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在設(shè)計電池供電產(chǎn)品時，人們顯然希望電池壽命應(yīng)該盡可能長些。作為一個快速發(fā)展的設(shè)備種類，從單電池發(fā)展起來的應(yīng)用不僅僅停留在規(guī)格上：而是以整個產(chǎn)品的概念為中心。能源敏感的產(chǎn)品應(yīng)用大致分為能源計量系統(tǒng)、家庭與樓宇自動化、安全和醫(yī)療系統(tǒng)（圖1）。這些產(chǎn)品通常會圍繞一個微控制器（MCU），必須用單一的原電池運作很長時間。在某些應(yīng)用中，要想更換電池是很難的甚至不可能的：在其它應(yīng)用中，最終用戶不愿意支付更換電池的成本。 在這樣的應(yīng)用中采用的是占空比非常低的很活躍的微處理器，在“深度睡眠”狀態(tài)下時間可能占了99％ - 甚至更高，達到99.9％也不罕見。微處理器在一個周期循環(huán)或在回應(yīng)某些刺激時被“喚醒”，執(zhí)行操作，并返回到睡眠狀態(tài)中。由于它們花了這么多時間去睡覺，很明顯，獲得最長電池壽命的關(guān)鍵參數(shù)是在掉電狀態(tài)下的電流消耗。不過，同一節(jié)電池的使用壽命為三或四年與超過10年，延長至20年，甚至更長時間的區(qū)別在于要密切注意這個任務(wù)如何使用MCU資源的每個方面，以及MCU本身是如何設(shè)計以各種方式減少能源消耗的。 一節(jié)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(yīng)商 - 例如，柯達（參考1） -評定230 mAh到2V的終點電壓能力為 5.6 k? (約有0.5 mA). 如果是那樣的話，電池壽命將為400小時，相比之下，能源敏感的應(yīng)用能使使用壽命達到20萬小時。這種特殊的電池具有很好的貨架壽命或自放電率，數(shù)據(jù)表顯示10年之后其容量達90％。非常相似的是，這相當于連續(xù)充電約0.25 ?A, 如果能夠達到10-20年的電池壽命, 應(yīng)用的一般要求就會滿足。 伴隨電池壽命的是數(shù)量有限的電荷，設(shè)計者必須在MCU運行的所有階段減少產(chǎn)品的電流和時間，不僅要減少每微安的數(shù)量，也要減少每個動作的每個微秒。 為了減少深度睡眠模式下消耗的電流，在能源敏感應(yīng)用的MCU中采用8位（或16位）內(nèi)核已很普遍。其理由是，8位內(nèi)核—即使在最新版本中也常常采用這樣的設(shè)計 - -很小，門控相對較少，靜電或泄露電流低。但是，許多現(xiàn)在的應(yīng)用都需要比8位內(nèi)核更大的處理功率。在其它MCU應(yīng)用領(lǐng)域，用戶往往選擇從一個8位升級到一個32位環(huán)境。在低功耗的情況下，人們一直假定32位內(nèi)核在其掉電模式狀態(tài)時使用的電流一定是高得令人無法接受的。隨著全套低功耗設(shè)計技術(shù)的出現(xiàn)，今天的IC設(shè)計師們已經(jīng)可能讓一個32位ARM內(nèi)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，而且還能實現(xiàn)快速喚醒時間。 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間來進一步降低平均功耗。 低功耗外圍設(shè)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(shè)計方法。除了內(nèi)核，MCU里的其它模塊在待機設(shè)備、穩(wěn)壓器、偏置電流發(fā)生器，欠壓檢測比較儀、加電復位電路中會繼續(xù)吸引一些電流 。在幾乎所有情況下，簡單的交替換位都適用; 掉電狀態(tài)越深，就越多外圍設(shè)備的功能被完全切斷，芯片準備好實施處理任務(wù)的喚醒時間越長。由于應(yīng)用的差別很大，MCU設(shè)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(shè)計人員就可以很好地為他個人的項目進行待機功率和響應(yīng)能力的交替換位。 設(shè)計實施ARM內(nèi)核以實現(xiàn)在nanoamp區(qū)最深睡眠狀態(tài)的電流水平只是低能源戰(zhàn)略的一個步驟。能夠提供一個32位內(nèi)核的處理能力為控制能源使用開辟了新途徑， 在任何時候，它是MCU供電圖下面的區(qū)域，隨著時間的推移，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(shù)字越多，設(shè)計人員就必須密切注意要最大限度地延長電池的使用壽命。在EFM32微控制器的開發(fā)工具包中，這種測量是很清楚的; 這個工具包的基本功能部分是其先進能源監(jiān)控器（圖3）。該設(shè)施在填充MCU內(nèi)核的電流軌中不斷測量電流;一個從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器（ADC）通過電阻器采集電壓，而開發(fā)工具包軟件集成其讀數(shù)來精確測量不同時間的功率。 一個32位的內(nèi)核比能力較小的MCU花更少的時間去積極完成一項相同的任務(wù)：同時，該內(nèi)核在運行時使用的功率也應(yīng)盡可能低。集中于低功耗的IC設(shè)計師們得到了許多精致的設(shè)計來實現(xiàn)其目標。例子包括優(yōu)化所有芯片同步邏輯的時鐘門控結(jié)構(gòu)，并組織總線系統(tǒng)和內(nèi)存 ?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/CSR" target="_blank" class="relatedlink">CSRAM和閃存- 在任何特定處理中的最小開關(guān) -。采用全套低功耗設(shè)計方法會在閃存中產(chǎn)生一個運行典型代碼的ARM Cortex - M3內(nèi)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(shù)字測量準確，減少到低時鐘速率，而不僅是一個最佳性能數(shù)字。一旦MCU被喚醒并執(zhí)行應(yīng)用代碼，M3內(nèi)核使用Thumb2指令集也有助于減少“活躍時間”。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，MCU設(shè)計師有很多更好的策略要部署。一個是不僅減少內(nèi)核在實際處理應(yīng)用代碼時所花的時間，而且縮短喚醒刺激之間的解決時間 - 無論是定時生成或事件驅(qū)動 - 并且CPU正在準備做“真正的工作”。一條線路是最大限度地減少啟動時間以及內(nèi)核的時鐘信號供應(yīng)。眾所周知，當一個晶體振蕩器從關(guān)閉狀態(tài)中啟動時，在作為一個系統(tǒng)時鐘使用之前，它需要一些時間來穩(wěn)定其輸出。相反，一個RC振蕩器作為MCU必須完成的所有任務(wù)的時基可能不夠準確，但會在開機后的幾乎一瞬間產(chǎn)生有規(guī)則的輸出。部分解決方案是縮短同時提供信號的時間; CPU在開機的同時就開始運行，用RC振蕩器調(diào)整時鐘，而一個小控制電路等它一穩(wěn)定下來就將時鐘源傳到一個晶體振蕩器上。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。 簡單的任務(wù)不需要MCU內(nèi)核 盡管設(shè)計師十分注意要用一個有能力的處理內(nèi)核來提供功率，并且在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)了這個目標， 對芯片設(shè)計師和系統(tǒng)設(shè)計師有用的是要問問給定任務(wù)是否需要這樣的內(nèi)核：如果喚醒它只是執(zhí)行簡單任務(wù)的話，即使是最節(jié)能的內(nèi)核也會浪費電池的電荷。我們再用環(huán)境傳感器的應(yīng)用作個例子 –它可能需要定期測量，但只需在不頻繁的時間間隔內(nèi)將測量結(jié)果報告到中央數(shù)據(jù)記錄器里。運行通信接口的軟件堆棧一定會要求喚醒MCU內(nèi)核，但會更頻繁地打開模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器，指揮A / D轉(zhuǎn)換，并以低功耗內(nèi)存積累結(jié)果，如果只要求外圍設(shè)備設(shè)置在互連矩陣（圖4）的控制下自主運作的話，消耗的功率會很少。由于應(yīng)用的差別很大，選擇哪些功能模塊來供電以及它們?nèi)绾芜B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(xiàn)代CMOS半導體工藝中，為硬連接塊IC增加功能的硅區(qū)成本相對較低。這產(chǎn)生了輕微的與直覺不一致的結(jié)果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門控數(shù)。有了先進的鐘樹設(shè)計、時鐘門控和線路板電源開關(guān)， IC設(shè)計人員可以隨時隨地很容易地完全切斷電源。這種方法的一個突出功能就是加密。即使是看似平常的數(shù)據(jù)現(xiàn)在也通過例行的加密來保證安全，通常已知的算法為AES。這對一個32位MCU內(nèi)核而言不是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但它確實占用了大量的處理器周期，延長了總的微安倍乘總微秒。大多數(shù)這些周期花在了執(zhí)行一些內(nèi)部循環(huán)中的算法上; 增加一個AES加速器硬件模塊會使MCU停止AES算法，轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ糜布⑴c其它處理器和睦相處，以更少的周期得到加密（或解密）結(jié)果。 迅速擴大的能源敏感應(yīng)用類別 - 由少數(shù)高端類別如智能電能計量領(lǐng)導 - 重新界定了用電池驅(qū)動一個產(chǎn)品的意思：這些產(chǎn)品必須在一個單電池的驅(qū)動下提供服務(wù)，并比較電池本身的貨架期，在電池制造商指定的最大時間間隔的相同范圍內(nèi)：達到，甚至超過20年。只有一個高度集成的單芯片的微控制器能為這樣的設(shè)計提供一個現(xiàn)實的解決辦法。IC設(shè)計師們十分注重低功耗芯片設(shè)計的每個方面，現(xiàn)在可以提供現(xiàn)代、功能強大的32位處理器內(nèi)核給產(chǎn)品設(shè)計師了，而同時盡可能地降低了功率要求。 |
