低功耗高能效的電源MCU方案

標簽：電池 MCU

當電池需要在幾年甚至幾十年中為某個(gè)產(chǎn)品供電時(shí)，不斷改進(jìn)MCU集成產(chǎn)品和輕微修改基本處理器結構都不能滿(mǎn)足人們急劇增加的節能需要。針對很多能源敏感產(chǎn)品，如：計量器、樓宇自動(dòng)化產(chǎn)品、安全產(chǎn)品和便攜式醫療設備，如果節能需求和處理功率之間發(fā)生了沖突，就必須要大規模發(fā)展MCU設計。

EnergyMicro采用了一種‘bluesky’的方法來(lái)設計它的低功率EFM32Gecko微處理器，也開(kāi)發(fā)了支持這個(gè)產(chǎn)品的軟件和硬件工具(圖1)。EnergyMicro現已生產(chǎn)了一種裝置，僅夠消耗現有8位、16位和32位MCU所耗能量的四分之一，使現有電池的壽命大大延長(cháng)了。換句話(huà)說(shuō)，有了這樣的節能MCU,產(chǎn)品設計人員能夠大大削減電池的成本、縮小它的尺寸了。而對某些產(chǎn)品，如能源計量器和安全設備，有了頻率、成本和碳足跡的維護標注，電池的更換次數就更少了。

要在MCU上獲得如此低功率的資格不是件容易的事，需要進(jìn)行多年的開(kāi)發(fā)，實(shí)現真正的創(chuàng )新。到EnergyMicro的網(wǎng)站上去查一查最高峰值，您就會(huì )發(fā)現有關(guān)技術(shù)的描述都取了很大的標題，讓32位EFM32成為世界上最節能的微控制器的10大原因，實(shí)際上肯定還有更多的原因。

我們先把“超低能量”的specmanship(技術(shù)指標差距)放在一邊吧。當電池充電量有限時(shí)，MCU如何能超時(shí)使用能源就變得很重要。在產(chǎn)品的休眠期內減少其能耗和時(shí)間與在活躍期時(shí)要做的工作一樣重要。EFM32MCU以ARMCortex-M3處理核為基礎，在設計上大大減少了活躍模式的電源消耗。在基準測試中，32MHz的EFM32實(shí)際需要3V的供電，以180μA/MHz的能量運行正確的Flash代碼。

這很好，但MCU需要多長(cháng)時(shí)間來(lái)處理任務(wù)也會(huì )對節能產(chǎn)生重要影響。因此，使用32位Cortex-M3比8位和16位器件的處理效率高，執行任務(wù)的時(shí)鐘周期也短得多，這樣就會(huì )大大縮短產(chǎn)品活躍期。通過(guò)保持盡可能短的活躍周期，32位MCU更多的時(shí)候都處于深度睡眠模式。人們都忘記了過(guò)去32位處理器是不能傳送sub-?A待機模式的，采用了正確的低功耗設計技術(shù)，現在可以做到這點(diǎn)了。EFM32可以提供所有基線(xiàn)功能，如：實(shí)時(shí)計數器、RAM和CPU保持、掉電檢測和深度睡眠模式中的開(kāi)機重設，全部只使用0.9μA的能量。

通常，在我們提到的目標應用中，MCU的工作周期可以非常短，MCU在深睡眠狀態(tài)可停留高達99%的時(shí)間。因此，這里的消耗對整體節能真的很重要。

如果MCU從深度睡眠中喚醒產(chǎn)品并重新進(jìn)入活躍模式所花的時(shí)間很長(cháng)，其優(yōu)勢就會(huì )喪失。為什么呢?因為當MCU從深度睡眠狀態(tài)進(jìn)入活躍狀態(tài)，總會(huì )有一個(gè)喚醒周期，在次期間處理器必須等待振蕩器和電源系統穩定下來(lái)才能開(kāi)始執行代碼。由于在此期間無(wú)法進(jìn)行任何處理，喚醒所耗費的能量就被浪費了，因此縮短喚醒時(shí)間對降低整體能耗很重要。

不止這些，MCU應用還會(huì )影響實(shí)時(shí)要求，這通常指的是喚醒時(shí)間必須保持最短才能使MCU能夠在一段時(shí)間內回應一個(gè)事件。由于許多應用要求的延遲比許多現有MCU的喚醒時(shí)間還長(cháng)，設備通常不能完全進(jìn)入深度睡眠——這對節能應用來(lái)說(shuō)不是很好的解決方案。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，EFM32采用了各種設計技術(shù)將深度睡眠的喚醒時(shí)間減少到了僅需2μs，確保CPU開(kāi)始處理任務(wù)時(shí)所用的能量最少。

如果要完全控制和真正優(yōu)化節能，系統設計人員需要靈活選擇一些結構良好的能源模式。如表1所示，EFM32提供了幾個(gè)模式，可讓設計人員及時(shí)在任何地點(diǎn)使用資源，最大限度地提高能源效率。

即使在一些觀(guān)察家看來(lái)這些能源模式可能有點(diǎn)粗糙，但啟用或禁用不同外圍設備可更精細地調整每個(gè)模式下的資源。無(wú)論采用哪種方式，EFM32的能源模式都有助于杜絕任何能源的浪費。

當然，低功耗MCU提供的外圍設備功能塊需要被刻意設計來(lái)用于低功耗操作，而EFM32也不例外。例如MCUsport的8通道12位ADC在全分辨率時(shí)使用350?A和1Msamples/1秒的轉換率;一個(gè)4×4節的LCD控制器只用550nA的sporting集成電壓增強、對比度、動(dòng)畫(huà)和閃爍功能;而特殊的低能量UART和有32kHz時(shí)鐘的完整UART，數據傳輸速度達9600波特時(shí)僅消耗150nA。

要實(shí)現更好的節能效果，創(chuàng )建一個(gè)MCU架構是個(gè)重要的創(chuàng )新，它使CPU可以自動(dòng)保留外圍設備功能。因此，EFM32的外圍設備在設計上要能顧及自己，要么讓CPU處理其它高水平任務(wù)，要么干脆入睡，這兩種方式都可以節能。

要更進(jìn)一步實(shí)現自動(dòng)化，就要將EFM32引入另外一個(gè)可編程互連結構，稱(chēng)為外圍反射系統到一個(gè)MCU架構(圖2)中，使外圍設備之間的交流不會(huì )受到CPU的干預，從而更多地減少能量消耗。

擁有超節能的MCU本身并不能保證用戶(hù)有最低的能耗。如果在產(chǎn)品進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)的早期就配備能識別并防止能耗的合適工具，就可以大大減少最終產(chǎn)品的整體能耗。

在ElectrONica2010展上，EnergyMicro宣布即將開(kāi)發(fā)SimplicityStudio，這是用于EFM32微控制器的完整的圖形用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)套件。它會(huì )更快接入硬件、固件和軟件工程師們所需要的所有信息、文件和工具，并有效地開(kāi)發(fā)嵌入式系統。這些工具大部分都有現貨。

EFM32的開(kāi)發(fā)工具包有一個(gè)AdvancedEnergyMonitoring(AEM)系統，可持續測量消耗的電流。這種測量方法是完整的，可準確描繪超時(shí)使用的電源，把實(shí)際中應用優(yōu)化為低功率運行(圖3)。

在使用energyAwareProfiler“能量調試”軟件工具時(shí)，AEM可使用戶(hù)及時(shí)確定能源圖上顯示的在給定時(shí)間內執行的實(shí)際源代碼。這些代碼會(huì )立刻向工程師們指出產(chǎn)生高能耗的程序部分，使代碼被優(yōu)化，更密切地管理好節能。