節(jié)能MCU內(nèi)核可延長電池壽命

一節(jié)單電池可用20年

CR2032紐扣電池廣泛用于小型MCU(如遠(yuǎn)程環(huán)境傳感器)中，這是一種鋰/二氧化錳3V原電池。典型的供應(yīng)商，如柯達(dá)(參考文獻(xiàn)1)將其容量*為230mAh到2V的終點電壓能力為5.6k?(約為0.5mA)。如果是那樣的話，電池壽命將為400小時，相比之下，能源敏感的應(yīng)用可使使用壽命達(dá)到20萬小時。

圖1：人們期望新一代的計量產(chǎn)品能在二十年里工作無人看管。

這種特殊的電池具有很好的使用壽命或自放電率，數(shù)據(jù)表顯示10年之后其容量仍達(dá)90%。非常相似的是，這相當(dāng)于連續(xù)充電約0.25?A，如果能夠達(dá)到10到20年的電池壽命，那么它可以滿足應(yīng)用的一般要求。

伴隨電池壽命的是有限的電荷數(shù)，設(shè)計者必須在MCU運行的所有階段減少產(chǎn)品的電流和運行時間，不僅要減少每微安數(shù)，還要減少每個動作花費的每個微秒。

為減小深度睡眠模式下消耗的電流，在能源敏感應(yīng)用的MCU中采用8位(或16位)內(nèi)核已經(jīng)非常普遍。其理由是，8位內(nèi)核(即使是在這類設(shè)計中經(jīng)常采用的最新版本中)很小，門控相對較少，靜電電流或漏電流較低。但是，現(xiàn)在的許多應(yīng)用都需要比8位內(nèi)核所能提供的更大的處理能力。在其它MCU應(yīng)用領(lǐng)域，用戶往往選擇從8位升級到一個32位環(huán)境。在低功耗的情況下，人們一直先入為主地認(rèn)為32位內(nèi)核在其掉電模式狀態(tài)下使用的電流一定高得令人無法接受。隨著全套低功耗設(shè)計技術(shù)的出現(xiàn)，今天的IC設(shè)計工程師已經(jīng)可以用一個32位ARM內(nèi)核提供各種低功耗模式，效果與8位產(chǎn)品一樣甚至更好，而且還能實現(xiàn)快速喚醒。32位處理器更高的處理性能也使MCU可以更快完成任務(wù)，從而能夠有更多時間處于這些低功耗模式下，這可以進(jìn)一步降低平均功耗。

低功耗外圍設(shè)備功能

為實現(xiàn)盡可能低的功耗，優(yōu)化MCU睡眠狀態(tài)功耗需要整體的設(shè)計方法。除了內(nèi)核，MCU中的其它模塊在待機設(shè)備、穩(wěn)壓器、偏置電流發(fā)生器，欠壓檢測比較儀、上電復(fù)位電路中會繼續(xù)消耗電流。幾乎在任何情況下，一個簡單的折衷法則是：掉電狀態(tài)越久，就有越多外圍設(shè)備的功能被完全關(guān)斷，芯片準(zhǔn)備好實現(xiàn)處理任務(wù)的喚醒時間就越長。由于應(yīng)用之間差別很大，MCU設(shè)計工程師提供一種靈活的斷電狀態(tài)下的擴展套件就顯得很重要了，這樣產(chǎn)品設(shè)計人員就可以很好地為其項目進(jìn)行待機功率和響應(yīng)能力的折衷。

設(shè)計一個在nanoamp區(qū)獲得最深度睡眠狀態(tài)電流水平的ARM內(nèi)核只是低能源戰(zhàn)略的一個步驟。能夠獲得32位內(nèi)核的處理能力為管理能源的利用開辟了新途徑。在任何時候，它是MCU供電圖下面的區(qū)域，隨著時間的推移，它表示從電池里取走的電荷(圖2)。

圖2：節(jié)能MCU內(nèi)核通過完整的喚醒/工作/回到睡眠周期在多個不同區(qū)域節(jié)省能源。

灰色區(qū)域表示相比8位內(nèi)核，一個性能更強大的32位內(nèi)核在更短周期內(nèi)完成任務(wù)所節(jié)省的能量。

就是這樣，在具體配置中電流消耗的數(shù)字越大，設(shè)計人員就必須更密切注意要最大限度地延長電池的使用壽命。在EFM32微控制器的開發(fā)工具包中，這種測量是很清楚的，這個工具包的基本功能部分是先進(jìn)能源.(圖3)。該設(shè)備不斷測量給MCU內(nèi)核供電的電壓軌下的電流。用一個從模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)通過電阻器采集電壓，而開發(fā)工具包軟件集成其讀數(shù)來精確測量不同時間的功率。

圖3：EnergyMICRO的先進(jìn)能源.。相比性能更低的MCU，一個32位的內(nèi)核將花更少的時間去主動完成一項相同的任務(wù)，同時，該內(nèi)核在運行時消耗的功率也應(yīng)盡可能低。專注于低功耗的IC設(shè)計工程師能夠獲得許多設(shè)計細(xì)節(jié)來實現(xiàn)其目標(biāo)。這樣的例子包括針對所有芯片同步邏輯優(yōu)化時鐘門控結(jié)構(gòu)，以及組織總線系統(tǒng)和內(nèi)存(SRAM和閃存)以在任何特定處理中盡可能減少位跳變。采用全套低功耗設(shè)計方法會在閃存中產(chǎn)生一個運行典型代碼的ARMCortex-M3內(nèi)核，而僅需用到低至180μA/MHz的能量。小心使用這些相同的技術(shù)可以確保其數(shù)字測量準(zhǔn)確，獲得低時鐘速率，而不僅僅是一個最佳性能數(shù)字。

一旦MCU被喚醒并執(zhí)行應(yīng)用代碼，M3內(nèi)核使用Thumb2指令集也有助于減少“活躍時間”。利用這樣的緊湊型16位指令的雙取指令功能，Thumb2ISA的效率非常高。

在減少電流×微秒(current-times-MICROseconds)產(chǎn)品時，MCU設(shè)計工程師需要部署更多策略。其中一個是不僅減少內(nèi)核在實際處理應(yīng)用代碼時所花的時間，而且還要縮短喚醒刺激之間的創(chuàng)建(ramp-up)時間(無論是定時生成或事件驅(qū)動)，并且CPU正在準(zhǔn)備做“真正的工作”。一種途徑是最大限度