消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用中的低功耗考量

　　消費(fèi)和工業(yè)市場(chǎng)要求在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提高能源效率。便攜產(chǎn)品需要新一代技術(shù)來(lái)延長(zhǎng)電池使用壽命，而大型產(chǎn)品（如白色家電）則需要提高能源效率來(lái)保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。很多情況下，利用電子組件替換機(jī)械組件可以降低板卡功耗，附加的軟件控制能夠精確調(diào)整應(yīng)用的功率性能。

　　產(chǎn)品組件的不斷進(jìn)步讓工程師能夠使用新概念和新技術(shù)解決初期產(chǎn)品的功率使用限制問(wèn)題。微控制器（MCU）是降低功耗的主要因素，這是基于以下兩點(diǎn)原因：首先，MCU自身在消耗功率；其次，MCU負(fù)責(zé)控制同樣會(huì)消耗功率的其他系統(tǒng)組件。因此，MCU制造商需要在他們的最新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中結(jié)合一些低功耗特性。

　　本文將重點(diǎn)介紹目前有哪些舉措可滿(mǎn)足這一市場(chǎng)需求、已經(jīng)使用了什么方法、以及需要增加哪些功能來(lái)減少功耗。同時(shí)，本文還對(duì)在應(yīng)用設(shè)計(jì)中如何充分利用這些方法和功能進(jìn)行了闡述。

　　低功耗的MCU芯片

　　以Freescale為例，其Flexis系列MCU實(shí)現(xiàn)了消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的低功耗設(shè)計(jì)。從RS08到飛思卡爾性能最出色的 ColdFire v4處理設(shè)備，都是Controller Continuum利用兼容性能，提供性能頻譜向上或向下輕松移植的路徑。Controller Continuum上的連接點(diǎn)是S08和ColdFire v1微控制器，它們共用外圍設(shè)備和開(kāi)發(fā)工具，以實(shí)現(xiàn)最好的移植靈活性。許多Flexis微控制器設(shè)備之間具有引腳對(duì)引腳的兼容性，允許控制器交換，無(wú)須重新設(shè)計(jì)板卡，并讓MC9S08QE128 (S08)和MCF51 QE128 (ColdFire v1)保持原來(lái)的樣子。

　　功率與性能對(duì)比

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須平衡功耗（主要測(cè)量參數(shù)，單位A）和性能（單位MIPS）之間的關(guān)系，才能滿(mǎn)足應(yīng)用的需求?？傊?，組件計(jì)時(shí)越快，消耗的功率越高。在運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的應(yīng)用中，最經(jīng)濟(jì)高效的解決方案就是將運(yùn)行速度降到系統(tǒng)能夠允許的最低速度。電機(jī)控制就是一個(gè)很好的例子。如果關(guān)鍵功能是通過(guò) ADC信道來(lái)轉(zhuǎn)換信號(hào)，根據(jù)Nyquist定律，ADC的計(jì)時(shí)速度不可能低于最低頻率，從而限制運(yùn)行MCU的速度。在許多案例中，該應(yīng)用會(huì)盡快執(zhí)行預(yù)定任務(wù)，以便MCU快速轉(zhuǎn)換到很低的功率狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)最低整體功耗。例如，煙感器只需要每5秒鐘喚醒一次，讀取數(shù)據(jù)、做出決策、然后回復(fù)睡眠狀態(tài)。這種方法在使用電池的設(shè)備中非常普遍。這類(lèi)系統(tǒng)有將近99%的時(shí)間都處于睡眠狀態(tài)。

　　為了啟用這類(lèi)系統(tǒng)，將快速時(shí)鐘開(kāi)關(guān)和快速喚醒程序整合可幫助應(yīng)用設(shè)計(jì)者達(dá)到他們的目標(biāo)功耗要求。

　　圖1和圖2分別是煙感器模塊圖和功率與時(shí)間對(duì)比圖。MCU包括一個(gè)煙室主輸入和兩個(gè)輸出——警報(bào)和發(fā)光二極管（LED）。MCU上的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)模塊可以從“停止2”（Stop 2）模式上定期喚醒設(shè)備，支持運(yùn)算放大器讀取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，確定LED和警報(bào)狀態(tài)。然后MCU重新進(jìn)入停止2模式以節(jié)約能量。HCS08在停止2模式中需要的電流比ColdFire V1控制器相同部件所需電流略低，但S08 CPU具有的內(nèi)置數(shù)據(jù)處理功能也更低。圖2對(duì)兩種設(shè)備的功率和時(shí)隙進(jìn)行了對(duì)比，以幫助選擇最適合具體應(yīng)用情況的解決方案。在任務(wù)執(zhí)行速度是最關(guān)鍵問(wèn)題的應(yīng)用中，MCF51QE128 ColdFire V1微控制器設(shè)備可能是更好的解決方案。這兩種產(chǎn)品的引腳兼容性意味著可以使用相同板卡、軟件和工具，快速、輕松地從一種策略移植到另一種策略。



圖1 煙感器模塊圖



圖2  功率與事件對(duì)比圖

　　時(shí)鐘選擇

　　QE128（包括S08和ColdFire v1微控制器產(chǎn)品）的核心是內(nèi)部時(shí)鐘源模塊（ICS），如圖3所示。這個(gè)模塊支持設(shè)計(jì)人員選擇32kHz～16MHz的任意外部參考時(shí)鐘（ERCLK）或者選擇可在31.25～39.06kHz之間進(jìn)行修整的任意內(nèi)部參考時(shí)鐘（IRCLK）。ICS的核心是鎖頻環(huán)（FLL）模塊，該模塊能將輸入時(shí)鐘提高數(shù)倍，最高可達(dá)50MHz。FLL的輸入時(shí)鐘也稱(chēng)FLL參考時(shí)鐘。該時(shí)鐘必須在 31.25～39.06kHz頻率范圍才能讓FLL運(yùn)行正常。這對(duì)內(nèi)部FLL參考時(shí)鐘來(lái)說(shuō)操作并不復(fù)雜，要做的全部事情就是將頻率修整到正確范圍。外部參考時(shí)鐘頻率高達(dá)16MHz，可以通過(guò)參考分配器（RDIV）分壓，可編程數(shù)量為1～1024個(gè)。如果需要低頻總線，還可以避開(kāi)FLL。將時(shí)鐘信號(hào)輸入 ICSOUT信號(hào)之前，可以使用另一個(gè)分配器模塊即總線頻率分配器（BDIV）將時(shí)鐘信號(hào)除以1、2、4或8，所以MCU總線時(shí)鐘是ICSOUT除以2。


圖3  內(nèi)部時(shí)鐘源模塊

　　ICS還控制一個(gè)獨(dú)立的1kHz的低功率振蕩器（LPO），該設(shè)備可供RTC和看門(mén)狗（COP）使用。這種功能可以用于達(dá)到EN60730標(biāo)準(zhǔn)的要求。EN60730標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)門(mén)針對(duì)家電及類(lèi)似應(yīng)用的自動(dòng)電控。

　　實(shí)現(xiàn)MCU靈活性的關(guān)鍵是能夠在不同模塊上同時(shí)使用內(nèi)部和外部振蕩器源。這意味著一些模塊的運(yùn)行速度要低于另一些模塊，從而可以降低功耗