本帖最后由 fuxiaoxiong 于 2022-4-30 16:53 编辑
一、低功耗产品 低功耗产品一般可配置为两类运行状态： 1.平时低功耗，使用时唤醒；2.平常断电，使用时上电。处在第2 类运行状态的产品，其实现低功耗的原理是减小电源供电时间，这类产品主控MCU唤醒的方法可由外挂低功耗协处理单元（LPCU）控制的供电电路来实现。高性能MCU产品通常功耗表现不理想，专用低功耗MCU又难以满足高性能计算需求。功耗与性能这对矛盾的解决，可选用高性能MCU且运行功耗要足够低，同时对产品低功耗方案架构进行优化设计。此类应用场景有很多，如对产品体积要求不严格的指纹、面部识别门锁等智能家居产品。
二、低功耗产品的功耗 我们要设计一款低功耗产品之前，需要测量主控MCU在不同模式运行时的平均电流，或测量在相同模式下运行不同程序的平均电流，表达式为 在程序中编写不同的运行模式代码，使用外接唤醒发生器自动唤醒并运行下一个模式代码。在这种自动化测试方法下，方便实现周期性重复测试多组运行模式下的平均电流I。若用m表示每个周期的模式数量，n表示周期数，则平均电流表达式可改写为
如图所示，有三类低功耗方案。第一种MCU直接处理事件，然后进入低功耗模式，周而复始。在供电电压恒稳的条件下，平均电流I的大小能表征功耗的高低。下式为方案1的平均电流表达式，其中tn表示总时间，Ir(t)表示Run模式下的电流，Ilp(t)表示在Lowpower模式下的电流。 第二种方案是应用于传感器作为事件源场景，如指纹门锁。在电路设计时，应借助传感器编程输出高低电平，进而控制MCU供电电路地开合。下式为方案2的平均电流表达式，这里Inp(t)=0为掉电情况下MCU的电流。 第三种方案增加了一颗LPCU，负责MCU芯片的供电控制及断电期间接收事件。在MCU掉电期间LPCU应处于Lowpower模式，负责接收事件。LPCU接收事件，然后给MCU供电，再将事件发送给MCU处理，周而复始。这颗LPCU必须拥有两个特点，功耗比主MCU Standby要低，其某个IO口具有编程输出高低电平的能力。下式为方案3的平均电流表达公式，这里Ir1(t)为LPCU Run状态下的电流，Ir2(t)为MCU Run模式下的电流，Ilpu(t)为LPCU Lowpower模式下的电流，Inp(t)=0为MCU掉电情况下的电流。 三、测量功耗电流 接下来，分析三类单片机在三种方案下的功耗情况。 表1 不同MCU在不同运行模式下的功耗测试数据 表1是测量的三款芯片在四种不同运行模式下的功耗及唤醒情况。容易分析得通用MCU STM32F103C8T6（F103）在Run、Sleep、Stop和Standby四种运行模式下其功耗远高于其它三款芯片，在性能上弱于通用MCU CH32V203C8T6（V203）和CH32F203C8T6（F203）。V203在Run与Sleep模式下的功耗表现优于低功耗MCU STM32L051C8T6（L051），而L051在Stop与Standby模式下的功耗表现优于V203。因为V203与L051在低功耗方面的表现各有优劣，接下来需要分析通用MCU V203与低功耗MCU L051在低功耗方面的应用场景分析。 因为MCU运行的测试程序具有周期性，简化分析，使用一个周期来近似研究Run与Lowpower模式时间占比的不同带来的功耗差异。 第一种方案，一个周期内V203与L051的功耗电流差Delt I 由下式表示。其中Ich为V203的平均电流，Ist为L051平均电流，T为一个周期时间，Irct(t)和Irst分别为V203和L051处于Run模式下的电流，Ilpch(t)和Ilpst分别为V203和L051处于Lowpower模式的电流。一个周期内Run和Sleep占时比在区间[0,7.65%)、 Run和Stop占时比在区间(0,0.9%]、Run和Standby占时比在区间[0,0.02%)时L051功耗较低。一个周期内Run和Sleep占时比在区间(7.65,100%)、 Run和Stop占时比在区间(0.9%,100%]、Run和Standby占时比在区间(0.02%,100%)时V203功耗较低。 第二种方案，一个周期内V203与L051的功耗电流差Delt I 由下式表示。其中Inpch(t)=0和Inpst=0分别为V203和L051处于掉电模式下的电流。MCU仅运行Run模式， Run模式下V203的功耗比L051低，Delt I 恒小于零，第二种模式下V203功耗更低。 第二种方案，一个周期内V203与L051的功耗电流差Delt I 由下式表示。其中Ir1ch(t)、Ir2ch(t)分别为LPCU1和V203处于Run模式下的电流；Ir1st(t)、Ir2st(t)分别为LPCU2和L051处于Run模式下的电流。若Ir1ch(t)=Ir1st(t)，则Delt I 恒小于零，第三种模式下V203功耗更低。 四、总结 本文以ST与沁恒微电子的产品为例，进行了性能与功耗方面的对比。L051是专门为低功耗产品设计的，其在Stop、Standby模式下的功耗极具有竞争力。CH32V203是一款高性能同时兼顾低功耗的MCU，系统主频最高144MHZ，运行功耗低至44.65uA/Mhz，在RAM运行模式下合理调低运行主频，可兼顾低功耗产品的开发需求。本文分析表明，在性能上，V203单片机比通用型F103性能高。在功耗上，V203单片机在Sleep、Run模式下比专为低功耗设计的L051单片机更有优势。
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