Microchip單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn)了超低功耗

　　摘要：在超低功耗領(lǐng)域，Microchip公司新推出的具有多種全新低功耗休眠模式且工作電流業(yè)界最低的PIC24F“GA3”16位閃存MCU系列，通過多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了150 μA/MHz工作電流，以及6個DMA通道，從而允許以更低的功耗、更大的吞吐量執(zhí)行程序。

　　對大多數(shù)應(yīng)用來說，人機(jī)界面、低功耗和無線連接集成是單片機(jī)(MCU)的三大前沿技術(shù)。而新型技術(shù)的推出都是以一定的應(yīng)用為背景的。

　　在超低功耗領(lǐng)域也是如此。近日， Microchip公司宣布推出具有多種全新低功耗休眠模式且工作電流業(yè)界最低的PIC24FJ128GA310(PIC24F“GA3”)16位閃存MCU系列，擴(kuò)展其超低功耗(XLP)單片機(jī)(MCU)產(chǎn)品線。PIC24F“GA3”器件具有150 μA/MHz工作電流，堪稱業(yè)界最低的工作電流之一，而且提供新的支持RAM保存的低電壓休眠模式和用于實(shí)時時鐘的VBAT的電池供電，再添加了6路DMA通道，提高數(shù)據(jù)的傳輸。

　　圖1 PIC24FJ128GA310結(jié)構(gòu)框圖

　　降低功耗的措施

　　每個廠商對于降低功耗都有不同的處理方式。雖然每個MCU都有休眠狀態(tài)或都有可能實(shí)現(xiàn)很低的工作耗電量，但是有的芯片在處于很低功耗的時候，基本功能也所剩無幾了，沒有時鐘、沒有RAM，所有功能都關(guān)掉了。而Microchip的處理方式就是把每個功能降到最低的同時還給客戶一個選擇。例如如果你需要RAM，那么此芯片提供低電壓狀態(tài)，讓RAM保留參考數(shù)據(jù)。如果不需要，那么可以進(jìn)入真正的休眠狀態(tài)。

　　說到降低耗電量，主要是看器件的工作電流和待機(jī)電流。“PIC24F“GA3”系列將工作電流降低至僅有150 μA/MHz，這是業(yè)界16位閃存單片機(jī)中，電流消耗最低的。”Microchip先進(jìn)單片機(jī)架構(gòu)部產(chǎn)品營銷經(jīng)理崔勇介紹說，而且Microchip XLP產(chǎn)品系列在深睡眠狀態(tài)下的待機(jī)電流最低可以降到40nA甚至20nA。這是因?yàn)镻IC24F“GA3”采用了一些創(chuàng)新，例如引進(jìn)了一個新模式——低電壓休眠狀態(tài)，讓設(shè)備在深睡眠狀態(tài)下，同時保持RAM，保留一些參考數(shù)據(jù)。一般來說，如果設(shè)備進(jìn)入深睡眠狀態(tài)，包括RAM等很多功能就會丟失。Microchip開發(fā)的這項RAM保存功能是介于睡眠和深睡眠之間的一個新的低功耗狀態(tài)。

　　同時，新產(chǎn)品還加入了一個新功能VBAT 電池備份, 是專門用于實(shí)時時鐘供電的引腳。采用VBAT給實(shí)時時鐘供電，耗電量可以低到400nA。

　　此外，新產(chǎn)品系列還新增了6路DMA (存儲器直接訪問) 通道，可以幫助把數(shù)據(jù)從外設(shè)上直接轉(zhuǎn)到RAM，從而降低CPU負(fù)載，間接幫助實(shí)現(xiàn)低功耗。

　　低電壓休眠模式和VBAT的應(yīng)用

　　PIC24F “GA3”的目標(biāo)應(yīng)用覆蓋了消費(fèi)類產(chǎn)品、工業(yè)、醫(yī)療和儀表等低功耗領(lǐng)域。其中一個比較重要的是儀表，例如智能電表。該應(yīng)用要求功耗低，并且在停電的時候需要有備用電池的支持。

　　具體的應(yīng)用實(shí)例有，歐洲IEC規(guī)定，功率計(電表)內(nèi)的芯片計量功能不能超過10VA。因此如果在計量時耗電量過高，會浪費(fèi)很多電，達(dá)不到IEC需求。Microchip的PIC24F“GA3”系列的方案中，計量結(jié)果可以直接放到RAM里，就無需浪費(fèi)CPU的功能去做數(shù)據(jù)傳輸，這樣CPU主芯片的負(fù)載就可以減輕，或運(yùn)行更復(fù)雜的代碼，諸如加入通信功能，讓電表性能更高。

　　再有，我國的國家電網(wǎng)的自動抄表方式，需要每隔一段時間把表喚醒一次，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這時，如果自動抄表經(jīng)常要喚醒抄數(shù)據(jù)，就可以把數(shù)據(jù)保存在RAM里，喚醒時可以直接在RAM里面讀取數(shù)據(jù)，比把數(shù)據(jù)放到Flash里面的功耗更低。

　　恒溫器在深度休眠時，很多功能都被關(guān)掉，只能顯示LCD的結(jié)果，但是不能刷新屏幕。如果用低電壓休眠模式，就可以保證刷新LCD的數(shù)據(jù)。此外，和同類16位MCU相比，功耗會降低30%。延長了電池壽命后，便有額外的供電能力去實(shí)現(xiàn)RF或無線。VBAT單獨(dú)的電池供電引腳可以節(jié)省電池更換時間，可以單獨(dú)用紐扣電池給實(shí)時時鐘供電，用額外的堿性電池給屏幕供電，因此可以保證換堿性電池時，時鐘不會更改。

　　此外，Microchip還提供了一個小工具——電池壽命估算器。用戶只需要將各種電壓和環(huán)境溫度參數(shù)放進(jìn)去，以及輸入所需的各種功能要求，這款工具可以估算出電池的使用壽命。

　　工藝及對低功耗的影響

　　從工藝的角度來講，Microchip有 0.25，0.35 和0.18微米，也提供130nm或90nm的產(chǎn)品，各種工藝都有。但用戶不一定要追求先進(jìn)的工藝，有些市場如果用0.35或0.25微米能滿足需求，就沒有必要一味追求90nm或130nm。通常來說，工藝越高，漏電也越厲害。所以這是一個平衡的問題;如何去權(quán)衡高級工藝和漏電。比如我們可以選擇一些低功耗的功率，或者在高功耗功率上加一些新供電方式去控制。

　　競爭對手和Microchip 的特色

　　在嵌入式控制器世界中，Microchip PIC是一個獨(dú)特的架構(gòu)，好處是Microchip不僅可以控制自己的產(chǎn)品，還可以控制內(nèi)核?？梢愿鶕?jù)市場需求調(diào)整。從用戶的角度上看，他們是要跟潮流還是要選擇一個能滿足自己需求的產(chǎn)品。如果你的產(chǎn)品跟別人都一樣，那怎么樣體現(xiàn)產(chǎn)品的獨(dú)特性和競爭力?因此，產(chǎn)品要有自己獨(dú)特的地方，不光要拼價格，還要拼性能。

　　那么，未來8位、16位和32位單片機(jī)的發(fā)展動向如何?嚴(yán)格以數(shù)據(jù)總線寬度(8位、16位或32位)來劃分單片機(jī)市場顯得過于簡單。單片機(jī)市場不會迅速改變，而是會隨著低端領(lǐng)域和高端領(lǐng)域的新增應(yīng)用逐步發(fā)展?？傊?，在不久的將來，不會出現(xiàn)由一個細(xì)分市場占據(jù)主導(dǎo)地位的局面，現(xiàn)狀并不會發(fā)生根本改變。雖然32位單片機(jī)的市場占有率正在迅猛發(fā)展，但是，8位/16位MCU在市場中的地位仍不可撼動，未來，它們?nèi)詫⒄紦?jù)巨大的市場份額。Microchip的崔勇稱，其在8位單片機(jī)市場占有巨大份額，而且還將繼續(xù)在該領(lǐng)域投入大量資源，同時，Microchip的16位和32位單片機(jī)市場也在迅速發(fā)展，多款新產(chǎn)品已經(jīng)面世，更多產(chǎn)品即將推出。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 王瑩.Microchip為單片機(jī)低功耗樹立新標(biāo)桿[R/OL].(2012-1-11). http://wangying1.spaces.eepw.com.cn/articles/article/item/90416