突破電路設(shè)計桎梏 32位元MCU功耗再降
運行、待機和喚醒時間不容忽視
在系統(tǒng)級要兼顧低功耗及高效能,必須考慮實際應用面的需求,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行偵測;當符合設(shè)定條件的事件發(fā)生時,快速啟動CPU進行處理;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。
在遙控器的應用中,則可能完全將所有時脈源都關(guān)閉,當使用者按鍵時,快速喚醒時脈源及CPU進行處理。另外,許多應用都會加入一個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。此時,平均功耗比單純的運行功耗或待機功耗,更具指標性意義。
平均功耗由運行功耗和運行時間、靜態(tài)功耗和待機時間,以及不同運行模式之間的切換時間等主要參數(shù)組合而成。茲以圖1進行說明。
圖1 不同運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)
因為進入待機模式時間很短,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,除了降低運行電流及靜態(tài)待機電流外,降低運行時間、喚醒時間及高低速運行模式切換時間,亦為降低整機功耗的重要手段。另外,圖1同時指出,低功耗MCU支援動態(tài)切換運行時脈頻率是必要的功能。
實現(xiàn)低功耗MCU設(shè)計 開發(fā)商考量須面面俱到
低功耗MCU設(shè)計考量包括制程選擇、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)、豐富的喚醒機制/快速喚醒時間、低功耗類比周邊與記憶體等,以下將進一步說明之。
制程選擇至關(guān)重要
為了達到低功耗的運作,并能有效地在低耗電待機模式下,達到極低的待機功耗,制程的選擇極為重要。在不強調(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)進行邏輯閘制作,并進行數(shù)位設(shè)計是方法之一。
圖2 不同制程元件截止和晶片待機電流變化
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,達到較佳的表現(xiàn)。另外,由于高溫大幅增加靜態(tài)電流,當溫度由攝氏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32位元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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