低功率時(shí)鐘選項――滿(mǎn)足客戶(hù)的低功率需求

不斷增長(cháng)的低功率電子設備需求在消費、工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)的各個(gè)角落隨處可見(jiàn)，無(wú)論應用是由市電供電還是電池供電。不斷上漲的能源成本、更高的競爭基準要求和日益嚴格的立法控制只是對最新一代電子產(chǎn)品提出更高功效要求的幾個(gè)要素。

通過(guò)深入到最新的微控制器(MCU)的核心，就有可能從根本上實(shí)現低功耗。本文一開(kāi)始先介紹了飛思卡爾MC9S08系列產(chǎn)品提供的幾種不同時(shí)鐘模塊，然后詳細介紹了多功能時(shí)鐘發(fā)生器(MCG)提供不同時(shí)鐘選項。這種發(fā)生器是當今系列產(chǎn)品中最靈活的模塊。本文向讀者介紹時(shí)鐘選擇對于在應用中實(shí)現低功率運行是多么重要。

本文介紹了MCG的工作原理，并詳細介紹了幫助降低功耗的一些屬性，如鎖相環(huán)(PLL)、鎖頻環(huán)(FLL)、分頻系數，最后討論了這些屬性如何影響時(shí)鐘的精確性。

時(shí)鐘考慮

時(shí)鐘負責在整個(gè)CPU和其他MCU外圍設備中提供基本定時(shí)和同步信號。時(shí)鐘信號由外部源(如水晶)或內部源(如RC電路)提供。應用將最終確定采用哪一種時(shí)鐘源，因為每一種時(shí)鐘源都有自己的優(yōu)勢。

從根本上講，MCU的時(shí)鐘速度越快，該設備的功耗越高，反之亦然。為了延長(cháng)電池供電設備的壽命或者設計更小巧、更簡(jiǎn)單的電源(針對市電供電應用)，降低微控制器的功耗非常重要。時(shí)鐘只是微控制器中影響功耗的眾多特性之一。

飛思卡爾的多功能時(shí)鐘發(fā)生器

在飛思卡爾的8位MC9S08系列產(chǎn)品中，您可以采用內部時(shí)鐘源(ICS)、內部時(shí)鐘發(fā)生器(ICG)或多功能時(shí)鐘發(fā)生器(MCG)，具體取決于用戶(hù)選擇哪種MCU。在采用飛思卡爾設備的各種應用中，有3種模塊可以用來(lái)支持這些應用。每一種時(shí)鐘模塊都具有相似的屬性，ICS可以被看作是ICG的一個(gè)子集，MCG可以被看作是ICS和ICG的合并。MCG在設計時(shí)充分考慮了高端應用的需求，而ICS則恰恰相反，它適合體積較小、對成本敏感的MC9S08設備。盡管MCG可提供最廣泛的功能，但有時(shí)結合使用ICS和ICG 可能并不合適，因為某些應用可能只需要ICS和ICG分別提供的功能。表格1對這3種時(shí)鐘模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)單對比。

1 帶有ICS的模塊可能不包含振蕩器，因為它們可能沒(méi)有足夠數量的針腳。在沒(méi)有外部時(shí)鐘源的情況下，模塊只有3種運行模式。

2 這些不包括“關(guān)閉”模式。

由于功能的增加，MCG是3種模塊中功能最多的模塊。PLL、FLL、內部或外部生成的參考時(shí)鐘可以為用戶(hù)提供多種選擇。圖1顯示了MCG的結構圖。

PLL電路可以為設計人員提供精度最高的時(shí)鐘解決方案。它采用了外部振蕩器，但內部參考時(shí)鐘可以最大限度地節約功率。因此我們可以采用8種不同模式運行該模塊。用戶(hù)可以在他們的應用中隨時(shí)在這些模式之間切換：

·FLL Engaged Internal(FEI)

·FLL Engaged External(FEE)

·FLL Bypassed Internal(FBI)

·FLL Bypassed External(FBE)

·PLL Engaged External(PEE)

·PLL Bypassed External(PBE)

·Bypassed Low Power Internal(BLPI)

·Bypassed low Power External(BLPE)

每一種運行模式的全部細節不在本文討論范圍之內，但有關(guān)MCG 運行模式的信息可以從飛思卡爾技術(shù)培訓中心(http://www.freescale.com/training)提供的MC9S08 MCG在線(xiàn)培訓資料中獲取。根據MCG支持的應用的不同，上述每一種模式都具有它們獨特的優(yōu)勢。

不同運行模式的功耗互不相同。我們可以這樣說(shuō)，采用內部組件的模式所消耗的功率少于采用外部組件的模式。而MCG包括兩種專(zhuān)門(mén)為低功率應用設計的模式——旁通低功耗內部(BLPI)和旁通低功耗外部(BLPE)。驅動(dòng)BLPI模式的總線(xiàn)頻率要比BLPE 模式低，因此BLPI 模式消耗的功率最小。圖2總結了每一種運行模式的功耗。

旁通低功耗運行模式

在這些模式中，FLL或PLL被旁通，系統時(shí)鐘源從內部時(shí)鐘(BLPI)或外部參考時(shí)鐘(BLPE)中獲得。要了解涉及旁通鎖環(huán)電路的低功耗運行模式，我們應注意PLL/FLL的運行方式。PLL有輸入時(shí)鐘信號必須經(jīng)過(guò)的幾個(gè)階段，如圖3所示。

PLL的目的是不斷對比輸入信號的相位和輸出信號的相位并調節出現的任何差異，從而保持頻率信號。一般而言，PLL包括一個(gè)相位檢測器、低通過(guò)濾器和電壓控制振蕩器(VCO)。相位檢測器對兩種輸入值的相位進(jìn)行對比并提供與相位差異成比例的輸出，然后這些輸出通過(guò)低通過(guò)濾器過(guò)濾。VCO負責將頻率輸出轉換成相位輸出，最后一個(gè)階段提供輸入反饋(負的)，以便重新開(kāi)始整個(gè)過(guò)程。很明顯，保持非常精確的時(shí)鐘源的過(guò)程可能需要大量功率。FLL的運行方式稍有不同，它可以鎖定頻率而不是相位。因此旁通PLL(或FLL)階段并使用外部/內部時(shí)鐘源消耗的功率更低，但代價(jià)是整體時(shí)鐘精確性的下降。直接時(shí)鐘源的精確性由水晶(外部源)或RC電路(內部源)的質(zhì)量決定。

這些低功耗旁通模式可以進(jìn)一步降低功耗，因為它們運行時(shí)不需要啟動(dòng)后臺調試通信(BDC)設備。這意味著(zhù)這些運行模式下不能進(jìn)行調試。然而，如果需要BDC，該模塊會(huì )自動(dòng)切換到可處理BDC的適當旁通運行模式(即FBE、FBI或PBE)。

由于 PLL/FLL沒(méi)有運行，導致兩種模式出現固定頻率范圍。在BLPI模式中，內部參考生成器 固定為31.25kHz-39.06kHz，因此總體功耗最低。另一方面，BLPE模式的頻率范圍非常大(低范圍：32kHz-38.4kHz;高范圍：1MHz–16MHz)，因為PLL/FLL不會(huì )對外部參考頻率設定任何限制。在MCG控制寄存器2中，用戶(hù)還可以選擇總線(xiàn)分配器(BDIV)位功能，使時(shí)鐘源可以除以1、2、4或8系數——注意，更低的總線(xiàn)時(shí)鐘速度可進(jìn)一步降低功耗 。

MCG控制寄存器 2還包含其他基本位，使模塊可以以低功耗運行。低功耗選擇(LP)位控制在旁通模式下是否禁用PLL(FLL)。這種具體操作已在前面討論過(guò)。該寄存器還包含一個(gè)高增益振蕩器(HGO)選擇位，可以控制外部振蕩器。用戶(hù)定義設備是否應當以高增益還是低功耗運行。為了最大限度地降低功耗，低功耗模式將限制振蕩器針腳上的電壓擺動(dòng)，而高增益運行會(huì )帶動(dòng)振蕩器針腳上的軌至軌(rail-to-rail)電壓擺動(dòng)。

MCG寄存器的其他功能包括MCG狀態(tài)、控制寄存器鎖丟失和時(shí)鐘監控器位丟失。如果發(fā)生鎖/時(shí)鐘丟失事件，這些功能會(huì )觸發(fā)中斷/復位操作。關(guān)閉這些功能可以進(jìn)一步降低功耗，但也會(huì )降低系統的強韌性。

結論

MC9S08DZ系列產(chǎn)品中目前提供的MCG模塊能夠為應用設計人員提供多種運行模式。這些模式都具有不同屬性，適合各種應用。PEE模式可通過(guò)采用外部源(盡管是PLL)提供最高的時(shí)鐘準確率，但代價(jià)是功耗最高。相反，BLPI模式下時(shí)鐘速度最慢，消耗的功率也最低。顯然，性能提高，功耗也會(huì )相應增加。

還有一些措施可以進(jìn)一步降低功耗，如關(guān)閉時(shí)鐘丟失和鎖丟失功能及利用總線(xiàn)頻率分配器功能。后一種屬性可用于任何運行模式，可以幫助降低功率而不需要利用旁通模式。