然後再返回休眠状态。这是不是意味着由於内部计时器的限制,我们不得不需要进行更频繁的唤醒运作呢?不一定。其中的一个选择就是在需要时使用即时计时器(RTC)和晶振来提供以小时、天、月甚至年?单位的精确计时。当然,往往因?成本原因并非所有的微控制器都会提供整合式的RTC和晶振,这时我们可以考虑使用独立式RTC。


核心独立的周边设备

另一个不需要任何附加元件且不会有功率耗损就可以延长待机时间的选择就是使用在一些新一代8位元微控制器所内建的独特周边设备。举例来说,设计人员可以将这些MCU的一个可配置逻辑元件(CLC)和它的数值控制振荡器(NCO)连接到16位元计时器,进而将待机时间从17秒延长至205天,这之後才会触发中断唤醒MCU(见图1)。当然,很少会有应用需要这麽长时间的待机,但是这个功能在需要时是可以使用的。而如果使用一个外部晶振来代替MCU内建的31 kHz振荡器的话,功耗甚至可以?少50%,达到2.3 μA左右。



图二 : 使用一个8位元微控制器的核心独立周边设备可将待机时间延长至205天,不需任何附加元件且不会有功率损耗。
图二 : 使用一个8位元微控制器的核心独立周边设备可将待机时间延长至205天,不需任何附加元件且不会有功率损耗。

我们也可以使用像是开关或感测器等外部中断来源唤醒微控制器。一些较大的MCU/MPU有多个优先等级的中断,但是这些性能通常是市场上现有的大部分低接脚数MCU所不具备的。还记得上个例子中我们用来延长计时器周期的可配置逻辑元件吗?事实上,CLC不仅可在MCU只有一个系统INT时创建额外的中断来源,它还允许设计人员?增加条件式或连续式逻辑到唤醒程序中,使他更智慧而且还不会?生额外的电流消耗。


如果系统需要用多个讯号以代表一个特定状态以唤醒CPU去确认状况的话,往往CPU是在其他讯号还未发生时就被第一个讯号的改变所唤醒了。现在我们可以配置和组合CLC现有的逻辑功能和状态机,甚至多个CLC模组,来建立特定的唤醒条件,避免出现频繁的误触和不必要的功率损失。


虽然我们希??能在休眠模式下执行所有任务,但是某些任务必须是在主动模式下执行的,这个时候相对於所有其他模组,MCU核心的功耗是最高的。这样情?就有点棘手了。图二是系统在一段时间内?生电流消耗的简化图示。电流消耗线下的图形面积代表一段时间内所有的放电量,以库仑(Coulomb)?单位。如果休眠模式周期内所有面积的总和比工作模式大得多,那?休眠电流值就更关键,因?大部分的能源消耗都发生在低功耗模式下。反之亦然,如果主动模式周期内的面积总和明显更高,那?休眠电流值和休眠模式下花费的时间就变得无关紧要了。



图三 : 微控制器在一段时间内?生电流消耗的图示。
图三 : 微控制器在一段时间内?生电流消耗的图示。

使用像是Wi-Fi或Bluetooth LE等无线通讯的应用更特别是降低系统功耗的一大挑战。这些系统的设计人员必须要考虑发送或接收的资料量,因?这将会直接影响总体电流消耗。此类无线模组可设?「信标」模式(Beacon Mode),以便周期性的唤醒和搜索讯号;或者可以在不使用时进入待机模式。


类比感测器需要搭配使用MCU的晶片上ADC模组。一般情?下, ADC采样所需的时间比转换时间长得多。在主动模式下的时间越长,电流消耗就越多。但是,一些搭载ADC模组的MCU可以在休眠模式下进行转换,这就最大程度的?少了在主动模式下所需花费的时间进而降低功耗。


有些MCU整合了多种低功耗主动模式。这些模式提供了可以关闭或降低核心处理器速度的选择,同时,针对晶片周边设备选择性地让系统时钟保持在主动模式。


我们经常听到这样一种说法,「核心的性能越高,执行任务的速度就越快,那?它就能越早回到休眠模式。」虽然在某些情?下可能确实如此,但是这个逻辑是存在缺陷的。我们要记得核心的功耗比MCU中任何一个其他模组都高。另外,无论速度如何,所有需要核心的任务都必须连续执行(FIFO)。因此,在最後一项任务完成之前核心是不可以被关闭的。当微处理器可以借助无需核心即可运作的整合是周边设备来平行执行所需任务时,核心的速度就毫不相干了,并且整体功耗也会大幅降低。毕竟,这些新的周边设被大多数都可以在MCU核心处於休眠模式时正常运作。


由於电池供电应用功能的增多,其设计也越来越复杂。工程师应该研究分析并充分了解每个元件在不同功耗和动作模式下的电流消耗概?,以实现最高的电池使用效率。新一代8位元微控制器的全新的周边设备组合让工程师可以不用牺牲系统性能就可以进行创造性的设计。


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