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突破電路設(shè)計(jì)桎梏 32位元MCU功耗再降

作者: 時間:2013-12-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
待機(jī)電流1微安培的規(guī)格,代表數(shù)位電路漏電+隨機(jī)存取記憶體(RAM)保持電流+LDO工作電流+降壓偵測或重置電路(BOD)工作電流總和必須小于1微安培,對于快閃記憶體、RAM越來越大,及功能越來越多的低功耗MCU設(shè)計(jì)廠商而言,是十分艱鉅的挑戰(zhàn)。

  運(yùn)行、待機(jī)和喚醒時間不容忽視

  在系統(tǒng)級要兼顧低功耗及高效能,必須考慮實(shí)際應(yīng)用面的需求,如無線環(huán)境感測器可能讓MCU主時脈及CPU關(guān)閉,只開啟低頻時脈,定時喚醒周邊電路進(jìn)行偵測;當(dāng)符合設(shè)定條件的事件發(fā)生時,快速啟動CPU進(jìn)行處理;即使沒有任何事件發(fā)生,也必須定時喚醒CPU,維持無線感測器網(wǎng)路的連線。

  在遙控器的應(yīng)用中,則可能完全將所有時脈源都關(guān)閉,當(dāng)使用者按鍵時,快速喚醒時脈源及CPU進(jìn)行處理。另外,許多應(yīng)用都會加入一個MCU做為主處理器的輔助處理器,用于監(jiān)控鍵盤或紅外線輸入、刷新顯示器、控制主處理器電源及智慧電池管理等任務(wù)。此時,平均功耗比單純的運(yùn)行功耗或待機(jī)功耗,更具指標(biāo)性意義。

  平均功耗由運(yùn)行功耗和運(yùn)行時間、靜態(tài)功耗和待機(jī)時間,以及不同運(yùn)行模式之間的切換時間等主要參數(shù)組合而成。茲以圖1進(jìn)行說明。

  突破電路設(shè)計(jì)桎梏 32位元MCU功耗再降

  圖1 不同運(yùn)行時間電流大小的變化

  平均電流(IAVG)=(I1xT1+I2xT2+I3xT3+I4xT4+I5xT5+I6xT6)/(T1+T2+T3+T4+T5+T6)

  因?yàn)檫M(jìn)入待機(jī)模式時間很短,忽略此段時間的電流消耗,公式可以簡化為:

  平均電流(IAVG)=(I1xT1+I3x 3+I4xT4+I5xT5+I6xT6)/(T1+T3+T4+T5+T6)

  由以上公式觀察到,除了降低運(yùn)行電流及靜態(tài)待機(jī)電流外,降低運(yùn)行時間、喚醒時間及高低速運(yùn)行模式切換時間,亦為降低整機(jī)功耗的重要手段。另外,圖1同時指出,低功耗MCU支援動態(tài)切換運(yùn)行時脈頻率是必要的功能。

  實(shí)現(xiàn)低功耗MCU設(shè)計(jì) 開發(fā)商考量須面面俱到

  低功耗MCU設(shè)計(jì)考量包括制程選擇、低功耗/高效能CPU核心、低功耗數(shù)位電路、支援多種工作模式、電源系統(tǒng)、豐富的喚醒機(jī)制/快速喚醒時間、低功耗類比周邊與記憶體等,以下將進(jìn)一步說明之。

  制程選擇至關(guān)重要

  為了達(dá)到低功耗的運(yùn)作,并能有效地在低耗電待機(jī)模式下,達(dá)到極低的待機(jī)功耗,制程的選擇極為重要。在不強(qiáng)調(diào)速度極致的某些制程分類,選擇極低元件截止電流制程(圖2)進(jìn)行邏輯閘制作,并進(jìn)行數(shù)位設(shè)計(jì)是方法之一。

  突破電路設(shè)計(jì)桎梏 32位元MCU功耗再降

  圖2 不同制程元件截止和晶片待機(jī)電流變化

  選擇這種策略的額外效益是,通常也能降低動態(tài)操作電流,達(dá)到較佳的表現(xiàn)。另外,由于高溫大幅增加靜態(tài)電流,當(dāng)溫度由攝氏25度增加到攝氏85度時,一個典型比例約增加十倍的靜態(tài)電流。以非低功耗0.18微米制程,開發(fā)邏輯閥門數(shù)200K、4KB SRAM的MCU為例,在核心電壓1.8伏特、攝氏25度的靜態(tài)耗電約為5?10微安培;當(dāng)溫度升高到攝氏85度時,靜待電流將會飆高到50~100微安培;而若采用低功耗制程,在攝氏85度時,靜態(tài)電流僅約10微安培。



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