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低功耗MCU设计理念

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火星国务卿|  楼主 | 2021-4-8 08:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
低功耗高效能的 CPU 内核


    早期低功耗 MCU 受限于成本及制程技术,大都选择 8 位 CPU 内核,但随着工业上的智能化也在展开,如远程监控,数字化、网络化等。简单说来,就是人物之连结 (云端应用)、物物之连结 (物联网) 需求越来越多,导致产品功能越来越复杂,运算量越来越高,8 位 MCU 已逐渐无法满足效能需求。 为了兼顾低功耗高效能,选择适用的 32 位 CPU 内核乃大势所趋。


    选择低功耗 CPU 内核,除了单位频率耗电流外,还需要综合考虑紧凑的低内存代码,相同功能所需的代码越长,除了增加内存成本,也代表更长的运行时间及功耗。另外,由于软件开发成本在后期将会越来越高,大量的参考代码及更多的第三方开发商的支持,都可以有效降低软件的开发时间及成本。所以选择一款更多人使用的 CPU 内核也是重要的考虑之一ARM CortexTM-M0 阀门数仅 27K,使用的电量在 1.8V,超低泄漏 180ULL (Ultra Low Leakage) 仅约 50μA/MHz.M0 内核采用 Thumb2 指令集架构,产生出非常紧凑的低内存代码,进一步降低了电源需求。ARM 自 2009 年发表了 32 位 CortexTM-M0 内核以来,包括 NXP、新唐科技、ST、Freescale 等多家国内外 MCU 大厂相继投入 CortexTM-M0 MCU 开发,不论供货或者品种的齐全度都已十分成熟,投入 CortexTM-M0 的 MCU 开发商也在持续增加中。


    低功耗数字电路


    对于一般的同步数字电路设计,要使数字单元有效降低操作电流,透过控制时钟的频率或截止不需要的时钟跳动,也是重要的方法。低功耗MCU通常配备丰富的时钟控制单元,可对各别的数字外围单元,依照需求做降频或升频的操作调整,在达到运作能力的同时,用最低的频率来运行。但为了达到更弹性的时钟源配置,可能导致 CPU 内核和外围电路时钟不同步的现象,此时必须仔细考虑电路设计,保证跨时钟领域数据存取的正确性。


    另外为了尽量降低 CPU 介入处理时间或降低 CPU 工作频率而节省下来的功耗,可以提供 DMA 或外围电路相互触发电路进行数据的传递,例如 Timer 定时自动触发 ADC 或 DAC,并透过 DMA 进行数据由 ADC 到 RAM 或者 RAM 到 DAC 的搬移,同时在 ADC 的输入可以增加简单的数字绿波及平滑化电路,如此不须要 CPU 经常介入处理,也不会因为需要实时处理 ADC 或 DAC 事件导致中断程序占用太多时间,降低系统的实时性及稳定性。


    支持多种工作模式


    为了配合不同的应用需求,并达到系统平均功耗的最小化,低功耗 MCU需要提供多种操作模式,让用户灵活调配应用,常见的操作模式有下列数种:


    正常运行模式:CPU 内核及外围正常工作,能实时改变 CPU 及外围的工作频率 (On the Fly) 或关闭不需要的时钟源以获得最佳的工作效能。


    低频工作模式:CPU 内核及外围工作于低频的时钟源,例如 32.768K 晶震或内部低频 10K RC 震荡器。通常此时最大的耗电来源为嵌入式闪存及 LDO 本身的耗电流。如果此时的执行程序不大,可以考虑将程序运作于 RAM 以降低平均功耗。请注意并不是所有 MCU 都能支持在 RAM 执行程序。


    Idle 模式:CPU 内核停止,时钟源和被致能的外围电路持续工作,直到外围电路符合设定条件唤醒 CPU 进行数据处理或控制执行流程。通常高频的运行模式,CPU 及嵌入式闪存消耗相当大比例的电流,故 Idle 模式能有效降低平均功耗。





    待机RAM 保持模式:CPU 内核及所有时钟源关闭,内建LDO 切换到低耗电模式,但是RAM 及 IO 管脚持续供电,维持进入待机之前的状态。


    RTC 模式:CPU 内核及高频时钟源关闭,内建LDO 切换到低耗电模式,由于此时 LDO 供电能力降低,仅能提供低耗电的外围电路运行,例如 32.768K 晶振、RTC (实时时钟计数器)、BOD (降压侦测或重置电路)、TN 单色LCD 直接驱动电路等。





深层待机


深层待机模式:CPU 内核及所有时钟源关闭,关闭 RAM 及LDO、BOD 等所有外围电路的电源,仅IO 管脚(或部分IO管脚)持续供电,由IO管脚或重置 (Reset) 管脚唤醒 CPU.因为此模式下,RAM 的数据已丢失,通常会进行内部电源切割,提供数十个状态记录缓存器作为系统重启时的初始状态参考源。此模式的优点是更低的静态电流,通常仅需 100nA ~ 500nA,其缺点是并非所有的应用都可以忍受 RAM 数据丢失及系统重启。


    电源系统的考虑


    在多电源系统的应用上,必须考虑低功耗 MCU 的内部电源规划或自动切换,以下以市电/备用电池双电源系统及内建 USB 接口,但平常由电池供电的行动装置来举例说明。


    市电/备用电池双电源系统:MCU 平常由市电经由交直流转换电路供电,当市电断电时,经由连接在备用电源的独立供电管脚进行供电,同时在 MCU 内部进行电源切割,并提供一个可靠的备用电源自动切换开关,确保市电正常供电时备用电池不会持续被消耗。但仔细考虑,其实有两种状况可能发生,一种是备用电池仅供电给部分低耗电的外围电路,例如 32.768K 晶振、RTC 时钟电路、数据备份寄存器等。当市电来时 MCU 将重新启动。另外一种状况是当市电断电时,有可能 MCU 及部分外围电路会被唤醒工作,然后再次进入待机模式。智能型电表就是此类应用的典型代表。在此种应用中,备用电池需要供电给整颗 MCU,所以电源自动切换开关必须能承受更高的电流,相对成本也较高。


    内建 USB 接口行动装置:此类装置平时由两节电池供电或锂电池供电,工作电压可能为 2.2V 到 3V,当连接到 USB 时,USB接口转由 VBUS 供电。此类低功耗 MCU 如果没有内建 5V 转 3V 的 USB 接口 LDO 将会产生下列问题,当连接 USB 时必须由外挂的 LDO 将 USB VBUS 的 5V 电源转换为 3V 电源同时提供给 MCU VDD 及 USB 接口电路,但又必须避免 LDO 输出的 3V 电源与脱机操作时的电池电源发生冲突,将会需要外加电源管理电路,增加系统成本及复杂度。


    丰富的唤醒机制及快速唤醒时间


    有许多的系统应用场合,需要由外部的单一讯号、键盘或甚至串行通讯信号来激发 MCU 启动整体系统的运作。在未被激发的时候,微控器或甚至大部分的整机需要处于最低耗电的待机状态,以延长电池的寿命。能够在各式需求下被唤醒,也成为微控器的重要特征。MCU 能拥有各式不同的唤醒方式,包括各I/O 可作为激发唤醒的通道,或是由I2C、UART、SPI的信道作为被外界组件触发唤醒,或使用内、外部的超低耗电时钟源,透过 Timer 来计时唤醒。诸多的唤醒机制,只要运用得当,并配合微控器的低耗电操作切换模式,可以使 MCU 几乎时时处于极低功耗的状况。


    配有快速、高效率内核的 MCU,可以在每次唤醒的当下短暂时间里,完成应有的运作与反应,并再次进入深层的低待机模式,以此达到平均耗能下降的目的。但是,如果唤醒后开始执行微指令的时间因为某些因素而拖延的很长,将会使降低总体耗电的目标大打折扣,甚至达不到系统反应的要求。因此,有些 MCU,配合起振时间的改进,逻辑设计的配合,使得唤醒后执行指令的时间至少降到数个微秒之内。


    低功耗模拟外围及内存


    低功耗 MCU 在运行时除了 CPU 内核及被致能的数字外围电路在工作外,越来越多被整合到内部的模拟外围电路也是耗电的主要来源。以最简单的 while (1); 执行序来分析运行功耗,共包含下列耗电来源: CPU 内核、时钟振荡器、嵌入式闪存内存、及 LDO 本身的消耗电流。代入以下典型值数据将会更清楚显示各个部分对耗电的影响:


    运行频率 12MHz,MCU 电压 3V,LDO 输出 1.8V 供给 CPU 内核、内存及其他数字电路


    低功耗 CortexTM-M0内核:600 μA


    嵌入式闪存内存:1.5 mA


    低功耗12MHz 晶震电路:230 μA


    LDO本身的静态消耗电流:70 μA


    总和 = 0.6 + 2 + 0.23 + 0.07 = 2.4 mA,平均功耗约 200μA/MHz


    其中耗电比例最高的是嵌入式闪存内存。如果要运行在更高频率,通常会启动内建的 PLL 提供更高频率的时钟源,在 1.8V 供电的典型 PLL,12MHz 输入输出 48 MHz工作电流约为 1 ~ 2mA,如果不能有效降低 PLL 耗电,对高频工作的低功耗 MCU 将是一大电流负担。


    LDO 的最低静态功耗、32.768 kHz 晶振电路、BOD 及 TN LCD 驱动电路的工作电流,都会大大影响到待机或 RTC 模式的功耗指针。以低功耗应用的热能表为例,RTC 加 LCD 显示的功耗要求在 3V/8μA 以下,这代表可以预估分配给下列电路的电流预算为:LDO 静态功耗 0.5μA + 32.768 kHz 晶振及RTC电路 1μA + BOD 1μA + TN LCD 驱动 4μA + LCD 玻璃 1μA + 所有数字电路及模拟外围漏电流 0.5μA.这些模拟外围除了低耗电要求,同时必须兼具要求批量生产及温度变化时的一致性,这对模拟设计人员将是一大挑战。


    快速唤醒这个性能指针也会影响到下列模拟外围的稳定时间。当 MCU 从低耗电的待机模式唤醒时,首先要将 LDO 快速切换到高供电模式,启动内部高速 RC 震荡器,使能嵌入式闪存及 CPU,以上所有电路的稳定时间总和必须在数个微秒内完成,才能符合快速唤醒的需求。


    另外一个容易被忽略的设计是外围电路启动电流,因为相当多的便携设备采用 CR2032 小型锂电池,瞬间推动力仅有数 mA,尤其使用一段时间瞬间推动力会更低,当 MCU 被唤醒时果外围电路启动电流总和太大时,将会导致 CR2032 输出电压骤降而导致 MCU 重置 (Reset) 或工作不正常。为了避免此问题,除了降低外围电路的启动电流,另一种方法是分时分段启动外围电路,不要集中开启太多耗电的电路。


    平均功耗计算范例


    为了让读者更具体了解平均功耗的计算,以新唐科技的低功耗 32位 MCU Nano 系列及血糖计应用为例,进行使用年限的预估。新唐的 Nano 系列低功耗 32位 MCU 的 CPU 内核为 CortexTM-M0,具有 200uA/MHz 低运行功耗、待机电流仅需1uA、7uS快速唤醒、多重时钟讯号来源及多种工作模式,多达 128 KB Flash、16K SRAM 及 12位 ADC、12位 DAC、SPI、I2C、I2S、UART、LCD、Touch Key 等丰富外围,符合低功耗、高性能 MCU 应用需求。

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