設(shè)計(jì)低功耗MCU并不容易,也沒有為您的特定嵌入式設(shè)計(jì)選擇合適的MCU。許多特定于應(yīng)用的注意事項(xiàng)都會(huì)起到作用,這使得比較MCU規(guī)格表具有挑戰(zhàn)性。本文分析了在分析競爭性MCU替代品的電源效率時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。節(jié)約能源有利于環(huán)境,更容易在錢包上使用。提高能效的無數(shù)好處已被充分證明:降低消費(fèi)者的電費(fèi),降低公用事業(yè)的負(fù)擔(dān),降低電子產(chǎn)品的擁有成本,減少垃圾填埋場丟棄的廢舊電池。
隨著電子設(shè)備的使用滲透幾乎我們生活的每個(gè)方面,降低功耗必須從半導(dǎo)體層面開始。在芯片級(jí)設(shè)計(jì)的節(jié)能技術(shù)具有深遠(yuǎn)的影響。對(duì)于作為當(dāng)今大多數(shù)電子設(shè)備背后的智能引擎的微控制器(MCU)而言尤其如此。從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來看,確定哪些MCU真正“低功耗”的挑戰(zhàn)需要設(shè)計(jì)人員瀏覽各種半導(dǎo)體供應(yīng)商提出的無數(shù)要求。由于供應(yīng)商使用的指標(biāo)不同(通常是令人困惑的),這不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)。
讓我們仔細(xì)研究在分析競爭性MCU備選方案的功效時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。
在基本級(jí)別,MCU功耗可以定義為以下總和:
總功耗=活動(dòng)模式功率+待機(jī)(休眠)模式功率
但是,要記住的另一個(gè)重要指標(biāo)是MCU從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活動(dòng)狀態(tài)所需的時(shí)間。由于MCU在所有數(shù)字和模擬組件完全穩(wěn)定且可操作之前無法進(jìn)行任何有用的處理,因此在計(jì)算總功耗時(shí)添加此(浪費(fèi))功率非常重要:
總功耗=活動(dòng)模式功率+待機(jī)(睡眠)模式電源+喚醒功率
圖1.
由于每個(gè)應(yīng)用程序都不同,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員傾向于比其他應(yīng)用程序更重視這些元素。例如,某些應(yīng)用,例如水表,大部分時(shí)間都處于待機(jī)狀態(tài),因此很明顯,它們的長占空比需要非常低的待機(jī)功耗。其他應(yīng)用程序(如數(shù)據(jù)記錄器)經(jīng)常進(jìn)入和退出活動(dòng)狀態(tài),因此限制喚醒轉(zhuǎn)換模式所花費(fèi)的時(shí)間至關(guān)重要。然而,開發(fā)引人注目的MCU解決方案的供應(yīng)商不會(huì)試圖猜測這些指標(biāo)中哪一個(gè)是最重要的,而是將從頭開始設(shè)計(jì)一個(gè)解決方案,專注于最小化該等式的每個(gè)部分。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),需要強(qiáng)大的混合信號(hào)專業(yè)知識(shí),以解決在模擬和數(shù)字域中最小化功耗所必需的架構(gòu)級(jí)和電路級(jí)挑戰(zhàn)。對(duì)這些變量進(jìn)行簡短討論將有助于突出系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在嘗試為其應(yīng)用選擇最佳MCU解決方案時(shí)需要注意的問題類型。
Active Mode Current
對(duì)于CMOS邏輯門,動(dòng)態(tài)功耗可以使用以下眾所周知的公式重寫:
有源模式功率= C x V2 xf
其中C是負(fù)載電容,V是電源電壓,f是開關(guān)頻率。 BR》電容項(xiàng)是所用設(shè)計(jì)和處理技術(shù)的函數(shù),頻率項(xiàng)是應(yīng)用程序處理要求的函數(shù)。但是,如前面的等式所示,電源電壓對(duì)MCU消耗的總功率有不成比例的影響。因此,通過向MCU電路提供低得多的穩(wěn)定電源電壓,為MCU設(shè)計(jì)增加電壓調(diào)節(jié)可以顯著節(jié)省功耗模式。開關(guān)型轉(zhuǎn)換器可能是一種可能的解決方案,但它們最適合需要大電壓轉(zhuǎn)換比的穩(wěn)壓器環(huán)境。但是,對(duì)于平均電壓轉(zhuǎn)換率較小(電池壽命結(jié)束時(shí)接近1:1)的電池類應(yīng)用,更好的解決方案是添加片上低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器因?yàn)樗梢蕴峁┛山邮艿男剩覐?fù)雜性和成本低于開關(guān)解決方案。為了說明使用LDO穩(wěn)壓器的好處,重新闡述CMOS動(dòng)態(tài)功率公式是有幫助的:
有源模式功率= C x V2 xf
= V x(C x V xf)
= V x I,其中動(dòng)態(tài)電流I = C x V xf
通常將動(dòng)態(tài)電流歸一化為1MHz的頻率和特定的電源電壓。例如,最近推出的一款超低功耗MCU在1.8 V時(shí)的動(dòng)態(tài)電流消耗為每MHz160μA。如果沒有電源調(diào)節(jié),該指標(biāo)將增加到(160)x(3.2/1.8)=284μA/MHz時(shí)電源電壓為3.2 V.使用LDO時(shí),電池電流將在整個(gè)電源范圍內(nèi)保持固定為每MHz160μA。
可以看出,這種先進(jìn)的電源架構(gòu)可用于維持恒定的有功電流完整的工作電壓范圍,可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員大幅節(jié)省功耗。因此,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度來看,確定在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)工作時(shí)的MCU電流消耗非常重要 - 而不僅僅是MCU供應(yīng)商通常引用的1.8 V最低工作條件。引用一個(gè)過于樂觀的電流數(shù)字,假設(shè)任何低于典型的電壓供應(yīng),并不能準(zhǔn)確反映應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)世界中的使用方式。例如,在2 x AA/AAA和紐扣電池應(yīng)用中,電池最常接近3 V初始電壓工作,因此引用的1.8 V規(guī)格可能是欺騙性的,因?yàn)閺倪@個(gè)角度來看,大多數(shù)MCU都會(huì)消耗掉功耗比通常引用的功率多50%。
圖2.
此外,由于功耗與開關(guān)頻率成正比,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須將引用的電流數(shù)歸一化到電流/MHz。通過結(jié)合這兩個(gè)因素,可以根據(jù)以下指標(biāo)對(duì)MCU進(jìn)行并排比較:
電流消耗/MHz @ 3 V
當(dāng)真正有意義的值是指令時(shí)鐘速度時(shí),一些供應(yīng)商會(huì)試圖通過將“MHz”等同于系統(tǒng)時(shí)鐘速度來混淆問題。這是欺騙性的,因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘速度可以以其實(shí)際指令速度的兩倍(或更多)運(yùn)行,從而使其有效功耗加倍(或更多)。因此,確保所有內(nèi)容都符合指令時(shí)鐘速度是很重要的。通過這樣做,并通過使用典型的電源電壓,可以正確地推導(dǎo)出實(shí)際的有源模式電流消耗預(yù)算。容-源-電-子-網(wǎng)-為你提供技術(shù)支持
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