一節單電池用20年

CR2032紐扣電池廣泛用于小型MCU如遠程環(huán)境傳感器中，這是一種鋰/二氧化錳3V原電池。典型的供應商 - 例如，柯達（參考1） -評定230 mAh到2V的終點(diǎn)電壓能力為 5.6 k (約有0.5 mA). 如果是那樣的話(huà)，電池壽命將為400小時(shí)，相比之下，能源敏感的應用能使使用壽命達到20萬(wàn)小時(shí)。這種特殊的電池具有很好的貨架壽命或自放電率，數據表顯示10年之后其容量達90％。非常相似的是，這相當于連續充電約0.25 A, 如果能夠達到10-20年的電池壽命, 應用的一般要求就會(huì )滿(mǎn)足。

伴隨電池壽命的是數量有限的電荷，設計者必須在MCU運行的所有階段減少產(chǎn)品的電流和時(shí)間，不僅要減少每微安的數量，也要減少每個(gè)動(dòng)作的每個(gè)微秒。

為了減少深度睡眠模式下消耗的電流，在能源敏感應用的MCU中采用8位（或16位）內核已很普遍。其理由是，8位內核―即使在最新版本中也常常采用這樣的設計 - -很小，門(mén)控相對較少，靜電或泄露電流低。但是，許多現在的應用都需要比8位內核更大的處理功率。在其它MCU應用領(lǐng)域，用戶(hù)往往選擇從一個(gè)8位升級到一個(gè)32位環(huán)境。在低功耗的情況下，人們一直假定32位內核在其掉電模式狀態(tài)時(shí)使用的電流一定是高得令人無(wú)法接受的。隨著(zhù)全套低功耗設計技術(shù)的出現，今天的IC設計師們已經(jīng)可能讓一個(gè)32位ARM內核提供不同的低功耗模式了，與其8位的競爭對手一樣好，甚至更好，而且還能實(shí)現快速喚醒時(shí)間。 32位處理器更高的處理性能也使MCU可以更快完成任務(wù)，從而能夠在這些低功耗模式中花更多時(shí)間來(lái)進(jìn)一步降低平均功耗。

低功耗外圍設備功能
要優(yōu)化最低耗用功率的MCU睡眠狀態(tài)功耗需要整體的設計方法。除了內核，MCU里的其它模塊在待機設備、穩壓器、偏置電流發(fā)生器，欠壓檢測比較儀、加電復位電路中會(huì )繼續吸引一些電流 。在幾乎所有情況下，簡(jiǎn)單的交替換位都適用; 掉電狀態(tài)越深，就越多外圍設備的功能被完全切斷，芯片準備好實(shí)施處理任務(wù)的喚醒時(shí)間越長(cháng)。由于應用的差別很大，MCU設計師提供一種靈活的斷電狀態(tài)下的擴展套件形式就顯得很重要了，這樣產(chǎn)品設計人員就可以很好地為他個(gè)人的項目進(jìn)行待機功率和響應能力的交替換位。

設計實(shí)施ARM內核以實(shí)現在nanoamp區最深睡眠狀態(tài)的電流水平只是低能源戰略的一個(gè)步驟。能夠提供一個(gè)32位內核的處理能力為控制能源使用開(kāi)辟了新途徑， 在任何時(shí)候，它是MCU供電圖下面的區域，隨著(zhù)時(shí)間的推移，它表示從電池里取走的電荷（圖2）。就是這樣，在具體配置中電流消耗的大標題數字越多，設計人員就必須密切注意要最大限度地延長(cháng)電池的使用壽命。在EFM32微控制器的開(kāi)發(fā)工具包中，這種測量是很清楚的; 這個(gè)工具包的基本功能部分是其先進(jìn)能源監控器（圖3）。該設施在填充MCU內核的電流軌中不斷測量電流;一個(gè)從模擬到數字的轉換器（ADC）通過(guò)電阻器采集電壓，而開(kāi)發(fā)工具包軟件集成其讀數來(lái)精確測量不同時(shí)間的功率。

一個(gè)32位的內核比能力較小的MCU花更少的時(shí)間去積極完成一項相同的任務(wù)：同時(shí)，該內核在運行時(shí)使用的功率也應盡可能低。集中于低功耗的IC設計師們得到了許多精致的設計來(lái)實(shí)現其目標。例子包括優(yōu)化所有芯片同步邏輯的時(shí)鐘門(mén)控結構，并組織總線(xiàn)系統和內存 CSRAM和閃存- 在任何特定處理中的最小開(kāi)關(guān) -。采用全套低功耗設計方法會(huì )在閃存中產(chǎn)生一個(gè)運行典型代碼的ARM Cortex - M3內核，而使用少到180μA/MHz的能量。認真使用這些相同的技術(shù)可以保證數字測量準確，減少到低時(shí)鐘速率，而不僅是一個(gè)最佳性能數字。一旦MCU被喚醒并執行應用代碼，M3內核使用Thumb2指令集也有助于減少“活躍時(shí)間”。有了這樣的緊湊型16位指令的雙取指令功能，Thumb2ISA的效率非常好。

在減少電流乘微秒產(chǎn)品時(shí)，MCU設計師有很多更好的策略要部署。一個(gè)是不僅減少內核在實(shí)際處理應用代碼時(shí)所花的時(shí)間，而且縮短喚醒刺激之間的解決時(shí)間 - 無(wú)論是定時(shí)生成或事件驅動(dòng) - 并且CPU正在準備做“真正的工作”。一條線(xiàn)路是最大限度地減少啟動(dòng)時(shí)間以及內核的時(shí)鐘信號供應。眾所周知，當一個(gè)晶體振蕩器從關(guān)閉狀態(tài)中啟動(dòng)時(shí)，在作為一個(gè)系統時(shí)鐘使用之前，它需要一些時(shí)間來(lái)穩定其輸出。相反，一個(gè)RC振蕩器作為MCU必須完成的所有任務(wù)的時(shí)基可能不夠準確，但會(huì )在開(kāi)機后的幾乎一瞬間產(chǎn)生有規則的輸出。部分解決方案是縮短同時(shí)提供信號的時(shí)間; CPU在開(kāi)機的同時(shí)就開(kāi)始運行，用RC振蕩器調整時(shí)鐘，而一個(gè)小控制電路等它一穩定下來(lái)就將時(shí)鐘源傳到一個(gè)晶體振蕩器上。RC振蕩器輸出中任何頻率精度的不足都不很重要，因為使用它的周期較短。

簡(jiǎn)單的任務(wù)不需要MCU內核

盡管設計師十分注意要用一個(gè)有能力的處理內核來(lái)提供功率，并且在盡可能短的時(shí)間內實(shí)現了這個(gè)目標， 對芯片設計師和系統設計師有用的是要問(wèn)問(wèn)給定任務(wù)是否需要這樣的內核：如果喚醒它只是執行簡(jiǎn)單任務(wù)的話(huà)，即使是最節能的內核也會(huì )浪費電池的電荷。我們再用環(huán)境傳感器的應用作個(gè)例子 C它可能需要定期測量，但只需在不頻繁的時(shí)間間隔內將測量結果報告到中央數據記錄器里。運行通信接口的軟件堆棧一定會(huì )要求喚醒MCU內核，但會(huì )更頻繁地打開(kāi)模擬到數字的轉換器，指揮A / D轉換，并以低功耗內存積累結果，如果只要求外圍設備設置在互連矩陣（圖4）的控制下自主運作的話(huà)，消耗的功率會(huì )很少。由于應用的差別很大，選擇哪些功能模塊來(lái)供電以及它們如何連接的高度靈活性對充分利用這一概念非常重要。

在電源預算中加密碼
眾所周知，在現代CMOS半導體工藝中，為硬連接塊IC增加功能的硅區成本相對較低。這產(chǎn)生了輕微的與直覺(jué)不一致的結果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門(mén)控數。有了先進(jìn)的鐘樹(shù)設計、時(shí)鐘門(mén)控和線(xiàn)路板電源開(kāi)關(guān)， IC設計人員可以隨時(shí)隨地很容易地完全切斷電源。這種方法的一個(gè)突出功能就是加密。即使是看似平常的數據現在也通過(guò)例行的加密來(lái)保證安全，通常已知的算法為AES。這對一個(gè)32位MCU內核而言不是一項具有挑戰性的任務(wù)，但它確實(shí)占用了大量的處理器周期，延長(cháng)了總的微安倍乘總微秒。大多數這些周期花在了執行一些內部循環(huán)中的算法上; 增加一個(gè)AES加速器硬件模塊會(huì )使MCU停止AES算法，轉向專(zhuān)用硬件，并與其它處理器和睦相處，以更少的周期得到加密（或解密）結果。

迅速擴大的能源敏感應用類(lèi)別 - 由少數高端類(lèi)別如智能電能計量領(lǐng)導 - 重新界定了用電池驅動(dòng)一個(gè)產(chǎn)品的意思：這些產(chǎn)品必須在一個(gè)單電池的驅動(dòng)下提供服務(wù)，并比較電池本身的貨架期，在電池制造商指定的最大時(shí)間間隔的相同范圍內：達到，甚至超過(guò)20年。只有一個(gè)高度集成的單芯片的微控制器能為這樣的設計提供一個(gè)現實(shí)的解決辦法。IC設計師們十分注重低功耗芯片設計的每個(gè)方面，現在可以提供現代、功能強大的32位處理器內核給產(chǎn)品設計師了，而同時(shí)盡可能地降低了功率要求。

圖1：人們期望新一代的計量產(chǎn)品能定期報告其讀數給計費和資源管理人員，同時(shí)在二十年里其運行無(wú)人看管。