超低功耗MCU的选型技巧与设计思路

只看该作者 · 2017-12-27 11:10

超低功耗MCU的选型技巧与设计思路

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。

　　一：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 RAMLbsf 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。

二：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。