消除現實(shí)世界中超低功耗嵌入式設計的隱患

　　目前，工程師的任務(wù)之一是開(kāi)發(fā)基于低成本微控制器 (MCU) 的超低功耗嵌入式應用，此類(lèi)應用通常要求用一顆電池維持數年的工作。在從家用自動(dòng)調溫器到個(gè)人醫療設備等此類(lèi)超低功耗應用中，設計人員必須仔細考慮每一微安電流。本文主要探究功耗去向以及如何消除往往在項目的最后時(shí)刻才會(huì )顯露的隱患。 在典型的基于超低功耗 MCU 的應用中，有效占空比極低。在下，絕大多數時(shí)間處于待機模式下，只保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。此類(lèi)例子包括數秒鐘才測一次溫度的電子自動(dòng)調溫器以及一天只啟動(dòng)幾次且每次運行不超過(guò) 1 分鐘的便攜式血糖監測儀。但是一旦有需求，系統必須即時(shí)進(jìn)行處理。 應當牢記的是，基于 MCU 的超低功耗應用必須提供如下性能：

•         盡可能低的待機功耗;
• 　　必要的卓越性能;
• 　　在工作模式間能夠快速切換。

　　理想的電池 便攜式儀器使用的電池對系統的工作壽命有很大的影響。最常見(jiàn)的方法是使用一對標準的 1.5V‘AAA’堿性電池。另一種既能使成本最小化又無(wú)需更換電池的解決方案是永久安裝的單體鈕扣鋰電池。永久電池概念是一個(gè)重要的市場(chǎng)賣(mài)點(diǎn)，這種電池能夠避免客戶(hù)服務(wù)及因更換電池時(shí)安裝不當所引起的相關(guān)責任。 假設有一個(gè)最小供電電壓為 2.7V 的電池供電儀器，它的待機模式?jīng)Q定了平均電流，其值通常在 2μA 以?xún)?。在使用一?lsquo;AAA’電池供電時(shí)，則需要一個(gè) 20uA 以?xún)鹊姆€壓器對此類(lèi)電池的線(xiàn)性放電進(jìn)行補充。因而，系統的總電流消耗為 22μA 即 MCU 與穩壓器之和。串聯(lián)的 2 節堿性電池放電至 2.7V 電壓時(shí)，只有 40% 的電池容量能被利用，產(chǎn)生大約 400mAh 的電量。在除以 22μA 的平均電流消耗之后，我們就可以計算出采用這種堿性電池供電，系統可以運行 2 年。 與之相反，鋰電池具有平坦的放電特性，使得其電池容量幾乎可以得到完全利用，而無(wú)需進(jìn)行漏電流調節。例如，一顆普通的 220mAh鈕扣鋰電池 CR2032，其放電量可以達到 90%，輸出電壓幾乎恒定為 2.8V?？偟南到y電流消耗為 2μA(即只有 MCU 的電流消耗)。采用這種解決方案，一顆電池就可以使系統運行 10 年以上。由于具有超長(cháng)的工作壽命，此類(lèi)儀器往往可以設計成一次性設備，10 年后，該儀器完成了它的使命，同時(shí)也變得陳舊或過(guò)時(shí)。時(shí)鐘控制是關(guān)鍵 超低功耗應用中經(jīng)常采用雙振蕩器方案。一個(gè)總是保持開(kāi)放狀態(tài)的 32kHz 的鐘表晶振用于低頻輔助時(shí)鐘 (ACLK)，通常只為定時(shí)器與實(shí)時(shí)中斷功能提供時(shí)鐘源。一個(gè)能夠‘快速啟動(dòng)’的高頻主時(shí)鐘 (MCLK) 振蕩器只有在 CPU 與系統需要時(shí)才啟動(dòng)，且其喚醒時(shí)間一般小于 10 微秒。不過(guò)，了解哪些時(shí)鐘需要快速啟動(dòng)，哪些時(shí)鐘不需要快速啟動(dòng)是很重要的。 常見(jiàn)的陷阱是二級系統時(shí)鐘喚醒，其最初僅向 CPU 與系統提供 ACLK，而 MCLK 則保持穩定(1 毫秒即可啟動(dòng))。有時(shí)為系統提供快速啟動(dòng)的 MCLK(但不穩定)，但其不穩定性會(huì )給可用性造成不利影響。例如，如果要求采用 19200 波特 UART 協(xié)議下載數據(這種操作可以隨時(shí)進(jìn)行)，這就要求每隔 52μs 準確接受一個(gè)比特。但 ACLK 的頻率不足以為 UART 提供足夠的波特率調制。如果將二級啟動(dòng)的高速 MCLK 用于 UART，結果將會(huì )造成無(wú)法預測的波特率并會(huì )丟失字符。在此情況下，MCLK 穩定下來(lái)之前 MCU 必須使系統處于等待狀態(tài)。 進(jìn)入與退出低功率模式并快速處理數據的能力至關(guān)重要，否則 CPU 就會(huì )在等待時(shí)鐘穩定過(guò)程中浪費功率。高速系統時(shí)鐘可能能夠快速啟動(dòng)并立即穩定下來(lái)。 外設功耗 在設計基于 MCU 的超低功耗應用時(shí)還必須考慮到外設的功耗。大部分 MCU 都具有啟動(dòng)單個(gè)外設與時(shí)鐘源的能力，以節省功耗。僅在需要時(shí)啟動(dòng)某個(gè)外設與時(shí)鐘是降低功耗的基礎。

　　但是我們需要細心檢查兩個(gè)與外設控制相關(guān)的領(lǐng)域，即欠壓保護和端口引腳漏電流。 大部分 MCU 都集成了欠壓保護功能，其可在電源電壓降低到安全工作范圍之外時(shí)重啟系統，以避免無(wú)法預料的事件發(fā)生。MCU 通常還能啟用或禁用欠壓保護功能以節省功耗，但是欠壓保護必須始終處于開(kāi)啟狀態(tài)，這是因為欠壓是無(wú)法預測的。 端口引腳漏電流有時(shí)會(huì )被忽視，但這個(gè)問(wèn)題必須考慮。許多老式的 MCU 的限定輸入引腳漏電流為 1 µA。而這對于一個(gè)具有 20 個(gè)輸入端口的器件來(lái)說(shuō)會(huì )消耗 20µA 的電流!但專(zhuān)為低功耗設計的 MCU 允許最大不超過(guò) 50nA的漏電流。 架構影響 在項目開(kāi)始之前，我們通常需要執行一系列專(zhuān)用基準，以分析指定架構在代碼密度與周期數量方面的整體效率。通過(guò)這個(gè)步驟，設計人員應當檢驗關(guān)鍵的可重入代碼路徑，以便深入了解可能架構對具體應用產(chǎn)生的影響。 處理集成 A/D 轉換器外設的中斷服務(wù)程序是可重入代碼的一個(gè)好例子。圖 1 說(shuō)明了可同時(shí)在工作文件型 8 位 RISC CPU 與基于寄存器的 16 位 RISC CUP 架構中傳輸 10 位 A/D 數據所需的指令。8 位架構采用單個(gè)工作文件累加器，數據必須通過(guò)該工作文件累加器進(jìn)行傳輸。此類(lèi)架構與基于 16 位寄存器的 CPU 相比需要更多的 CPU 開(kāi)銷(xiāo)，因為后者允許直接存儲器對傳輸進(jìn)行存儲。從此例可以看出，16 位架構所需代碼更少，功能執行速度快 4 倍，從而縮短了運行時(shí)間，降低了功耗。 上述 A/D 轉換器實(shí)例僅對 CPU 處理數據能力的差異進(jìn)行了對比。而同樣重要的是 A/D 轉換器外設具備可以降低服務(wù)需求的特性。如自動(dòng)通道掃描、基于定時(shí)器的SOC 觸發(fā)器以及轉換輸出的直接傳輸等特性可以將 CPU 開(kāi)銷(xiāo)基本上降低至零，從而有效地將功耗降低至僅為 A/D 轉換器自身的功耗。 最終清單 針對具體應用選擇超低功耗 MCU 將是一件耗時(shí)而又困難的工作?；ㄐr(shí)間來(lái)了解各種 MCU 的架構特性，可以使設計滿(mǎn)足苛刻的功率預算要求。

　　以下清單為實(shí)現基于超低功耗 MCU 的設計提供了部分指導原則。 考慮采用永久鋰電池;

• 　　采用多種工作模式;
• 　　盡可能降低待機功耗;
• 　　采用即時(shí)啟動(dòng)且穩定的高速振蕩器;
• 　　在功率預算中考慮欠壓保護功能;
• 　　兼顧端口引腳泄漏;
• 　　采用可最小化每項任務(wù)周期數 (cycles per task) 的 CPU;
• 　　提供可以降低開(kāi)銷(xiāo)的智能外設。