如何為嵌入式系統選擇最低功耗的微控制器
待機（休眠）電流
實(shí)現最大能效（和電池壽命）轉化為確保每個(gè)MCU任務(wù)在盡可能短的時(shí)間內以最小可能電壓消耗最小可能電流，以便器件將大部分時(shí)間用于非常低功耗的睡眠模式。在一些應用中，睡眠模式電流是對整體能量消耗負有最大責任的參數。然而，經(jīng)常被忽視的是MCU可實(shí)現的絕對最小睡眠電流主要受其漏電流的限制。例如，輸入泄漏電流規格為100 nA的20輸入設備在睡眠模式下可能消耗高達2μA的功率。
泄漏電流受多種因素的影響，但最重要的因素是使用的基礎流程技術(shù)。在某些情況下，供應商會(huì )選擇使用0.25或0.35微米工藝技術(shù)來(lái)降低由泄漏引起的睡眠電流，但這種選擇是以更高的有功電流為代價(jià)的。在其他情況下，MCU供應商選擇使用0.18微米或更小的工藝技術(shù)來(lái)降低有源模式電流，但這是以更高漏電流為代價(jià)的。圍繞這一難題的獨特解決方案是應用混合信號專(zhuān)業(yè)知識來(lái)實(shí)施先進(jìn)的電源管理單元（PMU），專(zhuān)門(mén)用于限制泄漏并實(shí)現超低睡眠電流，無(wú)論使用何種基礎工藝技術(shù)。使用0.25微米或更小的工藝技術(shù)，最小化睡眠模式電流需要削減數字核心的功率。在睡眠模式下工作的模塊，如電源管理電路，I/O焊盤(pán)單元和RTC，必須使用未調節的電源工作，以避免在LDO中燒毀額外的電流。切斷數字核心邏輯的電源也可以防止其斷態(tài)泄漏對睡眠模式電流產(chǎn)生影響;但是，MCU必須在休眠模式下保留RAM內容和所有寄存器的狀態(tài)，以便代碼執行可以從中斷處繼續。這種保存可以通過(guò)一些非常低電流，睡眠模式，鎖存偏置方案或通過(guò)使用特殊的保持鎖存器來(lái)執行，該保持鎖存器可以將狀態(tài)保持在睡眠模式而沒(méi)有顯著(zhù)的泄漏。 MCU還需要某種形式的連續電源電壓監控（即“掉電檢測”），以便在電源電壓低于最小保持電壓的情況下復位器件，這可能會(huì )破壞狀態(tài)。
從系統設計人員的角度來(lái)看因此，重要的是要檢查潛在的漏電流規范，以確定哪些MCU供應商已經(jīng)應用其混合信號專(zhuān)業(yè)知識來(lái)解決這一復雜問(wèn)題。設計人員還應該考慮大多數供應商提供許多不同的待機電流選項的事實(shí)。大多數供應商將突出顯示其絕對最低睡眠模式電流，這通常對應于實(shí)時(shí)時(shí)鐘消耗的電流和禁用掉電檢測器。一些供應商會(huì )更進(jìn)一步，并引用關(guān)閉模式電流，該電流不會(huì )保留存儲器并需要復位才能喚醒，這通常不是一個(gè)非常實(shí)用的模式。因此，由于大多數應用程序都需要完整的RAM和寄存器保留，因此系統設計人員必須根據以下指標進(jìn)行并排比較：
待機/睡眠模式電流與實(shí)時(shí)時(shí)鐘和掉電禁用（具有RAM保持）
待機/睡眠模式電流，實(shí)時(shí)時(shí)鐘禁用和掉電啟用
待機/睡眠模式電流與實(shí)時(shí)時(shí)鐘然后，系統設計人員可以根據應用程序的占空比計算總體待機模式功率預算時(shí)使用正確的值。
喚醒能量
如前所述，在使用睡眠模式的系統中，可能會(huì )浪費大量功率來(lái)喚醒MCU并準備采集或處理數據。實(shí)際上，在某些應用中，MCU在退出待機狀態(tài)時(shí)通常會(huì )使用與設備完全處理數據時(shí)一樣多的能量。因此，設計一個(gè)MCU以在極短的時(shí)間內喚醒和穩定非常重要，以便最大限度地減少在能量浪費狀態(tài)下花費的時(shí)間。
MCU應該能夠退出睡眠模式來(lái)自外部觸發(fā)事件或內部計時(shí)器。最靈活的周期性喚醒源是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，能夠從外部晶體振蕩器（用于需要精確定時(shí)的應用）或低頻內部振蕩器運行，無(wú)需在低精度應用中使用晶體。避免使用慢啟動(dòng)晶體振蕩器作為高速系統時(shí)鐘;一個(gè)準確的，快速啟動(dòng)的片上振蕩器是更好的選擇。
此外，由于許多產(chǎn)品定期喚醒以使用片上ADC對輸入進(jìn)行采樣，因此為數字電路提供足夠的時(shí)間非常重要喚醒和模擬電路穩定開(kāi)始進(jìn)行有效測量。模擬模塊的啟動(dòng)行為會(huì )對在活動(dòng)模式下花費的時(shí)間量產(chǎn)生重大影響;使用外部去耦電容的穩壓器或基準電壓源可能需要幾毫秒才能穩定下來(lái)。有時(shí)，MCU供應商只會(huì )引用數字電路的喚醒時(shí)間，而忽略了模擬電路穩定所需的時(shí)間。因此，系統設計人員必須分析數字和模擬電路的整體喚醒和建立時(shí)間，以分析這種浪費能源的真實(shí)成本。
其他注意事項
當然還有其他注意事項進(jìn)一步降低系統功耗的方法。例如，通常使用2 x AA/AAA電池配置，因為MCU通常通�？梢栽诘椭�1.8 V的電壓下運行，有時(shí)只能降低功能（無(wú)ADC;降低指令時(shí)鐘速度）。降低功耗（和環(huán)境影響）的創(chuàng )新方法是將設計轉換為單個(gè)電池配置，其中電池可以一直運行直至其使用壽命（0.9 V）。為實(shí)現這一目標，MCU必須集成高度優(yōu)化的DC-DC轉換器，該轉換器可以在電池的最低可用電壓下工作，在堿性化學(xué)情況下為0.9 V.這種方法還可以節省供應商和/或降低功耗的另一種方法是使用高度集成的MCU，包括ADC，DAC和其他外設，因為MCU可以根據應用的需要控制啟用和禁用這些外設。例如，某些MCU提供具有突發(fā)模式的專(zhuān)用低功耗ADC，可在CPU關(guān)閉時(shí)進(jìn)行模擬測量，以進(jìn)一步降低功耗。
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