優(yōu)化面向超低功耗設(shè)計(jì)的微控制器功效

低功率欠壓檢測(cè)(Brown-Out Detection, BOD)：雖然零功率欠壓檢測(cè)器不會(huì)消耗功率，但它們的響應(yīng)速度也很慢，可能需要足足一毫秒的時(shí)間來檢測(cè)閾值以下的電壓，這就給MCU帶來了風(fēng)險(xiǎn)。相反地，“睡眠BOD”卻能夠在2微秒內(nèi)檢測(cè)出欠壓情況，而耗電量只有20uA。由于MCU在深睡眠模式下無需欠壓保護(hù)，這時(shí)可關(guān)斷睡眠BOD，并達(dá)致零功耗。采用這種方法，開發(fā)人員便能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗和快速響應(yīng)。

數(shù)字輸入中斷寄存器(DIDR): 外設(shè)(比如ADC)的多路輸入，可以提高小引腳數(shù)目器件的設(shè)計(jì)靈活性。不過，在加載Vcc/2范圍內(nèi)的電壓時(shí)，含有輸入緩沖器的晶體管將出現(xiàn)電流泄漏。這時(shí)，若使用專門的輸入中斷寄存器，在每一個(gè)模擬輸入中加入一個(gè)禁止位，開發(fā)人員便可以單獨(dú)禁止輸入緩沖器，避免泄漏的發(fā)生。

時(shí)鐘門控：時(shí)鐘門控技術(shù)可以降低任何時(shí)鐘域的切換頻率。任何沒有使用的時(shí)鐘都可以進(jìn)行門控，從而避免無謂的功耗。

省電寄存器：雖然多種睡眠模式可簡化功率管理，但它們往往只能夠啟動(dòng)或關(guān)斷整個(gè)外設(shè)部分。這樣，即使只使用一個(gè)外設(shè)，其它的外設(shè)也必須處于工作狀態(tài)下。省電寄存器(Power Reduction Register)可讓開發(fā)人員能夠完全單獨(dú)控制各個(gè)外設(shè)模塊的開關(guān)。在工作模式下禁用某個(gè)外設(shè)模塊可以降低5-10%的總功耗；在閑置模式下則可節(jié)省10-20%。

閃存采樣：傳統(tǒng)的閃存設(shè)計(jì)是要在工作模式下維持激活狀態(tài)。然而，在時(shí)鐘速率較低時(shí)，閃存讀取時(shí)間將小于時(shí)鐘周期。閃存采樣技術(shù)就是讓閃存以10ns數(shù)量級(jí)的速度對(duì)陣列內(nèi)容進(jìn)行采樣，然后立即禁用，從而降低平均功耗。

快速喚醒：如果系統(tǒng)被喚醒速度很慢，就不得不以更長時(shí)間處于工作模式下，以適應(yīng)更長的延時(shí)，防止實(shí)時(shí)事件處理的中斷。換言之，MCU被喚醒的速度越快，它停留在睡眠模式下的時(shí)間就越長。

如何選擇超低功耗/超低電壓MCU

在評(píng)估不同的超低功率MCU規(guī)格時(shí)，開發(fā)人員必須頭腦清醒，從而確保等效測(cè)量結(jié)果的比較。例如，應(yīng)該考慮到：

? 某個(gè)范圍內(nèi)的效率：效率規(guī)格通常是根據(jù)MCU的最佳測(cè)量(最佳點(diǎn))結(jié)果而不是負(fù)載電流電壓上的結(jié)果給出。某個(gè)應(yīng)用的典型工作范圍可能使其位于較低效率的曲線上。此外，效率必須在電池的整個(gè)電壓降范圍上進(jìn)行估算。

? 電池的安全工作范圍：雖然MCU的耗電量也許相當(dāng)小，但如果無法足夠精確地測(cè)量電壓和溫度，那么電池限值就可能被超過，導(dǎo)致電池受損及使用時(shí)間縮短。在確定設(shè)備可安全使用的電池能量時(shí)，精度是一個(gè)關(guān)鍵因素。

? 調(diào)節(jié)器低效：無升壓調(diào)節(jié)器的MCU有更高的效率規(guī)格，因?yàn)檗D(zhuǎn)換損耗隱藏在外部調(diào)節(jié)器中。此外，在單電池設(shè)計(jì)中，如果MCU沒有集成調(diào)節(jié)器，切記把外部升壓調(diào)節(jié)器的成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性考慮在內(nèi)。

? 設(shè)備整個(gè)使用范圍內(nèi)的效率：在驅(qū)動(dòng)大電流時(shí)，MCU的效率可能很高，但除非它有多個(gè)工作模式，否則在驅(qū)動(dòng)低電流時(shí)，它的效率會(huì)很低。因此，如果應(yīng)用并非經(jīng)常需要大電流能力，總體效率便會(huì)降低。

? 規(guī)格是利用單個(gè)還是多個(gè)電池測(cè)得：某些MCU規(guī)格會(huì)隨著所用電池的數(shù)量而改變。例如，如果有多個(gè)電池，便可以避過使用內(nèi)部升壓調(diào)節(jié)器，從而提高效率。反之，在只使用單個(gè)電池時(shí)，利用多個(gè)電池獲得的各種規(guī)格(比如喚醒時(shí)間)可能會(huì)降低。

? 開發(fā)環(huán)境的成熟度：實(shí)現(xiàn)超低功率需要架構(gòu)層的創(chuàng)新?；谌录軜?gòu)的超低功率MCU常常最多只能提供仍在開發(fā)中的有限設(shè)計(jì)工具。由于軟件開發(fā)是最重要的成本因素之一，設(shè)計(jì)工具的穩(wěn)定性、完整性和功能性，在幫助開發(fā)人員有效地管理功耗，以及快速把產(chǎn)品推向市場(chǎng)時(shí)發(fā)揮了舉足輕重的作用。

圖5. 利用STK600和ATtinyx3U頂層模塊等演示工具套件，開發(fā)人員可測(cè)量實(shí)際工作條件下的功效。這些工具套件讓開發(fā)人員能夠全面使用ATtiny43U的功能和Ateml豐富成熟的開發(fā)工具套件來測(cè)試單電池工作，獲得高亮度LED的功率曲線，調(diào)節(jié)功率閾值，從而在安全范圍內(nèi)充分利用電池的最大容量。

確定MCU功耗如何“超低”的方法之一，是自己對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。演示工具套件(Demo Kits)為測(cè)試MCU在實(shí)際工作條件下的效率以及利用其功能集提供了行之有效的手段。例如，只要把ATtinyx3U頂層模塊(top module) 連接在STK600開發(fā)板上，開發(fā)人員便能夠全面使用ATtiny43U的功能和Atmel全面的開發(fā)工具套件(見圖5)。利用該模塊，開發(fā)人員可以測(cè)試單電池工作的限值，在直接驅(qū)動(dòng)高亮LED的同時(shí)設(shè)定功耗輪廓，以及驅(qū)動(dòng)集成式升壓調(diào)節(jié)器的自動(dòng)關(guān)斷和上電功能，以調(diào)節(jié)功率閾值，在安全范圍內(nèi)充分利用電池的最大容量。

小結(jié)

單電池設(shè)計(jì)無需備用電池載荷，而備用電池往往正是超低功率系統(tǒng)中最重和體積最大的組件。集成了片上調(diào)節(jié)器并具有可配置模式的MCU ，可以有效彌補(bǔ)MCU的極小電源電壓和標(biāo)準(zhǔn)單電池技術(shù)的典型輸出電壓之間的差距，使開發(fā)人員得以把已有負(fù)載條件及電池電壓下的功耗降至最小。只需一個(gè)電池，無需外部調(diào)節(jié)器，憑借低至0.7V的電池耗電能力，以及用于LED和小型電機(jī)的大電流能力，設(shè)計(jì)人員便能夠以最低的成本、絕對(duì)超低的功耗設(shè)計(jì)出緊湊型的電池供電設(shè)備。