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節(jié)能MCU內(nèi)核可延長電池壽命

作者: 時間:2014-01-11 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
地減少與時鐘信號供應(yīng)相關(guān)的啟動時間。眾所周知,當(dāng)一個晶體振蕩器從關(guān)閉狀態(tài)中啟動時,在作為一個系統(tǒng)時鐘使用之前,它需要一些時間來穩(wěn)定其輸出。相反,一個RC振蕩器作為MCU必須完成的所有任務(wù)的時基可能不夠準確,但它會在開機后的幾乎一瞬間產(chǎn)生有規(guī)則的輸出。部分解決方案是縮短同時提供信號的時間。CPU在開機上電的同時就開始運行,由RC振蕩器進行計時,而小型控制電路一旦穩(wěn)定下來就將時鐘源傳到一個晶體振蕩器上。RC振蕩器輸出中任何頻率精度不夠都不重要,因為使用它的周期相對較短。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/227046.htm

簡單任務(wù)無需MCU

盡管設(shè)計工程師非常小心地為一個高性能處理提供電源,并且在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)了這個目標,但芯片設(shè)計師或系統(tǒng)設(shè)計師有必要問問給定任務(wù)是否需要這樣的內(nèi)核,即如果喚醒它只是執(zhí)行簡單任務(wù)的話,即使是最節(jié)能的內(nèi)核也會浪費電池的電荷。我們再用環(huán)境傳感器的應(yīng)用作個例子,它可能需要定期測量,但只需在不頻繁的時間間隔內(nèi)將測量結(jié)果報告到中央數(shù)據(jù)記錄器中。運行通信接口的軟件堆棧一定會要求喚醒MCU內(nèi)核,但這會更頻繁地打開模數(shù)轉(zhuǎn)換器,指揮A/D轉(zhuǎn)換,并以低功耗內(nèi)存積累結(jié)果。如果只要求外圍設(shè)備設(shè)置在互連矩陣(圖4)控制下自主運行的話,消耗的功率會更少。由于應(yīng)用的差別很大,能夠靈活地選擇哪些功能模塊來供電以及它們?nèi)绾瓮ㄐ艑Τ浞掷眠@一概念非常重要。

圖4:使用一個互連矩陣或“外圍設(shè)備反射系統(tǒng)”可以執(zhí)行簡單的任務(wù)。在電源預(yù)算中加密

眾所周知,在現(xiàn)代CMOS半導(dǎo)體工藝中,為硬連接塊IC增加功能的硅區(qū)成本相對較低。這產(chǎn)生了與直覺略微不一致的結(jié)果,為了把功耗降到最低,最有效的選擇往往是增加門控數(shù)。利用先進的時鐘樹設(shè)計、時鐘門控和片上電源開關(guān)等技術(shù),IC設(shè)計工程師可以隨時輕松地完全關(guān)斷不需要的功能。這種方法的一個突出功能就是加密。即使是看似平常的數(shù)據(jù)現(xiàn)在也通過例行的加密來保證安全,通常采用被稱為AES的算法。這對一個32位MCU內(nèi)核而言不是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),但它確實占用了大量的處理器周期,延長了總的微安×微秒(MICROamps-times-MICROseconds)。這些周期中的大多數(shù)花在了執(zhí)行算法中的一些內(nèi)部循環(huán)計算上,增加一個AES加速器硬件模塊可使MCU停止AES算法,轉(zhuǎn)向?qū)S糜布?,MCU繼續(xù)進行其他處理,并以更少的周期得到加密(或解密)結(jié)果。

迅速擴展的能源敏感應(yīng)用類別(由少數(shù)高端類別如智能電能計量領(lǐng)導(dǎo))重新定義了用電池驅(qū)動一個產(chǎn)品的意義。這些產(chǎn)品必須在單電池的驅(qū)動下提供服務(wù),這一時間與電池本身的有效期一致,并與電池制造商規(guī)定的最大時間間隔(長達甚至超過20年)一致。只有一個高度集成的單芯片微控制器能為這樣的設(shè)計提供一個現(xiàn)實的解決辦法。

IC設(shè)計工程師十分注重低功耗芯片設(shè)計的每個方面,這樣的IC架構(gòu)現(xiàn)在可以提供現(xiàn)代、功能強大的32位處理器內(nèi)核給產(chǎn)品設(shè)計工程師,同時盡可能地降低了功率要求。

小結(jié)

在設(shè)計電池供電產(chǎn)品時,人們顯然希望盡可能長些。能源敏感的產(chǎn)品應(yīng)用大致分為能源計量系統(tǒng)、家庭與樓宇自動化、安全和醫(yī)療系統(tǒng)(圖1)。這些產(chǎn)品通常會圍繞一個微控制器(MCU),必須用單個原電池工作很長時間。在某些應(yīng)用中,更換電池很困難甚至是不可能的,即使在其它普通應(yīng)用中,用戶也不大愿意支付更換電池的成本。

這類應(yīng)用中采用的是在極低占空比下工作的微處理器,它在“深度睡眠”狀態(tài)下的時間可能占了99%甚至更高(達到99.9%也不罕見)。微處理器在一個周期循環(huán)或在回應(yīng)某些刺激時被“喚醒”來執(zhí)行操作,并返回到睡眠狀態(tài)中。由于它們花了如此多時間在睡眠狀態(tài),很明顯,獲得更長的關(guān)鍵是在掉電狀態(tài)下的電流消耗。不過,同一節(jié)電池的使用壽命為3或4年與超過10年、延至20年甚至更長之間的區(qū)別在于,要密切注意這個任務(wù)如何使用MCU資源的各個方面,以及MCU本身是如何設(shè)計成以各種方式減少能耗的。


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