如何為嵌入式系統選擇最低功耗的微控制器
設計低功耗MCU并不容易，也沒(méi)有為您的特定嵌入式設計選擇合適的MCU。許多特定于應用的注意事項都會(huì )起到作用，這使得比較MCU規格表具有挑戰性。本文分析了在分析競爭性MCU替代品的電源效率時(shí)應考慮的關(guān)鍵因素。節約能源有利于環(huán)境，更容易在錢(qián)包上使用。提高能效的無(wú)數好處已被充分證明：降低消費者的電費，降低公用事業(yè)的負擔，降低電子產(chǎn)品的擁有成本，減少垃圾填埋場(chǎng)丟棄的廢舊電池。
隨著(zhù)電子設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體層面開(kāi)始。在芯片級設計的節能技術(shù)具有深遠的影響。對于作為當今大多數電子設備背后的智能引擎的微控制器（MCU）而言尤其如此。從系統架構的角度來(lái)看，確定哪些MCU真正“低功耗”的挑戰需要設計人員瀏覽各種半導體供應商提出的無(wú)數要求。由于供應商使用的指標不同（通常是令人困惑的），這不是一項簡(jiǎn)單的任務(wù)。
讓我們仔細研究在分析競爭性MCU備選方案的功效時(shí)應考慮的關(guān)鍵因素。
在基本級別，MCU功耗可以定義為以下總和：
總功耗=活動(dòng)模式功率+待機（休眠）模式功率
但是，要記住的另一個(gè)重要指標是MCU從待機狀態(tài)轉換到活動(dòng)狀態(tài)所需的時(shí)間。由于MCU在所有數字和模擬組件完全穩定且可操作之前無(wú)法進(jìn)行任何有用的處理，因此在計算總功耗時(shí)添加此（浪費）功率非常重要：
總功耗=活動(dòng)模式功率+待機（睡眠）模式電源+喚醒功率
圖1.
由于每個(gè)應用程序都不同，系統設計人員傾向于比其他應用程序更重視這些元素。例如，某些應用，例如水表，大部分時(shí)間都處于待機狀態(tài)，因此很明顯，它們的長(cháng)占空比需要非常低的待機功耗。其他應用程序（如數據記錄器）經(jīng)常進(jìn)入和退出活動(dòng)狀態(tài)，因此限制喚醒轉換模式所花費的時(shí)間至關(guān)重要。然而，開(kāi)發(fā)引人注目的MCU解決方案的供應商不會(huì )試圖猜測這些指標中哪一個(gè)是最重要的，而是將從頭開(kāi)始設計一個(gè)解決方案，專(zhuān)注于最小化該等式的每個(gè)部分。要實(shí)現這一目標，需要強大的混合信號專(zhuān)業(yè)知識，以解決在模擬和數字域中最小化功耗所必需的架構級和電路級挑戰。對這些變量進(jìn)行簡(jiǎn)短討論將有助于突出系統設計人員在嘗試為其應用選擇最佳MCU解決方案時(shí)需要注意的問(wèn)題類(lèi)型。
Active Mode Current
對于CMOS邏輯門(mén)，動(dòng)態(tài)功耗可以使用以下眾所周知的公式重寫(xiě)：
有源模式功率= C x V2 xf
其中C是負載電容，V是電源電壓，f是開(kāi)關(guān)頻率。 BR》電容項是所用設計和處理技術(shù)的函數，頻率項是應用程序處理要求的函數。但是，如前面的等式所示，電源電壓對MCU消耗的總功率有不成比例的影響。因此，通過(guò)向MCU電路提供低得多的穩定電源電壓，為MCU設計增加電壓調節可以顯著(zhù)節省功耗模式。開(kāi)關(guān)型轉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換比的穩壓器環(huán)境。但是，對于平均電壓轉換率較�。姵貕勖Y束時(shí)接近1：1）的電池類(lèi)應用，更好的解決方案是添加片上低壓差（LDO）線(xiàn)性穩壓器因為它可以提供可接受的效率，而且復雜性和成本低于開(kāi)關(guān)解決方案。為了說(shuō)明使用LDO穩壓器的好處，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(méi)有電源調節，該指標將增加到（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)電源范圍內保持固定為每MHz160μA。
可以看出，這種先進(jìn)的電源架構可用于維持恒定的有功電流完整的工作電壓范圍，可以幫助系統設計人員大幅節省功耗。因此，從系統設計人員的角度來(lái)看，確定在整個(gè)工作電壓范圍內工作時(shí)的MCU電流消耗非常重要 - 而不僅僅是MCU供應商通常引用的1.8 V最低工作條件。引用一個(gè)過(guò)于樂(lè )觀(guān)的電流數字，假設任何低于典型的電壓供應，并不能準確反映應用在現實(shí)世界中的使用方式。例如，在2 x AA/AAA和紐扣電池應用中，電池最常接近3 V初始電壓工作，因此引用的1.8 V規格可能是欺騙性的，因為從這個(gè)角度來(lái)看，大多數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(kāi)關(guān)頻率成正比，因此系統設計人員必須將引用的電流數歸一化到電流/MHz。通過(guò)結合這兩個(gè)因素，可以根據以下指標對MCU進(jìn)行并排比較：
電流消耗/MHz @ 3 V
當真正有意義的值是指令時(shí)鐘速度時(shí)，一些供應商會(huì )試圖通過(guò)將“MHz”等同于系統時(shí)鐘速度來(lái)混淆問(wèn)題。這是欺騙性的，因為系統時(shí)鐘速度可以以其實(shí)際指令速度的兩倍（或更多）運行，從而使其有效功耗加倍（或更多）。因此，確保所有內容都符合指令時(shí)鐘速度是很重要的。通過(guò)這樣做，并通過(guò)使用典型的電源電壓，可以正確地推導出實(shí)際的有源模式電流消耗預算。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持
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