可延长电池寿命的新一代节能微控制器设计简介

在设计电池供电产品时，人们显然希望电池寿命尽可能长些。能源敏感的产品应用大致分为能源计量系统、家庭与楼宇自动化、安全和医疗系统(图1)。这些产品通常会围绕一个微控制器(MCU)，必须用单个原电池工作很长时间。在某些应用中，更换电池很困难甚至是不可能的，即使在其它普通应用中，用户也不大愿意支付更换电池的成本。

这类应用中采用的是在极低占空比下工作的微处理器，它在“深度睡眠”状态下的时间可能占了99%甚至更高(达到99.9%也不罕见)。微处理器在一个周期循环或在回应某些刺激时被“唤醒”来执行操作，并返回到睡眠状态中。由于它们花了如此多时间在睡眠状态，很明显，获得更长电池寿命的关键是在掉电状态下的电流消耗。不过，同一节电池的使用寿命为3或4年与超过10年、延至20年甚至更长之间的区别在于，要密切注意这个任务如何使用MCU资源的各个方面，以及MCU本身是如何设计成以各种方式减少能耗的。

一节单电池可用20年

CR2032纽扣电池广泛用于小型MCU(如远程环境传感器)中，这是一种锂/二氧化锰3V原电池。典型的供应商，如柯达(参考文献1)将其容量*为230mAh到2V的终点电压能力为5.6k?(约为0.5mA)。如果是那样的话，电池寿命将为400小时，相比之下，能源敏感的应用可使使用寿命达到20万小时。

图1：人们期望新一代的计量产品能在二十年里工作无人看管。

这种特殊的电池具有很好的使用寿命或自放电率，数据表显示10年之后其容量仍达90%。非常相似的是，这相当于连续充电约0.25?A，如果能够达到10到20年的电池寿命，那么它可以满足应用的一般要求。

伴随电池寿命的是有限的电荷数，设计者必须在MCU运行的所有阶段减少产品的电流和运行时间，不仅要减少每微安数，还要减少每个动作花费的每个微秒。

为减小深度睡眠模式下消耗的电流，在能源敏感应用的MCU中采用8位(或16位)内核已经非常普遍。其理由是，8位内核(即使是在这类设计中经常采用的最新版本中)很小，门控相对较少，静电电流或漏电流较低。但是，现在的许多应用都需要比8位内核所能提供的更大的处理能力。在其它MCU应用领域，用户往往选择从8位升级到一个32位环境。在低功耗的情况下，人们一直先入为主地认为32位内核在其掉电模式状态下使用的电流一定高得令人无法接受。随着全套低功耗设计技术的出现，今天的IC设计工程师已经可以用一个32位ARM内核提供各种低功耗模式，效果与8位产品一样甚至更好，而且还能实现快速唤醒。32位处理器更高的处理性能也使MCU可以更快完成任务，从而能够有更多时间处于这些低功耗模式下，这可以进一步降低平均功耗。

　　低功耗外围设备功能

为实现尽可能低的功耗，优化MCU睡眠状态功耗需要整体的设计方法。除了内核，MCU中的其它模块在待机设备、稳压器、偏置电流发生器，欠压检测比较仪、上电复位电路中会继续消耗电流。几乎在任何情况下，一个简单的折衷法则是：掉电状态越久，就有越多外围设备的功能被完全关断，芯片准备好实现处理任务的唤醒时间就越长。由于应用之间差别很大，MCU设计工程师提供一种灵活的断电状态下的扩展套件就显得很重要了，这样产品设计人员就可以很好地为其项目进行待机功率和响应能力的折衷。

设计一个在nanoamp区获得最深度睡眠状态电流水平的ARM内核只是低能源战略的一个步骤。能够获得32位内核的处理能力为管理能源的利用开辟了新途径。在任何时候，它是MCU供电图下面的区域，随着时间的推移，它表示从电池里取走的电荷(图2)。

图2：节能MCU内核通过完整的唤醒/工作/回到睡眠周期在多个不同区域节省能源。

灰色区域表示相比8位内核，一个性能更强大的32位内核在更短周期内完成任务所节省的能量。

就是这样，在具体配置中电流消耗的数字越大，设计人员就必须更密切注意要最大限度地延长电池的使用寿命。在EFM32微控制器的开发工具包中，这种测量是很清楚的，这个工具包的基本功能部分是先进能源.(图3)。该设备不断测量给MCU内核供电的电压轨下的电流。用一个从模数转换器(ADC)通过电阻器采集电压，而开发工具包软件集成其读数来精确测量不同时间的功率。

图3：EnergyMICRO的先进能源.。
　相比性能更低的MCU，一个32位的内核将花更少的时间去主动完成一项相同的任务，同时，该内核在运行时消耗的功率也应尽可能低。专注于低功耗的IC设计工程师能够获得许多设计细节来实现其目标。这样的例子包括针对所有芯片同步逻辑优化时钟门控结构，以及组织总线系统和内存(SRAM和闪存)以在任何特定处理中尽可能减少位跳变。采用全套低功耗设计方法会在闪存中产生一个运行典型代码的ARMCortex-M3内核，而仅需用到低至180μA/MHz的能量。小心使用这些相同的技术可以确保其数字测量准确，获得低时钟速率，而不仅仅是一个最佳性能数字。