設(shè)計(jì)低功耗 MCU 并不容易，為您的特定嵌入式設(shè)計(jì)選擇合適的 MCU 也不是一件容易的事。許多應(yīng)用特定的考慮因素使比較 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)約能源對(duì)環(huán)境有益，也更省錢(qián)。提高能源效率的諸多好處已得到充分證明：降低消費(fèi)者的電費(fèi)、減少公用事業(yè)的負(fù)擔(dān)、降低電子產(chǎn)品的擁有成本以及減少在垃圾填埋場(chǎng)丟棄的廢舊電池。

　　隨著電子設(shè)備的使用幾乎滲透到我們生活的方方面面，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)影響深遠(yuǎn)。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，識(shí)別哪些 MCU 真正是“低功耗”的挑戰(zhàn)要求設(shè)計(jì)人員通過(guò)各種半導(dǎo)體供應(yīng)商提出的無(wú)數(shù)聲明進(jìn)行導(dǎo)航。由于供應(yīng)商使用的指標(biāo)不同（并且經(jīng)常令人困惑），這不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

　　讓我們仔細(xì)看看在分析競(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。

　　在基本層面上，MCU 功耗可以定義為以下各項(xiàng)的總和：

　　總功耗 = 活動(dòng)模式功耗 + 待機(jī)（睡眠）模式功耗

　　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)。由于 MCU 在所有數(shù)字和模擬組件完全穩(wěn)定并運(yùn)行之前無(wú)法進(jìn)行任何有用的處理，因此在計(jì)算總功耗時(shí)添加這個(gè)（浪費(fèi)的）功率很重要：

　　總功耗 = 活動(dòng)模式功率 + 待機(jī)（睡眠） 模式功率+喚醒功率

　　因?yàn)槊總€(gè)應(yīng)用程序都是不同的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員傾向于將其中一些元素的權(quán)重超過(guò)其他元素。例如，水表等一些應(yīng)用程序大部分時(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（例如數(shù)據(jù)記錄器）經(jīng)常進(jìn)入和退出活動(dòng)狀態(tài)，因此限制在喚醒轉(zhuǎn)換模式中花費(fèi)的時(shí)間至關(guān)重要。但是，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)中的哪一個(gè)最重要，而是會(huì)從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)解決方案，專注于最小化這個(gè)等式的每個(gè)部分。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要強(qiáng)大的混合信號(hào)專業(yè)知識(shí)來(lái)解決架構(gòu)級(jí)和電路級(jí)挑戰(zhàn)，以最大限度地降低模擬和數(shù)字域的功耗。對(duì)每個(gè)變量的簡(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)題類型。

　　主動(dòng)模式電流

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

　　主動(dòng)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。

　　電容項(xiàng)是所使用的設(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，從前面的等式可以看出，電源電壓對(duì) MCU 消耗的總功率有不成比例的影響。因此，在 MCU 設(shè)計(jì)中添加電壓調(diào)節(jié)可以通過(guò)為 MCU 電路提供低得多的穩(wěn)定電源電壓來(lái)顯著節(jié)省有源模式的功耗。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)換比很小（在電池壽命結(jié)束時(shí)接近 1:1）的電池類型應(yīng)用，

　　為了說(shuō)明使用 LDO 穩(wěn)壓器的好處，重述 CMOS 動(dòng)態(tài)功率方程會(huì)很有幫助：

　　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)電流標(biāo)準(zhǔn)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 160 μA/MHz。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） = 284 μA/MHz，當(dāng)電源電壓為 3.2 V。使用 LDO，電池電流將在整個(gè)電源范圍內(nèi)保持固定在 160 μA/MHz。

　　可以看出，這種先進(jìn)的電源架構(gòu)可用于在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)保持恒定的有源電流，并可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員顯著降低功耗。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——而不僅僅是在 MCU 供應(yīng)商通常引用的 1.8 V 最小工作條件下。引用一個(gè)過(guò)于樂(lè)觀的電流數(shù)字，假設(shè)任何電壓都低于典型的電壓供應(yīng)，并不能準(zhǔn)確地反映應(yīng)用程序在現(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，電池最常在其 3 V 初始電壓附近運(yùn)行，因此引用的 1.8 V 規(guī)格可能具有欺騙性，因?yàn)椋?/p>

　　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)字標(biāo)準(zhǔn)化為電流/MHz 為基礎(chǔ)。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)混淆這個(gè)問(wèn)題。這是具有欺騙性的，因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘速度可以以兩倍（或更多）的實(shí)際指令速度運(yùn)行，從而使其有效功耗增加一倍（或更多）。因此，確保一切都按照指令時(shí)鐘速度標(biāo)準(zhǔn)化很重要。通過(guò)這樣做，并通過(guò)使用典型的電源電壓，可以正確得出實(shí)際的活動(dòng)模式電流消耗預(yù)算。

　　待機(jī)（睡眠）電流

　　實(shí)現(xiàn)最大能效（和電池壽命）意味著確保每個(gè) MCU 任務(wù)在盡可能短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)以盡可能低的電壓消耗盡可能少的電流，從而使設(shè)備大部分時(shí)間都處于非常低功耗的睡眠模式。在某些應(yīng)用中，睡眠模式電流是對(duì)整體能耗最有影響的參數(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) 2 μA 的功率。

　　泄漏電流受許多因素影響，但最重要的因素是所使用的底層工藝技術(shù)。在某些情況下，供應(yīng)商會(huì)選擇使用 0.25 或 0.35 微米的工藝技術(shù)來(lái)降低泄漏引起的休眠電流，但這種選擇是以更高的有源電流為代價(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)降低主動(dòng)模式電流，但這是以更高的泄漏電流為代價(jià)的。解決這一困境的一個(gè)獨(dú)特解決方案是應(yīng)用混合信號(hào)專業(yè)知識(shí)來(lái)實(shí)施一個(gè)高級(jí)電源管理單元 （PMU），該單元專為限制泄漏和實(shí)現(xiàn)超低睡眠電流而設(shè)計(jì)，無(wú)論使用何種底層工藝技術(shù)。

　　當(dāng)使用 0.25 微米或更小的工藝技術(shù)時(shí)，最小化睡眠模式電流需要切斷數(shù)字內(nèi)核的電源。在睡眠模式下運(yùn)行的模塊，例如電源管理電路、I/O 焊盤(pán)單元和 RTC，必須在未穩(wěn)壓的電源下運(yùn)行，以避免在 LDO 中燃燒額外的電流。切斷數(shù)字核心邏輯的電源還可以防止其關(guān)閉狀態(tài)泄漏對(duì)睡眠模式電流產(chǎn)生影響；但是，MCU 必須在睡眠模式下保留 RAM 內(nèi)容和所有寄存器的狀態(tài)，以便代碼執(zhí)行可以從中斷的地方恢復(fù)。這種保存可以通過(guò)一些非常低的電流、睡眠模式、鎖存器偏置方案來(lái)執(zhí)行，或者通過(guò)使用可以在睡眠模式下保持狀態(tài)而沒(méi)有明顯泄漏的特殊保持鎖存器來(lái)執(zhí)行。

　　因此，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，檢查底層漏電流規(guī)范以確定哪些 MCU 供應(yīng)商已應(yīng)用其混合信號(hào)專業(yè)知識(shí)來(lái)解決這一復(fù)雜問(wèn)題非常重要。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)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)這一事實(shí)。大多數(shù)供應(yīng)商會(huì)強(qiáng)調(diào)其絕對(duì)最低的睡眠模式電流，這通常對(duì)應(yīng)于禁用實(shí)時(shí)時(shí)鐘和掉電檢測(cè)器時(shí)消耗的電流。一些供應(yīng)商會(huì)更進(jìn)一步，并引用不保留內(nèi)存且需要復(fù)位才能喚醒的關(guān)斷模式電流，這通常不是一種非常實(shí)用的模式。因此，由于大多數(shù)應(yīng)用程序需要完整的 RAM 和寄存器保留，

　　待機(jī)/睡眠模式電流，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和掉電禁用（RAM 保留）

　　禁用實(shí)時(shí)時(shí)鐘和啟用掉電的待機(jī)/睡眠模式電流

　　啟用實(shí)時(shí)時(shí)鐘和掉電的待機(jī)/睡眠模式電流

　　然后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在根據(jù)其應(yīng)用的占空比計(jì)算整體待機(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 并使其準(zhǔn)備好獲取或處理數(shù)據(jù)。事實(shí)上，在某些應(yīng)用中，MCU 在脫離待機(jī)狀態(tài)時(shí)通?？梢允褂门c設(shè)備完全處理數(shù)據(jù)時(shí)一樣多的能量。因此，重要的是設(shè)計(jì)一個(gè) MCU 以在極短的時(shí)間內(nèi)喚醒和穩(wěn)定，以最大限度地減少在能源浪費(fèi)狀態(tài)下花費(fèi)的時(shí)間。

　　MCU 應(yīng)該能夠從外部觸發(fā)事件或內(nèi)部定時(shí)器退出睡眠模式。最靈活的周期性喚醒源是實(shí)時(shí)時(shí)鐘，它能夠從外部晶體振蕩器（適用于需要精確定時(shí)的應(yīng)用）或低頻內(nèi)部振蕩器運(yùn)行，從而在低精度應(yīng)用中無(wú)需晶體。 避免對(duì)高速系統(tǒng)時(shí)鐘使用慢啟動(dòng)晶振；準(zhǔn)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)品會(huì)定期喚醒以使用片上 ADC 對(duì)輸入進(jìn)行采樣，因此為數(shù)字電路的喚醒和模擬電路的穩(wěn)定留出足夠的時(shí)間以開(kāi)始進(jìn)行有效測(cè)量非常重要。模擬模塊的啟動(dòng)行為可能會(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穩(wěn)定時(shí)間，以考慮這種浪費(fèi)能源的真實(shí)成本。

　　其他注意事項(xiàng)

　　當(dāng)然還有其他方法可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)中的功率。例如，通常使用 2 節(jié) AA/AAA 電池配置，因?yàn)?MCU 通常可以在低至 1.8 V 的電壓下運(yùn)行，即便如此，有時(shí)也只能降低功能（無(wú) ADC；降低指令時(shí)鐘速度）。降低功耗（和環(huán)境影響）的一種創(chuàng)新方法是將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為單電池配置，在這種配置中，電池可以一直運(yùn)行到其使用壽命結(jié)束（0.9 V）。為此，MCU 必須集成一個(gè)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)物質(zhì)的情況下為 0.9 V。這種方法還可以節(jié)省供應(yīng)商和/或消費(fèi)者的電池成本。

　　另一種降低功耗的方法是使用高度集成的 MCU，包括 ADC、DAC 和其他外圍設(shè)備，因?yàn)?MCU 可以根據(jù)應(yīng)用程序的需要控制啟用和禁用這些外圍設(shè)備。例如，一些 MCU 提供具有突發(fā)模式的專用低功耗 ADC，可以在 CPU 關(guān)閉時(shí)進(jìn)行模擬測(cè)量，以進(jìn)一步降低功耗。

　　總結(jié)

　　分析 MCU 供應(yīng)商提出的各種相互矛盾的聲明是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。然而，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，最好簡(jiǎn)單地恢復(fù)到基本功耗方程以消除混亂：

　　總功耗 = 活動(dòng)模式功率 + 待機(jī)（睡眠）模式功率 + 喚醒功率

　　由于每個(gè)應(yīng)用都會(huì)受到待機(jī)功耗、活動(dòng)模式功耗和喚醒功耗的組合影響，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)系統(tǒng)地將功耗數(shù)字分解為上面顯示的部分來(lái)簡(jiǎn)單地開(kāi)始任何分析，這可能會(huì)有所幫助。一旦得出這些數(shù)字，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就可以考慮應(yīng)用程序的占空比——應(yīng)用程序預(yù)計(jì)在待機(jī)、活動(dòng)和喚醒模式下花費(fèi)的時(shí)間量——來(lái)計(jì)算總體平均功耗數(shù)字。結(jié)果值應(yīng)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)接近的近似值，可用于客觀地評(píng)估和比較 MCU 替代方案，以實(shí)現(xiàn)盡可能低的系統(tǒng)級(jí)功耗。