超低功耗MCU的选型技巧与设计思路

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超低功耗MCU的选型技巧与设计思路 [复制链接]

循序渐进式的功耗优化已经不再是超低功耗mcu的游戏规则，而是“突飞猛进”模式，与功耗相关的很多指标都不断刷新记录。我们在选择合适的超低功耗mcu时要掌握必要的技巧，在应用时还需要一些设计方向与思路才能够更好的应用。




01   超低功耗mcu-低功耗mcu的选择方法


嵌入式微控制器 （mcu）的功耗在当今电池供电应用中正变得越来越举足轻重。大多mcu 芯片厂商都提供低功耗产品，但是选择一款最适合您自己应用的产品并非易事，并不像对比数据表前面的数据那么简单。我们必须详细对比 mcu 功能，以便找到功耗最低的产品，这些功能包括：断电模式、 定时系统 、事件驱动功能、 片上外设、 掉电检测与保护、 漏电流处理效率。


在低功耗设计中，平均电流消耗往往决定电池寿命。例如，如果某个应用采用额定电流为 400mAh 的 Eveready 高电量 9V 1222 型电池的话，要提供一年的电池寿命其平均电流消耗必须低于 400mAh/8760h，即45.7uA。


在使 mcu 能够达到电流预算的所有功能中，断电模式最重要。低功耗 mcu 具有可提供不同级别功能的断电模式。例如，TI 超低功耗 mcu MSP430 系列产品可以提供 5 种断电模式。低功耗模式 0 （LPM0） 会关闭 CPU，但是保持其他功能正常运转。LPM1 与 LPM2 模式在禁用功能列表中增加了各种时钟功能。LPM3 是最常用的低功耗模式，只保持低频率时钟振荡器以及采用该时钟的外设运行。LPM3 通常称为实时时钟模式，因为它允许定时器采用低功耗 32768Hz 时钟源运行，电流消耗低于 1uA，同时还可定期激活系统。最后，LPM4 完全关闭器件上的包括 RAM 存储在内的所有功能，电流消耗仅 100 毫微安。


时钟系统是mcu功耗的关键。应用可以每秒多次或几百次进入与退出各种低功耗模式。进入或退出低功耗模式以及快速处理数据的功能极为重要，因为 CPU会在等待时钟稳定下来期间浪费电流。大多低功耗 mcu 都具有“即时启动”时钟，其可以在不到 10～20us 时间内为 CPU 准备就绪。但是，重要的是要明白哪些时钟是即时启动、哪些非即时启动的。某些 mcu 具有双级时钟激活功能，该功能在高频时钟稳定化过程中提供一个低频时钟（通常为32768Hz），其可以达到 1 毫秒。CPU 在大约 15us 时间内正常运行，但是运行频率较低，效率也较低。如果 CPU 只需要执行数量较少的指令的话，如：25 条，其需要 763us。CPU 低频比高频时消耗更少的电流，但是并不足于弥补处理时间的差异。相比而言，某些 mcu 在 6 微秒时间内就可以为 CPU 提供高速时钟，处理相同的 25 条指令仅需要大约 9us（6us 激活＋25 条指令′0.125us指令速率），而且可以实现即时启动的高速串行通信。


另外，如果 mcu 时钟系统为外设提供多个时钟源的话，当 CPU 处于睡眠状态时外设仍然可以运行。例如，一次 A/D 转换可能需要一个高速时钟。如果 mcu 时钟系统提供独立于 CPU 的高速时钟，CPU 就可以在 A/D 转换器运行情况下进入睡眠状态，从而节省 CPU 耗流量。


事件驱动功能与时钟系统的灵活性并存。中断会使 mcu 退出低功耗模式，因此，mcu 的中断越多，其防止浪费电流的 CPU 轮询与降低功耗的灵活性就越大。轮询意味着进行与不进行功耗预算之间存在差异，因为它在等待出现事件时会浪费CPU 带宽并需要额外电流。一个好的低功耗 mcu 应具有充分的中断功能，为其所有外设提供中断，同时为外部事件提供众多外部中断。


按钮或键盘应用可以证明外部中断的优势。如果不具备中断功能，mcu 必须频繁轮询键盘或按钮，以确定其是否被按下。不仅轮询自身会消耗功率，而且控制轮询间隔也需要定时器，其会消耗附加电流。相比而言，在具备中断情况下，CPU 可以在整个过程中保持睡眠状态，只有按下按钮时才激活。


在选择低功率 mcu 时，还需要考虑外设功耗与电源管理。某些低功率 mcu 仅仅是设计时不具备低利率功能的旧架构的改进版本。而有些 mcu 在设计时即具备低功耗特性，并在其外设中内置了低功耗功能。一种特性是在需要时单独启动或关闭外设的能力，换言之，更重要的是自动启动或关闭外设的能力。 A/D 转换器就是一个例子，其在完成一次转换后可以自动关闭。另外，某些 mcu 正在引入直接存储器存取功能，其可以在无需 CPU 干预情况下自动处理数据。


大多 mcu 具有集成的掉电保护功能，当电源低于正常操作范围时其可以复位 mcu。通常会提供启动或关闭掉电保护以节省功耗的功能，但是必须在整个过程中都使掉电保护功能置于可用状态，因为掉电是不可预测的。某些 mcu 需要70uA 的电流来实现掉电保护。在只需要 45uA 平均电流的应用实例中很明显可以不考虑这些 mcu。 ----在选择低功耗 mcu 期间有时会忽视漏电流，但是，在最苛刻的低功耗应用中则必须考虑到漏电流。大多改进后的低功耗 mcu 都具有 1uA 的限定输入漏电流。在 20 输入器件中，它可能会消耗 20uA！针对低功耗设计的最新 mcu 具有最高50nA 的漏电流。


最后，我们常常会误解 mcu 处理效率。大家通常会认为 16 位 mcu 需要两倍于 8 位 mcu 的内存，但是一个 16 位架构实际上需要比 8 位架构要少一些的代码，而 16 位 mcu 一般会更快速地执行任务。例如，8 位 mcu 需要 CPU 开销来管理具有 10 位 A/D 转换数据或需要 16 位计算的应用中的数据。而且当今许多mcu 产品都具有单个工作文件或累加器，其数据必须进行传输，以便处理，因此，与基于寄存器的架构相比需要额外的 CPU 开销。表 1 说明在 16 位现代架构与8 位 8051 架构上传输 10 位 A/D 数据的指令。在采用 1Mhz 时钟情况下，16 位器件需要 6us 进行传输，而 8 位器件则需要 24us。


16 位 mcu8 位 mcumov.w &ADC10MEM，&RAMmovf ADRESH，W movwf RAML bsf 0x20 movlf ADCHRESL，W bcf 0x20 movwf RAMH ----表 1：16 位与 8 位 mcu 代码要求


选择低功率 mcu 是一项耗时、棘手的工作。如果花费一些时间来了解可用产品选项的架构特性，我们就能够开发出能满足最苛刻功率预算的设计。




02   超低功耗mcu-如何降低mcu的功耗


低功耗是mcu的一项非常重要的指标，比如某些可穿戴的设备，其携带的电量有限，如果整个电路消耗的电量特别大的话，就会经常出现电量不足的情况，影响用户体验。


平时我们在做产品的时候，基本的功能实现很简单，但只要涉及低功耗的问题就比较棘手了，比如某些可以低到微安级的mcu，而自己设计的低功耗怎么测都是毫安级的，电流竟然能够高出标准几百到上千倍，遇到这种情况千万不要怕，只要认真你就赢了。下边咱们仔细分析一下这其中的原因。


第一条：掐断外设命脉——关闭外设时钟
先说最直观的，也是工程师都比较注意的方面，就是关闭mcu的外设时钟，对于现在市面上出现的大多数的mcu，其外设模块都对应着一个时钟开关。只需要打开这个外设的时钟，就可以正常的使用这个外设了，当然，此外设也就会产生相应的功耗;反之，如果想要让这个外设不产生功耗，只需关闭它的时钟即可。


第二条：让工作节奏慢下来——时钟不要倍频
除了外设模块功率消耗之外，还有一个功耗大户需要注意一下，这就是PLL和FLL模块。PLL和FLL主要是用来对原始的时钟信号进行倍频操作，从而提高系统的整体时钟，相应的，其功耗也会被提上去。所以在进入低功耗之前，需要切换是种模式，旁路掉PLL和FLL模块，从而尽可能的降低mcu的功耗，等到mcu唤醒之后再把时钟切换回去。


第三条：围堵涓涓细流——注意I/O口的电平状态
如果认为只要关闭外设时钟就能够保证外设不再耗电，那么你就太天真了。如果IO口没有做好处理的话，它就会在暗地里偷走功耗，而你却浑然不知。具体原因是这样的，一般的IO的内部或者外部都会有上下拉电阻，举个例子，如下图所示，假如某个IO口有个10KΩ的上拉电阻，把引脚拉到3.3V，然而当mcu进入低功耗模式的时候，此IO口被设置成输出低电平，根据欧姆定律，此引脚就会消耗3.3V/10K=0.33mA的电流，假如有四、五个这样的IO口，那么几个mA就贴进去了，太可惜了。所以在进入低功耗之前，请逐个检查IO口的状态：
如果此IO口带上拉，请设置为高电平输出或者高阻态输入;
如果此IO口带下拉，请设置为低电平输出或者高阻态输入;


总之一句话，不要把上好的电流浪费在产生热量的功能上，咱可不靠这点温度去暖手。


第四条：睦邻友好合作——注意I/O与外设IC的统筹
IO口的上下拉电阻消耗电流这一因素相对比较明显，下边咱来说一个不明显的因素：IO口与外部IC相连时的电流消耗。假如某个IO口自带上拉，而此与IO相连的IC引脚偏偏是自带下拉的，那么无论这个引脚处于什么样的电平输出，都不可避免的产生一定的电流消耗。所以凡是遇见这一类的情况，首先需要阅读外设IC的手册，确定好此引脚的的状态，做到心中有数;然后在控制mcu睡眠之前，设置好mcu的IO口的上下拉模式及输入输出状态，要保证一丝儿电流都不要被它消耗掉。


第五条：断开调试器连接，不要被假象所迷惑
还有一类比较奇特，检测出来的电流消耗很大，可实际结果是自己杞人忧天，什么原因呢?是因为在测试功耗的时候mcu还连接着调试器呢!这时候大部分电流就会被调试器给掳走，平白无故的让工程师产生极度郁闷的心情。所以在测低功耗的时候，一定不要连接调试器，更不能边调试边测电流。


总结
     mcu的低功耗设计是一个细致活，要养成良好的习惯，做到每添加一个功能都要重新验证一下低功耗是否符合要求，这样就可以随时随地干掉消耗功率的因素。如果把所有功能都设计好了才去考虑低功耗的问题，一个不小心，就可能要更改程序的架构——即便如此也不一定能把功耗给彻底降下去。