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利用先進MCU的新低功耗模式

作者: 時間:2016-12-02 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
盡管“綠色”與產(chǎn)品名稱結(jié)合在一起已成為表示低功耗的公認符號,但低功耗的準(zhǔn)確含義卻并未被經(jīng)常表述。

低功耗MCU的要求會隨著應(yīng)用以及應(yīng)用中使用MCU的方式的不同而有所變化。例如,在電池供電的恒溫器應(yīng)用中,低功耗主要由器件能夠驅(qū)動LCD顯示屏的最低功耗模式定義,在這種情況下,降低功耗會延長電池的使用壽命。在其他低功耗應(yīng)用(如電表)中,低功耗是指系統(tǒng)在運行期間消耗的工作電流。第三類系統(tǒng)是需要保持時間的系統(tǒng),而不管系統(tǒng)的主電源是否存在。停電期間的電表就是第三類系統(tǒng)的一個例子。由于各種應(yīng)用的要求不盡相同,具有更加靈活的功耗模式的MCU允許設(shè)計人員進一步定制系統(tǒng)操作。

在過去,MCU的工作模式用于器件操作;空閑和打盹模式可降低或消除CPU開關(guān)功率,同時允許外設(shè)運行;休眠模式允許以最低功耗運行有限的外設(shè)。隨著當(dāng)今的高級MCU轉(zhuǎn)向更高級的硅工藝(可將系統(tǒng)成本降至最低并減小工作電流),一些新的低功耗模式正在增加,以提高MCU的靈活性。我們將通過觀察當(dāng)今高級MCU中某些新型低功耗模式在各種應(yīng)用中的使用來對其進行探究。

我們將使用電池壽命估算器(BLE)軟件工具和16位MCU對不同應(yīng)用中實現(xiàn)的各種功耗模式進行比較。Microchip的BLE是免費的軟件工具,允許設(shè)計人員估算系統(tǒng)的電池壽命,并確定哪種可用的工作模式最適合其應(yīng)用。PIC24FJ128GA310 MCU系列提供了一些新的低功耗模式,其LCD顯示驅(qū)動器在如下一些示例中可發(fā)揮良好的作用。

多種應(yīng)用需要低功耗MCU

恒溫器已變得更加復(fù)雜,需要顯示更多信息并覆蓋多個地區(qū)。因此,通常需要大量片上閃存程序存儲器來存儲以多種語言顯示的復(fù)雜菜單。

通常來說,需要采用高級工藝才能生產(chǎn)出價格具有競爭力的大存儲器MCU。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,晶體管的工作電流減少而泄漏電流增加正成為趨勢。泄漏電流增加在低功耗模式(如休眠模式)的電流規(guī)范中最為明顯。高級MCU上的休眠電流通常在3至5?A的范圍內(nèi),而典型恒溫器應(yīng)用的大多數(shù)時間只是用來驅(qū)動分段式LCD顯示屏。通常在休眠模式下驅(qū)動分段式LCD顯示屏,該模式允許某些外設(shè)(本例中為LCD驅(qū)動器)在CPU和大多數(shù)外設(shè)掉電時運行。恒溫器必須被定期喚醒并進入工作模式,讀取溫度、更新顯示屏,可能還要發(fā)信號使火爐、風(fēng)扇或空調(diào)裝置開啟。然而,99%以上的時間僅需要休眠模式。由于大量時間處于休眠模式,因此改善休眠電流就能大幅增加系統(tǒng)的電池使用壽命。

新型低功耗模式

為了使MCU具有亞?A級的功耗模式,許多供應(yīng)商引入了新的低功耗深度休眠模式。典型的深度休眠電流在10至50nA的范圍內(nèi),這些器件運行實時時鐘日歷(RTCC)時會增加400nA的電流。通過關(guān)閉整個器件而僅保留少量存儲器、實時時鐘(或許還有看門狗定時器),可實現(xiàn)極低電流。但是,這些深度休眠模式不允許外設(shè)運行或保持器件上的數(shù)據(jù)RAM。當(dāng)器件從深度休眠中喚醒時,如果RAM內(nèi)容丟失,則器件需要執(zhí)行重啟例程,然后才能恢復(fù)程序執(zhí)行。

新的低功耗模式(如低電壓休眠模式)能以典型值為330nA的基電流保持器件的數(shù)據(jù)RAM,并允許運行額外的低功耗外設(shè)。此低電壓休眠模式會保持器件的RAM,并通過減少器件的片上穩(wěn)壓器輸出來降低休眠電流。通過降低送入器件邏輯的電源電壓并限制工作外設(shè),MCU的休眠電流可從3.7?A降至330nA。在這種類型的MCU休眠模式下,LCD驅(qū)動器、定時器和RTCC等外設(shè)仍可運行,且僅增加極小的電流。器件從低電壓休眠模式恢復(fù)到工作狀態(tài)的時間不到從深度休眠喚醒的時間的一半。器件隨后從下一條指令開始執(zhí)行,而不是深度休眠模式喚醒通常需要的從重啟序列開始。


圖1:電池壽命估算器工具主屏幕

如圖1所示,電池壽命估算器工具的主屏幕顯示了MCU及其工作電壓、電池和工作模式。恒溫器模型的電池壽命估算結(jié)果為11年零88天。

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