節能MCU內核可延長(cháng)電池壽命

簡(jiǎn)單任務(wù)無(wú)需MCU內核

盡管設計工程師非常小心地為一個(gè)高性能處理內核提供電源，并且在盡可能短的時(shí)間內實(shí)現了這個(gè)目標，但芯片設計師或系統設計師有必要問(wèn)問(wèn)給定任務(wù)是否需要這樣的內核，即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，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中。運行通信接口的軟件堆棧一定會(huì )要求喚醒MCU內核，但這會(huì )更頻繁地打開(kāi)模數轉換器，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)控制下自主運行的話(huà)，消耗的功率會(huì )更少。由于應用的差別很大，能夠靈活地選擇哪些功能模塊來(lái)供電以及它們如何通信對充分利用這一概念非常重要。

圖4：使用一個(gè)互連矩陣或“外圍設備反射系統”可以執行簡(jiǎn)單的任務(wù)。在電源預算中加密

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)生了與直覺(jué)略微不一致的結果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門(mén)控數。利用先進(jìn)的時(shí)鐘樹(shù)設計、時(shí)鐘門(mén)控和片上電源開(kāi)關(guān)等技術(shù)，IC設計工程師可以隨時(shí)輕松地完全關(guān)斷不需要的功能。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，通常采用被稱(chēng)為AES的算法。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×微秒(MICROamps-times-MICROseconds)。這些周期中的大多數花在了執行算法中的一些內部循環(huán)計算上，增加一個(gè)AES加速器硬件模塊可使MCU停止AES算法，轉向專(zhuān)用硬件，MCU繼續進(jìn)行其他處理，并以更少的周期得到加密(或解密)結果。

迅速擴展的能源敏感應用類(lèi)別(由少數高端類(lèi)別如智能電能計量領(lǐng)導)重新定義了用電池驅動(dòng)一個(gè)產(chǎn)品的意義。這些產(chǎn)品必須在單電池的驅動(dòng)下提供服務(wù)，這一時(shí)間與電池本身的有效期一致，并與電池制造商規定的最大時(shí)間間隔(長(cháng)達甚至超過(guò)20年)一致。只有一個(gè)高度集成的單芯片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設計工程師十分注重低功耗芯片設計的每個(gè)方面，這樣的IC架構現在可以提供現代、功能強大的32位處理器內核給產(chǎn)品設計工程師，同時(shí)盡可能地降低了功率要求。

小結

在設計電池供電產(chǎn)品時(shí)，人們顯然希望電池壽命盡可能長(cháng)些。能源敏感的產(chǎn)品應用大致分為能源計量系統、家庭與樓宇自動(dòng)化、安全和醫療系統(圖1)。這些產(chǎn)品通常會(huì )圍繞一個(gè)微控制器(MCU)，必須用單個(gè)原電池工作很長(cháng)時(shí)間。在某些應用中，更換電池很困難甚至是不可能的，即使在其它普通應用中，用戶(hù)也不大愿意支付更換電池的成本。

這類(lèi)應用中采用的是在極低占空比下工作的微處理器，它在“深度睡眠”狀態(tài)下的時(shí)間可能占了99%甚至更高(達到99.9%也不罕見(jiàn))。微處理器在一個(gè)周期循環(huán)或在回應某些刺激時(shí)被“喚醒”來(lái)執行操作，并返回到睡眠狀態(tài)中。由于它們花了如此多時(shí)間在睡眠狀態(tài)，很明顯，獲得更長(cháng)電池壽命的關(guān)鍵是在掉電狀態(tài)下的電流消耗。不過(guò)，同一節電池的使用壽命為3或4年與超過(guò)10年、延至20年甚至更長(cháng)之間的區別在于，要密切注意這個(gè)任務(wù)如何使用MCU資源的各個(gè)方面，以及MCU本身是如何設計成以各種方式減少能耗的。