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设计超低功耗的嵌入式应用之五种电源模式的详细介绍

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楼主
kk5290122|  楼主 | 2014-9-18 22:43 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    通常说来,SoC相对于传统MCU而言能支持更多低功耗模式。其原因在于SoC集成度高,有更多片上组件和多种电源配置,以支持不同的工作需求。电源模式的数量与每种模式下的可用资源根据器件会有所不同。举例来说,在某种低功耗模式下,某个器件能在仅保持寄存器和RAM内容的情况下给所有其它组件断电,而另一种器件则只是给CPU断电,而让其它资源继续运行。不同制造商会对这些模式采取不同的命名方法。在本文中,我们将以赛普拉斯的PSoC 4器件为例来详细介绍各种电源模式。
以下电源模式也得到其它制造商的大多数设备的支持:
●工作模式
●休眠模式
●深度休眠模式
●冬眠模式
●停止模式
沙发
kk5290122|  楼主 | 2014-9-18 22:45 | 只看该作者
     下面我们来看看这些电源模式的具体情况:
1.工作模式:在此模式下,CPU和所有片上其它资源都正常工作运行。该模式是系统整体功耗的最主要组成部分。在此模式下,如果不使用的话,可将芯片上的各种外设分别断电。
2.休眠:这是控制器另一种常见的电源模式。该模式主要与CPU有关。当CPU进入休眠状态后,其时钟移除。CPU这时对总功耗的唯一影响就是静态功耗,因为这时已经没有时钟开关切换工作,也就不会有动态功耗。ADC和比较器等其它外设在此模式下可用。
3.深度休眠:此电源模式下即便是系统时钟也被禁用,所以在此模式下所有高频资源都不可用。不过,这些资源的当前状态不受影响,也就是说CPU寄存器、SRAM等的当前状态不受影响。由于高频时钟被禁用,因此能节约开关消耗的功率。通常情况下,深度休眠模式提供低频时钟运行的选项,低频时钟可用来驱动定时器等低频资源。此外,该模式也允许开发人员使用I2C从设备等通信协议块,其无需器件自身生成时钟。由于进入此模式的主要方法就是禁用系统主时钟,因此这是可以实现的。然而,模块仍然可通电。该模式对功耗的影响主要在于片上所有时钟的静态功耗。
4.冬眠:在此模式下,所有时钟都关闭,包括低速振荡器。片上所有资源,除了用于外部事件触发唤醒的资源以外全都断电。由于本模式下几乎所有组件都断电,因此该模式能减少静态和动态功耗组件,从而实现最低功耗。
5.停止:顾名思义,停止模式就是所有外设断电,即使是RAM和CPU寄存器的内容也不保持。在PSoC 4等类似器件中,这种模式下仅保持IO引脚的状态。从这种模式下唤醒会进入芯片重启动。

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板凳
kk5290122|  楼主 | 2014-9-18 22:48 | 只看该作者
    当分析一款应用的功耗时,必须查看所有电源模式下的功耗情况。
    必须明确某种模式下能提供唤醒源。举例来说,需要某种中断才能从休眠模式唤醒,在冬眠模式下则需要I2C地址匹配中断以唤醒器件。需要了解每种模式下有哪些资源工作,能提供什么唤醒资源。举例来说,系统中可用比较器中断作为唤醒源,在超出设定阈值情况下可用模拟输入唤醒系统。就图所示的应用而言,唤醒需要采用GPIO中断或者甚至硬复位,因为RTC会随时运行,而且控制器不需要保持此前的状态。
    冬眠和停止模式下,功耗可低至100nA。对于RTC本身而言,您会很容易找到功耗很低的RTC(仅消耗100-200nA)。假设控制器直接驱动LCD,我们可认为LCD的关闭状态功耗为零。
     这就使得系统中的平均功耗在300nA的范围内。如果我们假设设计方案采用CR2032作为电源,电池容量约为225mAh。就300nA的电流来说,电池仅在器件始终处于断电模式下能支持70到80年的工作。

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地板
kk5290122|  楼主 | 2014-9-18 22:50 | 只看该作者

    每次按下按键,控制器都会唤醒。这会将控制器的功耗提升到500μA-1mA的范围。假设功耗为1mA左右,控制器从RTC获取数据并显示在LCD上。控制器执行这项工作只需很短的时间,但显示屏要保持较长工作时间(假设说显示屏亮起10秒钟确保用户看到数据)。作为直接驱动LCD,控制器必须保持较长的工作时间,也就是要消耗更多电荷。在此情况下,赛普拉斯的PSoC4等器件可提供低功耗模式,能让设备关闭所有其它外设,仅运行驱动LCD所需的模块。在这种器件中,LCD驱动运行在特定的低功耗模式下,这种模式被称为数字关联模式。其结果就是大幅减少电流消耗。




图2:各种状态下的电流消耗



    每次按键都会经历如图2所示的电流曲线。曲线下方区域是单次按键的典型功耗。消耗的电荷计算如下:


    Q = (1mA*1ms) + (20μA*10s)


    根据上面的数据,我们可计算出给定电源能支持多少次按键。


    工作模式下所花的时长非常重要,因为这种模式下耗电最大。一个选项是让MCU保持工作模式,但CPU时钟速度较低,从而降低工作模式下的耗电。不过,这会导致更高的平均功耗,因为工作模式所花的时间取决于时钟频率。此时由于MCU必须处于工作模式,因此功耗取决于MCU处理数据所花的时间。更快速的MCU能很快完成任务,从而延长处于低功耗模式下的时间,也就能让系统减少功耗。系统设计人员可根据系统要求明确最佳配置。




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5
waitingf| | 2014-9-23 07:41 | 只看该作者
写的有点简单啊

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6
someonewho| | 2014-9-23 07:58 | 只看该作者
多谢分享 楼主辛苦

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7
justbybing| | 2014-9-23 08:00 | 只看该作者
看一看

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specialfrin| | 2014-9-23 08:10 | 只看该作者
不得不承认SOC功能确实很强大

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someontime| | 2014-9-23 08:12 | 只看该作者
**里没有提够五种吧

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haidixibahe| | 2014-9-24 08:17 | 只看该作者
多谢楼主分享  辛苦了

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chao11yue| | 2014-9-24 08:24 | 只看该作者
有相关技术文档吗

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engtafanzhuan| | 2014-9-24 08:42 | 只看该作者
学习学习 多谢分享

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xichengmadia| | 2014-9-24 09:06 | 只看该作者
了解一下 哈哈

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14
beiwaroad| | 2014-9-24 09:11 | 只看该作者
下载看一

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15
beiwaroad| | 2014-9-24 09:11 | 只看该作者
下载看一看

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songchenping| | 2014-9-27 16:35 | 只看该作者
人们关心的低功耗就是出于运行模式和休眠模式的功耗关系。有的低功耗是能量所控,就好比电池供电的设备,定期充电。同时又的低功耗是结构多定,就像4~20mA接口模块。所能用的就只是3.6mA以下的能量。

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17
kk5290122|  楼主 | 2014-10-19 20:55 | 只看该作者
waitingf 发表于 2014-9-23 07:41
写的有点简单啊

呵呵,看来ls是这方面的大神啊!

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kk5290122|  楼主 | 2014-10-19 20:55 | 只看该作者
someonewho 发表于 2014-9-23 07:58
多谢分享 楼主辛苦

不客气呀……

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19
kk5290122|  楼主 | 2014-10-19 20:56 | 只看该作者
justbybing 发表于 2014-9-23 08:00
看一看

欢迎欢迎……

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kk5290122|  楼主 | 2014-10-19 20:56 | 只看该作者
specialfrin 发表于 2014-9-23 08:10
不得不承认SOC功能确实很强大

这是必须的啊!

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