優(yōu)化面向超低功耗設(shè)計的微控制器功效

低功率欠壓檢測(Brown-Out Detection, BOD)：雖然零功率欠壓檢測器不會消耗功率，但它們的響應(yīng)速度也很慢，可能需要足足一毫秒的時間來檢測閾值以下的電壓，這就給MCU帶來了風(fēng)險。相反地，“睡眠BOD”卻能夠在2微秒內(nèi)檢測出欠壓情況，而耗電量只有20uA。由于MCU在深睡眠模式下無需欠壓保護，這時可關(guān)斷睡眠BOD，并達致零功耗。采用這種方法，開發(fā)人員便能夠同時實現(xiàn)低功耗和快速響應(yīng)。

數(shù)字輸入中斷寄存器(DIDR): 外設(shè)(比如ADC)的多路輸入，可以提高小引腳數(shù)目器件的設(shè)計靈活性。不過，在加載Vcc/2范圍內(nèi)的電壓時，含有輸入緩沖器的晶體管將出現(xiàn)電流泄漏。這時，若使用專門的輸入中斷寄存器，在每一個模擬輸入中加入一個禁止位，開發(fā)人員便可以單獨禁止輸入緩沖器，避免泄漏的發(fā)生。

時鐘門控：時鐘門控技術(shù)可以降低任何時鐘域的切換頻率。任何沒有使用的時鐘都可以進行門控，從而避免無謂的功耗。

省電寄存器：雖然多種睡眠模式可簡化功率管理，但它們往往只能夠啟動或關(guān)斷整個外設(shè)部分。這樣，即使只使用一個外設(shè)，其它的外設(shè)也必須處于工作狀態(tài)下。省電寄存器(Power Reduction Register)可讓開發(fā)人員能夠完全單獨控制各個外設(shè)模塊的開關(guān)。在工作模式下禁用某個外設(shè)模塊可以降低5-10%的總功耗；在閑置模式下則可節(jié)省10-20%。

閃存采樣：傳統(tǒng)的閃存設(shè)計是要在工作模式下維持激活狀態(tài)。然而，在時鐘速率較低時，閃存讀取時間將小于時鐘周期。閃存采樣技術(shù)就是讓閃存以10ns數(shù)量級的速度對陣列內(nèi)容進行采樣，然后立即禁用，從而降低平均功耗。

快速喚醒：如果系統(tǒng)被喚醒速度很慢，就不得不以更長時間處于工作模式下，以適應(yīng)更長的延時，防止實時事件處理的中斷。換言之，MCU被喚醒的速度越快，它停留在睡眠模式下的時間就越長。

如何選擇超低功耗/超低電壓MCU

在評估不同的超低功率MCU規(guī)格時，開發(fā)人員必須頭腦清醒，從而確保等效測量結(jié)果的比較。例如，應(yīng)該考慮到：

? 某個范圍內(nèi)的效率：效率規(guī)格通常是根據(jù)MCU的最佳測量(最佳點)結(jié)果而不是負(fù)載電流電壓上的結(jié)果給出。某個應(yīng)用的典型工作范圍可能使其位于較低效率的曲線上。此外，效率必須在電池的整個電壓降范圍上進行估算。

? 電池的安全工作范圍：雖然MCU的耗電量也許相當(dāng)小，但如果無法足夠精確地測量電壓和溫度，那么電池限值就可能被超過，導(dǎo)致電池受損及使用時間縮短。在確定設(shè)備可安全使用的電池能量時，精度是一個關(guān)鍵因素。

? 調(diào)節(jié)器低效：無升壓調(diào)節(jié)器的MCU有更高的效率規(guī)格，因為轉(zhuǎn)換損耗隱藏在外部調(diào)節(jié)器中。此外，在單電池設(shè)計中，如果MCU沒有集成調(diào)節(jié)器，切記把外部升壓調(diào)節(jié)器的成本和設(shè)計復(fù)雜性考慮在內(nèi)。

? 設(shè)備整個使用范圍內(nèi)的效率：在驅(qū)動大電流時，MCU的效率可能很高，但除非它有多個工作模式，否則在驅(qū)動低電流時，它的效率會很低。因此，如果應(yīng)用并非經(jīng)常需要大電流能力，總體效率便會降低。

? 規(guī)格是利用單個還是多個電池測得：某些MCU規(guī)格會隨著所用電池的數(shù)量而改變。例如，如果有多個電池，便可以避過使用內(nèi)部升壓調(diào)節(jié)器，從而提高效率。反之，在只使用單個電池時，利用多個電池獲得的各種規(guī)格(比如喚醒時間)可能會降低。

? 開發(fā)環(huán)境的成熟度：實現(xiàn)超低功率需要架構(gòu)層的創(chuàng)新?；谌录軜?gòu)的超低功率MCU常常最多只能提供仍在開發(fā)中的有限設(shè)計工具。由于軟件開發(fā)是最重要的成本因素之一，設(shè)計工具的穩(wěn)定性、完整性和功能性，在幫助開發(fā)人員有效地管理功耗，以及快速把產(chǎn)品推向市場時發(fā)揮了舉足輕重的作用。

圖5. 利用STK600和ATtinyx3U頂層模塊等演示工具套件，開發(fā)人員可測量實際工作條件下的功效。這些工具套件讓開發(fā)人員能夠全面使用ATtiny43U的功能和Ateml豐富成熟的開發(fā)工具套件來測試單電池工作，獲得高亮度LED的功率曲線，調(diào)節(jié)功率閾值，從而在安全范圍內(nèi)充分利用電池的最大容量。

確定MCU功耗如何“超低”的方法之一，是自己對其進行測量。演示工具套件(Demo Kits)為測試MCU在實際工作條件下的效率以及利用其功能集提供了行之有效的手段。例如，只要把ATtinyx3U頂層模塊(top module) 連接在STK600開發(fā)板上，開發(fā)人員便能夠全面使用ATtiny43U的功能和Atmel全面的開發(fā)工具套件(見圖5)。利用該模塊，開發(fā)人員可以測試單電池工作的限值，在直接驅(qū)動高亮LED的同時設(shè)定功耗輪廓，以及驅(qū)動集成式升壓調(diào)節(jié)器的自動關(guān)斷和上電功能，以調(diào)節(jié)功率閾值，在安全范圍內(nèi)充分利用電池的最大容量。

小結(jié)

單電池設(shè)計無需備用電池載荷，而備用電池往往正是超低功率系統(tǒng)中最重和體積最大的組件。集成了片上調(diào)節(jié)器并具有可配置模式的MCU ，可以有效彌補MCU的極小電源電壓和標(biāo)準(zhǔn)單電池技術(shù)的典型輸出電壓之間的差距，使開發(fā)人員得以把已有負(fù)載條件及電池電壓下的功耗降至最小。只需一個電池，無需外部調(diào)節(jié)器，憑借低至0.7V的電池耗電能力，以及用于LED和小型電機的大電流能力，設(shè)計人員便能夠以最低的成本、絕對超低的功耗設(shè)計出緊湊型的電池供電設(shè)備。