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設(shè)計(jì)低功耗MCU并不容易，也沒(méi)有為您的特定嵌入式設(shè)計(jì)選擇合適的MCU。許多特定于應(yīng)用的注意事項(xiàng)都會(huì)起到作用，這使得比較MCU規(guī)格表具有挑戰(zhàn)性。本文分析了在分析競(jìng)爭(zhēng)性MCU替代品的電源效率時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。節(jié)約能源有利于環(huán)境，更容易在錢(qián)包上使用。提高能效的無(wú)數(shù)好處已被充分證明：降低消費(fèi)者的電費(fèi)，降低公用事業(yè)的負(fù)擔(dān)，降低電子產(chǎn)品的擁有成本，減少垃圾填埋場(chǎng)丟棄的廢舊電池。

隨著電子設(shè)備的使用滲透幾乎我們生活的每個(gè)方面，降低功耗必須從半導(dǎo)體層面開(kāi)始。在芯片級(jí)設(shè)計(jì)的節(jié)能技術(shù)具有深遠(yuǎn)的影響。對(duì)于作為當(dāng)今大多數(shù)電子設(shè)備背后的智能引擎的微控制器（MCU）而言尤其如此。從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來(lái)看，確定哪些MCU真正“低功耗”的挑戰(zhàn)需要設(shè)計(jì)人員瀏覽各種半導(dǎo)體供應(yīng)商提出的無(wú)數(shù)要求。由于供應(yīng)商使用的指標(biāo)不同（通常是令人困惑的），這不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

讓我們仔細(xì)研究在分析競(jìng)爭(zhēng)性MCU備選方案的功效時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。

在基本級(jí)別，MCU功耗可以定義為以下總和：

總功耗=活動(dòng)模式功率+待機(jī)（休眠）模式功率

但是，要記住的另一個(gè)重要指標(biāo)是MCU從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活動(dòng)狀態(tài)所需的時(shí)間。由于MCU在所有數(shù)字和模擬組件完全穩(wěn)定且可操作之前無(wú)法進(jìn)行任何有用的處理，因此在計(jì)算總功耗時(shí)添加此（浪費(fèi)）功率非常重要：

總功耗=活動(dòng)模式功率+待機(jī)（睡眠）模式電源+喚醒功率

如何為<a href=http://www.ytjinfuren.com/dz/22/2009622153432.shtml target=_blank class=infotextkey>嵌入式系統(tǒng)</a>選擇最低功耗的微控制器

圖1.

由于每個(gè)應(yīng)用程序都不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員傾向于比其他應(yīng)用程序更重視這些元素。例如，某些應(yīng)用，例如水表，大部分時(shí)間都處于待機(jī)狀態(tài)，因此很明顯，它們的長(zhǎng)占空比需要非常低的待機(jī)功耗。其他應(yīng)用程序（如數(shù)據(jù)記錄器）經(jīng)常進(jìn)入和退出活動(dòng)狀態(tài)，因此限制喚醒轉(zhuǎn)換模式所花費(fèi)的時(shí)間至關(guān)重要。然而，開(kāi)發(fā)引人注目的MCU解決方案的供應(yīng)商不會(huì)試圖猜測(cè)這些指標(biāo)中哪一個(gè)是最重要的，而是將從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)解決方案，專(zhuān)注于最小化該等式的每個(gè)部分。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要強(qiáng)大的混合信號(hào)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以解決在模擬和數(shù)字域中最小化功耗所必需的架構(gòu)級(jí)和電路級(jí)挑戰(zhàn)。對(duì)這些變量進(jìn)行簡(jiǎn)短討論將有助于突出系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在嘗試為其應(yīng)用選擇最佳MCU解決方案時(shí)需要注意的問(wèn)題類(lèi)型。

Active Mode Current

對(duì)于CMOS邏輯門(mén)，動(dòng)態(tài)功耗可以使用以下眾所周知的公式重寫(xiě)：

有源模式功率= C x V2 xf

其中C是負(fù)載電容，V是電源電壓，f是開(kāi)關(guān)頻率。 BR》電容項(xiàng)是所用設(shè)計(jì)和處理技術(shù)的函數(shù)，頻率項(xiàng)是應(yīng)用程序處理要求的函數(shù)。但是，如前面的等式所示，電源電壓對(duì)MCU消耗的總功率有不成比例的影響。因此，通過(guò)向MCU電路提供低得多的穩(wěn)定電源電壓，為MCU設(shè)計(jì)增加電壓調(diào)節(jié)可以顯著節(jié)省功耗模式。開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器可能是一種可能的解決方案，但它們最適合需要大電壓轉(zhuǎn)換比的穩(wěn)壓器環(huán)境。但是，對(duì)于平均電壓轉(zhuǎn)換率較小（電池壽命結(jié)束時(shí)接近1：1）的電池類(lèi)應(yīng)用，更好的解決方案是添加片上低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器因?yàn)樗梢蕴峁┛山邮艿男剩覐?fù)雜性和成本低于開(kāi)關(guān)解決方案。為了說(shuō)明使用LDO穩(wěn)壓器的好處，重新闡述CMOS動(dòng)態(tài)功率公式是有幫助的：

有源模式功率= C x V2 xf

= V x（C x V xf）

= V x I，其中動(dòng)態(tài)電流I = C x V xf

通常將動(dòng)態(tài)電流歸一化為1MHz的頻率和特定的電源電壓。例如，最近推出的一款超低功耗MCU在1.8 V時(shí)的動(dòng)態(tài)電流消耗為每MHz160μA。如果沒(méi)有電源調(diào)節(jié)，該指標(biāo)將增加到（160）x（3.2/1.8）=284μA/MHz時(shí)電源電壓為3.2 V.使用LDO時(shí)，電池電流將在整個(gè)電源范圍內(nèi)保持固定為每MHz160μA。

可以看出，這種先進(jìn)的電源架構(gòu)可用于維持恒定的有功電流完整的工作電壓范圍，可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員大幅節(jié)省功耗。因此，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，確定在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)工作時(shí)的MCU電流消耗非常重要 - 而不僅僅是MCU供應(yīng)商通常引用的1.8 V最低工作條件。引用一個(gè)過(guò)于樂(lè)觀的電流數(shù)字，假設(shè)任何低于典型的電壓供應(yīng)，并不能準(zhǔn)確反映應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)世界中的使用方式。例如，在2 x AA/AAA和紐扣電池應(yīng)用中，電池最常接近3 V初始電壓工作，因此引用的1.8 V規(guī)格可能是欺騙性的，因?yàn)閺倪@個(gè)角度來(lái)看，大多數(shù)MCU都會(huì)消耗掉功耗比通常引用的功率多50％。

如何為嵌入式系統(tǒng)選擇最低功耗的微控制器

圖2.

此外，由于功耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須將引用的電流數(shù)歸一化到電流/MHz。通過(guò)結(jié)合這兩個(gè)因素，可以根據(jù)以下指標(biāo)對(duì)MCU進(jìn)行并排比較：

電流消耗/MHz @ 3 V

當(dāng)真正有意義的值是指令時(shí)鐘速度時(shí)，一些供應(yīng)商會(huì)試圖通過(guò)將“MHz”等同于系統(tǒng)時(shí)鐘速度來(lái)混淆問(wèn)題。這是欺騙性的，因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘速度可以以其實(shí)際指令速度的兩倍（或更多）運(yùn)行，從而使其有效功耗加倍（或更多）。因此，確保所有內(nèi)容都符合指令時(shí)鐘速度是很重要的。通過(guò)這樣做，并通過(guò)使用典型的電源電壓，可以正確地推導(dǎo)出實(shí)際的有源模式電流消耗預(yù)算。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持

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