利用高級單片機的新低功耗模式

盡管“綠色”與產(chǎn)品名稱結(jié)合在一起已成為表示低功耗的公認符號，但低功耗的準確含義卻并未被經(jīng)常表述。

低功耗單片機(MCU)的要求會隨著應(yīng)用以及應(yīng)用中使用MCU的方式的不同而有所變化。例如，在電池供電的恒溫器應(yīng)用中，低功耗主要由器件能夠驅(qū)動LCD顯示屏的最低功耗模式定義，在這種情況下，降低功耗會延長電池的使用壽命。在其他低功耗應(yīng)用(如電表)中，低功耗是指系統(tǒng)在運行期間消耗的工作電流。第三類系統(tǒng)是需要保持時間的系統(tǒng)，而不管系統(tǒng)的主電源是否存在。停電期間的電表就是第三類系統(tǒng)的一個例子。由于各種應(yīng)用的要求不盡相同，具有更加靈活的功耗模式的MCU允許設(shè)計人員進一步定制系統(tǒng)操作。

在過去，MCU的工作模式用于器件操作;空閑和打盹模式可降低或消除CPU開關(guān)功率，同時允許外設(shè)運行;休眠模式允許以最低功耗運行有限的外設(shè)。隨著當今的高級MCU轉(zhuǎn)向更高級的硅工藝(可將系統(tǒng)成本降至最低并減小工作電流)，一些新的低功耗模式正在增加，以提高MCU的靈活性。我們將通過觀察當今高級MCU中某些新型低功耗模式在各種應(yīng)用中的使用來對其進行探究。

我們將使用電池壽命估算器(BLE)軟件工具和16位MCU對不同應(yīng)用中實現(xiàn)的各種功耗模式進行比較。Microchip的BLE是免費的軟件工具，允許設(shè)計人員估算系統(tǒng)的電池壽命，并確定哪種可用的工作模式最適合其應(yīng)用。PIC24FJ128GA310 MCU系列提供了一些新的低功耗模式，其LCD顯示驅(qū)動器在如下一些示例中可發(fā)揮良好的作用。

恒溫器已變得更加復(fù)雜，需要顯示更多信息并覆蓋多個地區(qū)。因此，通常需要大量片上閃存程序存儲器來存儲以多種語言顯示的復(fù)雜菜單。

通常來說，需要采用高級工藝才能生產(chǎn)出價格具有競爭力的大存儲器MCU。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，晶體管的工作電流減少而泄漏電流增加正成為趨勢。泄漏電流增加在低功耗模式(如休眠模式)的電流規(guī)范中最為明顯。高級MCU上的休眠電流通常在3至5 uA的范圍內(nèi)，而典型恒溫器應(yīng)用的大多數(shù)時間只是用來驅(qū)動分段式LCD顯示屏。通常在休眠模式下驅(qū)動分段式LCD顯示屏，該模式允許某些外設(shè)(本例中為LCD驅(qū)動器)在CPU和大多數(shù)外設(shè)掉電時運行。恒溫器必須被定期喚醒并進入工作模式，讀取溫度、更新顯示屏，可能還要發(fā)信號使火爐、風(fēng)扇或空調(diào)裝置開啟。然而，99%以上的時間僅需要休眠模式。由于大量時間處于休眠模式，因此改善休眠電流就能大幅增加系統(tǒng)的電池使用壽命。

為了使MCU具有亞uA級的功耗模式，許多供應(yīng)商引入了新的低功耗深度休眠模式。典型的深度休眠電流在10至50 nA的范圍內(nèi)，這些器件運行實時時鐘日歷(RTCC)時會增加400 nA的電流。通過關(guān)閉整個器件而僅保留少量存儲器、實時時鐘(或許還有看門狗定時器)，可實現(xiàn)極低電流。但是，這些深度休眠模式不允許外設(shè)運行或保持器件上的數(shù)據(jù)RAM。當器件從深度休眠中喚醒時，如果RAM內(nèi)容丟失，則器件需要執(zhí)行重啟例程，然后才能恢復(fù)程序執(zhí)行。

新的低功耗模式(如低電壓休眠模式)能以典型值為330 nA的基電流保持器件的數(shù)據(jù)RAM，并允許運行額外的低功耗外設(shè)。此低電壓休眠模式會保持器件的RAM，并通過減少器件的片上穩(wěn)壓器輸出來降低休眠電流。通過降低送入器件邏輯的電源電壓并限制工作外設(shè)，MCU的休眠電流可從3.7 uA降至330 nA。在這種類型的MCU休眠模式下，LCD驅(qū)動器、定時器和RTCC等外設(shè)仍可運行，且僅增加極小的電流。器件從低電壓休眠模式恢復(fù)到工作狀態(tài)的時間不到從深度休眠喚醒的時間的一半。器件隨后從下一條指令開始執(zhí)行，而不是深度休眠模式喚醒通常需要的從重啟序列開始。

圖1：電池壽命估算器工具主屏幕

說明——如圖1所示，電池壽命估算器工具的主屏幕顯示了MCU及其工作電壓、電池和工作模式。恒溫器模型的電池壽命估算結(jié)果為11年零88天。

此外，BLE工具還會為單片機在每種工作模式中將花費的時間以及在每種模式中將消耗的功率數(shù)進行建模。圖1給出了BLE的輸出顯示，您可在其中設(shè)置系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵參數(shù)，從而得到壽命估算值和平均系統(tǒng)電流。首先，選擇MCU和系統(tǒng)的工作電壓。這使得電池壽命估算器獲得相應(yīng)的規(guī)格參數(shù)。然后選擇電池或電池對——本例中為2節(jié)AAA堿性電池。還可以選擇預(yù)期的系統(tǒng)工作電壓和工作溫度，以獲得最適合用于電池壽命估算模型的規(guī)格參數(shù)。最后，對系統(tǒng)中將使用的工作模式進行定義。對于我們的恒溫器來說，將使用兩個模式。

為了對恒溫器僅顯示LCD屏幕的時間進行建模，創(chuàng)建了一個名為“顯示LCD”的工作模式。“顯示LCD”工作模式使用低電壓休眠模式來提供用于驅(qū)動LCD的最低功耗模式。電池壽命估算器工具建模為將器件的工作周期設(shè)置為30秒，其中的29.5秒用于低電壓休眠模式。第二個工作模式為更新溫度和LCD，用于對MCU監(jiān)視溫度、更新LCD屏幕以及與HVAC裝置通信所需的時間進行建模。

為了更好地體會新的低電壓休眠模式以及如何在BLE工具中實現(xiàn)工作模式，可以查看Add/Modify Mode(添加/修改模式)屏幕，如圖2所示。在此屏幕中，設(shè)計人員可以調(diào)整Duration(持續(xù)時間)設(shè)置，此設(shè)置當前為29.5秒。通過使用Additional System Current(額外系統(tǒng)電流)輸入框，設(shè)計人員可以添加MCU外圍電路的電流消耗估算值。在本例中，添加了4 uA的系統(tǒng)電流，表示LCD顯示屏消耗的電流，還添加了1 uA的額外電流，表示內(nèi)部LCD偏置電阻所需的電流。接下來，選擇功耗模式(本例中為低電壓休眠)以及所需的外設(shè)。為了提供準確的系統(tǒng)電流模型，已選擇LCD驅(qū)動器、BOR、WDT和RTCC。MCU本身消耗的電流為1.88 uA，此電流與我們的5 uA系統(tǒng)電流相加，達到系統(tǒng)在低電壓休眠模式下所需的6.88 uA。

圖2：電池壽命估算器工具模式編輯屏幕

說明：電池壽命估算器工具的模式編輯屏幕允許設(shè)計人員指定每個所用功耗模式的條件并為其命名。

BLE主屏幕顯示，器件在低電壓休眠模式下消耗的平均電流為6.88 uA，器件短期處于工作狀態(tài)時消耗的電流略高于327 uA，因此總平均電流低于6.9 uA。系統(tǒng)電池壽命的估算值約為12年，也就是說比電池的貯藏壽命多出約5年。圖3顯示了一個類似的分析，但使用的是休眠模式而不是低電壓休眠模式，此分析得出的平均電流約為10.5 uA，電池壽命減少了三年。

圖3：電池壽命估算器工具

說明：基于休眠模式估算的電池壽命比基于標準休眠模式估算的電池壽命少了三年。

對于MCU來說，大多數(shù)時間處于工作模式的系統(tǒng)是另一個極端，例如電表。如今的電表在整個工作周期中只會處于兩種狀態(tài)。通電時處于正常工作模式。在這個“正常”工作模式下，MCU處于活動狀態(tài)，不斷測量電壓和電流，并計算通過電表提供的功率。電表可能還要監(jiān)視潛在篡改、驅(qū)動LCD顯示屏并可能與讀表設(shè)施進行通信。

當電表運行時，可能看起來電力很充足。事實上，電力是由電表制造商的最終客戶——電力公司提供的產(chǎn)品。電力公司為上百萬的客戶提供電力，即使很小的電力損耗對于電力公司的業(yè)務(wù)來說都要付出很大代價。實際上，大多數(shù)電表必須工作在IEC制定的10 VA功率預(yù)算下。如果考慮到可能的線路變化、元件容差和系統(tǒng)設(shè)計裕度，在使用電容式電源時，系統(tǒng)MCU電流預(yù)算的最終結(jié)果約為10 mA。

如今的一些低成本電表采用8位MCU，在工作模式下全速運行時消耗的電流通常超過10 mA。為了保持在系統(tǒng)功率預(yù)算范圍內(nèi)，通常需要設(shè)計人員以較低的頻率運行MCU。當前許多16位MCU利用先進工藝和設(shè)計技術(shù)來提供低至150 uA/MHz的典型工作電流，并且能全速運行在16 MIPS，而消耗的電流不超過6.9 mA。降低的工作電流為設(shè)計人員提供了兩種選擇：降低MCU的運行速度以減少系統(tǒng)功耗;增加額外的功能，同時保持系統(tǒng)功耗在分配的預(yù)算范圍內(nèi)。

盡管電表將絕大多數(shù)時間用在工作狀態(tài)，但其也是利用功耗最低的模式之一(Vbat)的應(yīng)用示例。Vbat功能提供了一個專用引腳，該引腳可提供備用電源，例如LTC電池或超級電容。如果系統(tǒng)的主電源掉電(如在停電期間)，RTCC的電源會自動轉(zhuǎn)換到備用Vbat引腳。電表中的RTCC在斷電期間非常重要，因為按使用時段計費正日益普及。通過Vbat工作時，RTCC允許LTC電池持續(xù)使用數(shù)十年，幾乎是無限的備用工作電源。將Vbat功能與RTCC配合使用不只局限于電表。許多應(yīng)用，包括上述恒溫器，都可利用RTCC在停電或更換電池期間保持時間。帶有電容或電池的Vbat還有助于消除由停電引起的惱人閃光。

在高度關(guān)注功耗的環(huán)境下，低功耗MCU的發(fā)展促生了極具靈活性的通用MCU。工藝技術(shù)和設(shè)計技術(shù)的進步使16位MCU的工作電流可低至150 uA/MHz。新的低功耗模式(如低電壓休眠和Vbat)為功耗管理鏈增加了靈活性，允許通用MCU在更為廣泛的應(yīng)用中工作。最終結(jié)果是出現(xiàn)功能強大且適應(yīng)性強的單片機，實現(xiàn)對客戶友好的高能效終端應(yīng)用。