32位元MCU功耗再降
时,平均功耗比单纯的运行功耗或待机功耗,更具指标性意义。
平均功耗由运行功耗和运行时间、静态功耗和待机时间,以及不同运行模式之间的切换时间等主要参数组合而成。兹以图1进行说明。
图1 不同运行时间电流大小的变化
平均电流(IAVG)=(I1xT1+I2xT2+I3xT3+I4xT4+I5xT5+I6xT6)/(T1+T2+T3+T4+T5+T6)
因为进入待机模式时间很短,忽略此段时间的电流消耗,公式可以简化为:
平均电流(IAVG)=(I1xT1+I3x 3+I4xT4+I5xT5+I6xT6)/(T1+T3+T4+T5+T6)
由以上公式观察到,除了降低运行电流及静态待机电流外,降低运行时间、唤醒时间及高低速运行模式切换时间,亦为降低整机功耗的重要手段。另外,图1同时指出,低功耗MCU支援动态切换运行时脉频率是必要的功能。
实现低功耗MCU设计 开发商考量须面面俱到
低功耗MCU设计考量包括制程选择、低功耗/高效能CPU核心、低功耗数位电路、支援多种工作模式、电源系统、丰富的唤醒机制/快速唤醒时间、低功耗类比周边与记忆体等,以下将进一步说明之。
制程选择至关重要
为了达到低功耗的运作,并能有效地在低耗电待机模式下,达到极低的待机功耗,制程的选择极为重要。在不强调速度极致的某些制程分类,选择极低元件截止电流制程(图2)进行逻辑闸制作,并进行数位设计是方法之一。
图2 不同制程元件截止和晶片待机电流变化
选择这种策略的额外效益是,通常也能降低动态操作电流,达到较佳的表现。另外,由于高温大幅增加静态电流,当温度由摄氏25度增加到摄氏85度时,一个典型比例约增加十倍的静态电流。以非低功耗0.18微米制程,开发逻辑阀门数200K、4KB SRAM的32位元MCU为例,在核心电压1.8伏特、摄氏25度的静态耗电约为5?10微安培;当温度升高到摄氏85度时,静待电流将会飙高到50~100微安培;而若采用低功耗制程,在摄氏85度时,静态电流仅约10微安培。
选用低功耗/高效能的CPU内核
早期低功耗MCU受限于成本及制程技术,大都选择8位元CPU内核,但随着工业智慧化的发展,导致产品功能更加复杂,运算量更高,8位元MCU已逐渐无法满足效能需求;为了兼顾低功耗高效能,选择适用的32位元CPU内核乃大势所趋。
选择低功耗CPU内核,除了单位频率耗电流外,还须要综合考量小容量的低记忆体代码,相同功能所需的代码越长,除了增加记忆体成本,也代表更长的运行时间及功耗。另外,由于软体开发成本在后期将会越来越高,大量的参考代码及更多的第三方开发商的支持,均可有效降低软体的开发时间及成本。也因此,选择一款更多人使用的CPU内核也是重要的考量之一。
控制数位电路时脉
对于一般的同步数位电路设计,要使数位单元有效降低操作电流,透过控制时脉的频率或截止不需要的时脉跳动,也是重要的方法。低功耗MCU通常配备丰富的时脉控制单元,可对个别的数位周边单元,依照需求做降频或升频的操作调整,在达到运作能力的同时,用最低的频率来运行。但为了达到更弹性的时脉配置,可能导致CPU内核和周边电路时脉不同步的现象,此时必须仔细考虑电路设计,保证跨时脉领域资料存取的正确性。
另外,为了尽量降低CPU介入处理时间或降低CPU工作频率而节省下来的功耗,可提供直接记忆体存取(DMA)或周边电路相互触发电路进行资料的传递,如定时器(Timer)定时自动触发ADC或DAC,并透过DMA进行资料由ADC到RAM,或者RAM到DAC的搬移,同时在ADC的输入可以增加简单的数位滤波及平滑化电路,如此不须要CPU经常介入处理,也不会因为须要即时处理ADC或DAC事件,导致中断程序占用太多时间,降低系统的即时性及稳定性。
支援多种工作模式
为了配合不同的应用需求,并达到系统平均功耗的最小化,低功耗MCU须要提供多种操作模式,让使用者灵活调配应用,常见的操作模式有下列数种:
.正常运行模式
CPU内核及周边正常工作,能即时改变CPU及周边的工作频率(On the Fly)或关闭不需要的时脉源,以获得最佳的工作效能。
.低频工作模式
CPU内核及周边工作于低频的时脉源,如32.768kHz晶振或内部低频10K电阻电容(RC)振荡器,通常最大的耗电来源,为嵌入式快闪记忆体及LDO本身的耗电流。若此时的执行程序不大,可以考虑将程序运作于RAM,以降低平均功耗。请注意并不是所有MCU都能支援在RAM执行程序。
.Idle模式
CPU内核停止,时脉源和被启动的周边电路持续工作,直到周边电路符合设定条件,唤醒CPU进行资料处理或控制执行流程。通常高频的运行模式,CPU及嵌入式快闪记忆体消耗相当大比例的电流,故闲置(Idle)模式能有效降低平均功耗。
.待机RAM保持模式
CPU内核及所有时脉源关闭,
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