擺脫功耗限制束縛，需要創(chuàng)新MCU技術(shù)

在飛速發(fā)展的集成電子等行業(yè)中，無法預(yù)見客戶需求巨大變化的供應(yīng)商正處于丟失商機(jī)的風(fēng)口浪尖；尤其當(dāng)他們無法做出快速響應(yīng)并提供恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案的話，則更具風(fēng)險。一段時間以來，半導(dǎo)體供應(yīng)商已追隨著行業(yè)發(fā)展的腳步，推出了功耗更低、運行速度更快的器件。然而，目前行業(yè)的發(fā)展動向使得一些頗具前瞻性的制造商將目光投向這一長遠(yuǎn)的目標(biāo)。

集成處理器的出現(xiàn)使得諸如“您需要多強(qiáng)的處理性能？”這樣的問題，總是會得到“越強(qiáng)越好”這樣直截了當(dāng)?shù)拇鸢?。但是，隨著處理技術(shù)的發(fā)展，在平衡處理能力和運行功耗上遇到了重大的難題。因此，上述問題的答案如今更傾向于“只要滿足功耗預(yù)算，處理能力越強(qiáng)越好?！?

與許多其他預(yù)算相似，基于類似的原因，功耗預(yù)算也在不斷縮減。產(chǎn)出和消耗功率都需要花錢，因此對功耗進(jìn)行限制并非新鮮事。 如今，設(shè)計電子產(chǎn)品時必須符合法規(guī)和商業(yè)的功耗預(yù)算，在電池供電設(shè)備中這樣的要求尤為突出。

目前，對設(shè)備運行功率的檢測日趨嚴(yán)格，人們的注意力正逐步轉(zhuǎn)向待機(jī)功耗；增加晶體管數(shù)目勢必會增大待機(jī)功耗。業(yè)界的另一個趨勢是，必須延長電池供電設(shè)備的工作壽命--有時應(yīng)做到數(shù)年不必充電或更換電池。這就對器件提出了更高要求：不僅工作時功耗低，并且在不工作時也要幾乎沒有功耗。

這要求研發(fā)人員開發(fā)出專門針對功耗限制應(yīng)用的解決方案，而且這種要求與日俱增?？沙潆婋姵氐匿N量每年上升約20%，而便攜式消費類電子設(shè)備的銷量以10%的增長率持續(xù)飆升。由于絕大多數(shù)便攜式設(shè)備均由某種類型的蓄電池供電，這又反映出對器件的另一種需求：不僅關(guān)注工作時的功耗，還要關(guān)注所有階段的整體功耗。

電池供電設(shè)備的一個不斷增長的應(yīng)用領(lǐng)域是消費類電子產(chǎn)品，這類產(chǎn)品通常被設(shè)計成密封式，因而必須充一次電就能維持長時間工作。此外，還包括任何使用高靈敏度檢測設(shè)備的應(yīng)用。例如，煙霧或一氧化碳檢測器以及新興的家用醫(yī)療診斷市場。其他的高級儀表測量或監(jiān)視設(shè)備，比如溫控器、 進(jìn)出跟蹤或門禁系統(tǒng)也屬于此類應(yīng)用。

上述應(yīng)用都有一個突出的共性，即大多數(shù)時間都處于開機(jī)狀態(tài)但并不工作。這是區(qū)別于那些在不使用時呈關(guān)機(jī)狀態(tài)的應(yīng)用的關(guān)鍵點。這也意味著這些設(shè)備在不工作時所消耗的功率成為決定設(shè)備使用壽命的最重要因素，當(dāng)然也是延長設(shè)備壽命最需要關(guān)注的方面。

半導(dǎo)體制造商必須應(yīng)對的一種趨勢是，從晶體管逐步發(fā)展起來的集成器件在待機(jī)條件下的功耗越低越好。例如，Microchip最新推出的nanoWatt XLP系列PIC單片機(jī)（MCU）就是針對此類應(yīng)用。

nanoWatt XLP系列器件是目前世界上休眠模式下功耗最低的MCU，僅消耗20nA以下的電流。這意味著在工作周期的絕大多數(shù)時間里，其功耗小于當(dāng)今任何其他的MCU，從而真正實現(xiàn)將功耗受限設(shè)備的使用壽命延長至20年以上。

實現(xiàn)低功耗運行的關(guān)鍵在于Microchip專門為此類器件開發(fā)的先進(jìn)的nanoWatt XLP超低功耗技術(shù)。在這些復(fù)雜的器件中，額外引入了一個深度休眠模式，使得MCU架構(gòu)中越來越多的部件在長時間停止工作時關(guān)閉。這樣做的作用是從物理上切斷集成電路中大部分部件的電源，從而消除了與集成晶體管有關(guān)的功耗泄漏或“靜態(tài)”功耗。這樣的泄漏或消耗會使現(xiàn)代集成器件的漏電流快速增加，從而使得那些不夠完善的架構(gòu)無法將待機(jī)電流降至接近20nA。

Microchip的nanoWatt XLP技術(shù)最初應(yīng)用在PIC MCU的30多款產(chǎn)品中，涵蓋了6個系列，包括8位器件和16位器件。 這就使得工程師在選擇適合其應(yīng)用的器件時有了很大的空間，不必以犧牲超低功耗這一優(yōu)點為代價。Microchip還計劃將來要推出更多采用nanoWatt XLP技術(shù)的器件，包含各種封裝和存儲器配置。

nanoWatt XLP器件中還集成了一系列兼容外設(shè)，進(jìn)一步擴(kuò)充了此類器件的應(yīng)用領(lǐng)域。這些外設(shè)包括對USB的完全支持以及Microchip的mTouch電容觸摸傳感技術(shù)，這一技術(shù)提供了低成本低功耗的用戶接口解決方案。

這些高級外設(shè)采用了Microchip的外設(shè)引腳選擇技術(shù)，允許在必要時將外設(shè)映射到不同的I/O引腳。有了這些外設(shè)的配合，nanoWatt XLP器件能夠用于大多數(shù)常見的低功耗應(yīng)用，同時提供靈活的用戶接口選項。

設(shè)計功耗受限應(yīng)用的工程師要考慮的重點是如何進(jìn)入和退出低功耗模式，而nanoWatt XLP技術(shù)恰能極好地處理這個問題。通常，針對低功耗應(yīng)用的MCU通過在休眠模式下禁止MCU的許多中斷特性來實現(xiàn)低待機(jī)電流。事實上，這使得許多應(yīng)用根本無法使用休眠模式，這是因為器件必須依靠架構(gòu)中某一必須始終保持工作的部件來退出休眠模式。

Microchip通過實現(xiàn)靈活的休眠模式克服了這一明顯的缺點，這些休眠模式有大量的喚醒源。工程師可根據(jù)具體應(yīng)用采用能顯著降低待機(jī)電流的傳統(tǒng)休眠模式之一，或使用將待機(jī)電流降至僅為20 nA的業(yè)界最低值的新型深度休眠模式。這種休眠模式通過移除器件中幾乎所有功能模塊的電源來實現(xiàn)如此低的電流，在估計設(shè)備長時間不工作的場合最為合適，正如前面羅列的應(yīng)用示例。

這一靈活性使得nanoWatt XLP技術(shù)的優(yōu)點發(fā)揮到了極致，而不會遭遇以往無法使用休眠模式的尷尬。通過進(jìn)入深度休眠模式，從物理上切斷MCU大多數(shù)功能模塊的電源，徹底解決了與功耗泄漏有關(guān)的問題。實時時鐘/日歷在深度休眠模式下保持工作，使得對時間要求苛刻的應(yīng)用保持同步。同樣處于工作狀態(tài)的還有深度休眠看門狗定時器和深度休眠欠壓復(fù)位電路，它們?yōu)镸CU提供了至關(guān)重要的喚醒源。已運用最新的低功耗技術(shù)和晶體管技術(shù)重新設(shè)計了這些功能模塊，以使其功耗需求最小。

其他休眠模式根據(jù)應(yīng)用的具體需求，提供更多種類的喚醒源。使用現(xiàn)有的各種休眠模式，可以逐漸節(jié)省更多功耗，同時滿足應(yīng)用的需求。

大多數(shù)半導(dǎo)體制造商都不得不面臨人們對超低功耗MCU的需求。Microchip采取了大膽而創(chuàng)新的舉措，重新定義了其基本技術(shù)來應(yīng)對這樣的需求，由于人們越來越多地依賴于便攜式和功耗受限產(chǎn)品，因此這樣的需求正不斷增長。