低功耗MCU的選擇方法

嵌入式微控制器 (MCU)的功耗在當(dāng)今電池供電應(yīng)用中正變得越來越舉足輕重。大多 MCU 芯片廠商都提供低功耗產(chǎn)品，但是選擇一款最適合您自己應(yīng)用的產(chǎn)品并非易事，并不像對比數(shù)據(jù)表前面的數(shù)據(jù)那么簡單。我們必須詳細(xì)對比 MCU 功能，以便找到功耗最低的產(chǎn)品，這些功能包括：

• 斷電模式
  
• 定時系統(tǒng)
  
• 事件驅(qū)動功能
  
• 片上外設(shè)
  
• 掉電檢測與保護(hù)
  
• 漏電流
  
• 處理效率

----在低功耗設(shè)計中，平均電流消耗往往決定電池壽命。例如，如果某個應(yīng)用采用額定電流為 400mAh 的 Eveready 高電量 9V 1222 型電池的話，要提供一年的電池壽命其平均電流消耗必須低于 400mAh/8760h，即45.7uA。圖 1 說明：應(yīng)用消耗的電流越大，所提供的壽命越短，同時仍然保持較低的平均電流消耗。

圖 1

----在使 MCU 能夠達(dá)到電流預(yù)算的所有功能中，斷電模式最重要。低功耗 MCU 具有可提供不同級別功能的斷電模式。例如，TI 超低功耗 MCU MSP430 系列產(chǎn)品可以提供 5 種斷電模式。低功耗模式 0 (LPM0) 會關(guān)閉 CPU，但是保持其他功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。LPM1 與 LPM2 模式在禁用功能列表中增加了各種時鐘功能。LPM3 是最常用的低功耗模式，只保持低頻率時鐘振蕩器以及采用該時鐘的外設(shè)運(yùn)行。LPM3 通常稱為實時時鐘模式，因為它允許定時器采用低功耗 32768Hz 時鐘源運(yùn)行，電流消耗低于 1uA，同時還可定期激活系統(tǒng)。最后，LPM4 完全關(guān)閉器件上的包括 RAM 存儲在內(nèi)的所有功能，電流消耗僅 100 毫微安。

----時鐘系統(tǒng)是MCU功耗的關(guān)鍵。應(yīng)用可以每秒多次或幾百次進(jìn)入與退出各種低功耗模式。進(jìn)入或退出低功耗模式以及快速處理數(shù)據(jù)的功能極為重要，因為 CPU會在等待時鐘穩(wěn)定下來期間浪費電流。大多低功耗 MCU 都具有即時啟動時鐘，其可以在不到 10～20us 時間內(nèi)為 CPU 準(zhǔn)備就緒。但是，重要的是要明白哪些時鐘是即時啟動、哪些非即時啟動的。某些 MCU 具有雙級時鐘激活功能，該功能在高頻時鐘穩(wěn)定化過程中提供一個低頻時鐘（通常為32768Hz），其可以達(dá)到 1 毫秒。CPU 在大約 15us 時間內(nèi)正常運(yùn)行，但是運(yùn)行頻率較低，效率也較低。如果 CPU 只需要執(zhí)行數(shù)量較少的指令的話，如：25 條，其需要 763us。CPU 低頻比高頻時消耗更少的電流，但是并不足于彌補(bǔ)處理時間的差異。相比而言，某些 MCU 在 6 微秒時間內(nèi)就可以為 CPU 提供高速時鐘，處理相同的 25 條指令僅需要大約 9us（6us 激活＋25 條指令′0.125us指令速率），而且可以實現(xiàn)即時啟動的高速串行通信。圖 2說明即時啟動的 8Mhz時鐘啟動的例子，其達(dá)到完全穩(wěn)定狀態(tài)僅需要 292us。

圖 2

----另外，如果 MCU 時鐘系統(tǒng)為外設(shè)提供多個時鐘源的話，當(dāng) CPU 處于睡眠狀態(tài)時外設(shè)仍然可以運(yùn)行。例如，一次 A/D 轉(zhuǎn)換可能需要一個高速時鐘。如果 MCU 時鐘系統(tǒng)提供獨立于 CPU 的高速時鐘，CPU 就可以在 A/D 轉(zhuǎn)換器運(yùn)行情況下進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而節(jié)省 CPU 耗流量。

----事件驅(qū)動功能與時鐘系統(tǒng)的靈活性并存。中斷會使 MCU 退出低功耗模式，因此，MCU 的中斷越多，其防止浪費電流的 CPU 輪詢與降低功耗的靈活性就越大。輪詢意味著進(jìn)行與不進(jìn)行功耗預(yù)算之間存在差異，因為它在等待出現(xiàn)事件時會浪費CPU 帶寬并需要額外電流。一個好的低功耗 MCU 應(yīng)具有充分的中斷功能，為其所有外設(shè)提供中斷，同時為外部事件提供眾多外部中斷。

----按鈕或鍵盤應(yīng)用可以證明外部中斷的優(yōu)勢。如果不具備中斷功能，MCU 必須頻繁輪詢鍵盤或按鈕，以確定其是否被按下。不僅輪詢自身會消耗功率，而且控制輪詢間隔也需要定時器，其會消耗附加電流。相比而言，在具備中斷情況下，CPU 可以在整個過程中保持睡眠狀態(tài)，只有按下按鈕時才激活。

----在選擇低功率 MCU 時，還需要考慮外設(shè)功耗與電源管理。某些低功率 MCU 僅僅是設(shè)計時不具備低利率功能的舊架構(gòu)的改進(jìn)版本。而有些 MCU 在設(shè)計時即具備低功耗特性，并在其外設(shè)中內(nèi)置了低功耗功能。一種特性是在需要時單獨啟動或關(guān)閉外設(shè)的能力，換言之，更重要的是自動啟動或關(guān)閉外設(shè)的能力。 A/D 轉(zhuǎn)換器就是一個例子，其在完成一次轉(zhuǎn)換后可以自動關(guān)閉。另外，某些 MCU 正在引入直接存儲器存取功能，其可以在無需 CPU 干預(yù)情況下自動處理數(shù)據(jù)。

----大多 MCU 具有集成的掉電保護(hù)功能，當(dāng)電源低于正常操作范圍時其可以復(fù)位 MCU。通常會提供啟動或關(guān)閉掉電保護(hù)以節(jié)省功耗的功能，但是必須在整個過程中都使掉電保護(hù)功能置于可用狀態(tài)，因為掉電是不可預(yù)測的。某些 MCU 需要70uA 的電流來實現(xiàn)掉電保護(hù)。在只需要 45uA 平均電流的應(yīng)用實例中很明顯可以不考慮這些 MCU。

----在選擇低功耗 MCU 期間有時會忽視漏電流，但是，在最苛刻的低功耗應(yīng)用中則必須考慮到漏電流。大多改進(jìn)后的低功耗 MCU 都具有 1uA 的限定輸入漏電流。在 20 輸入器件中，它可能會消耗 20uA！針對低功耗設(shè)計的最新 MCU 具有最高50nA 的漏電流。

----最后，我們常常會誤解 MCU 處理效率。大家通常會認(rèn)為 16 位 MCU 需要兩倍于 8 位 MCU 的內(nèi)存，但是一個 16 位架構(gòu)實際上需要比 8 位架構(gòu)要少一些的代碼，而 16 位 MCU 一般會更快速地執(zhí)行任務(wù)。例如，8 位 MCU 需要 CPU 開銷來管理具有 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)或需要 16 位計算的應(yīng)用中的數(shù)據(jù)。而且當(dāng)今許多MCU 產(chǎn)品都具有單個工作文件或累加器，其數(shù)據(jù)必須進(jìn)行傳輸，以便處理，因此，與基于寄存器的架構(gòu)相比需要額外的 CPU 開銷。表 1 說明在 16 位現(xiàn)代架構(gòu)與8 位 8051 架構(gòu)上傳輸 10 位 A/D 數(shù)據(jù)的指令。在采用 1Mhz 時鐘情況下，16 位器件需要 6us 進(jìn)行傳輸，而 8 位器件則需要 24us。

----選擇低功率 MCU 是一項耗時、棘手的工作。如果花費一些時間來了解可用產(chǎn)品選項的架構(gòu)特性，我們就能夠開發(fā)出能滿足最苛刻功率預(yù)算的設(shè)計。