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如何為嵌入式系統選擇最低功耗的微控制器

時間:2019-02-15 08:37:59來源:網絡 作者:admin 點擊:
設計低功耗MCU并不容易,也沒有為您的特定嵌入式設計選擇合適的MCU。許多特定于應用的注意事項都會起到作用,這使得比較MCU規格表具有挑戰性。本文分析了在分析競爭性MCU替

設計低功耗MCU并不容易,也沒有為您的特定嵌入式設計選擇合適的MCU。許多特定于應用的注意事項都會起到作用,這使得比較MCU規格表具有挑戰性。本文分析了在分析競爭性MCU替代品的電源效率時應考慮的關鍵因素。節約能源有利于環境,更容易在錢包上使用。提高能效的無數好處已被充分證明:降低消費者的電費,降低公用事業的負擔,降低電子產品的擁有成本,減少垃圾填埋場丟棄的廢舊電池。

隨著電子設備的使用滲透幾乎我們生活的每個方面,降低功耗必須從半導體層面開始。在芯片級設計的節能技術具有深遠的影響。對于作為當今大多數電子設備背后的智能引擎的微控制器(MCU)而言尤其如此。從系統架構的角度來看,確定哪些MCU真正“低功耗”的挑戰需要設計人員瀏覽各種半導體供應商提出的無數要求。由于供應商使用的指標不同(通常是令人困惑的),這不是一項簡單的任務。

讓我們仔細研究在分析競爭性MCU備選方案的功效時應考慮的關鍵因素。

在基本級別,MCU功耗可以定義為以下總和:

總功耗=活動模式功率+待機(休眠)模式功率

但是,要記住的另一個重要指標是MCU從待機狀態轉換到活動狀態所需的時間。由于MCU在所有數字和模擬組件完全穩定且可操作之前無法進行任何有用的處理,因此在計算總功耗時添加此(浪費)功率非常重要:

總功耗=活動模式功率+待機(睡眠)模式電源+喚醒功率

如何為<a href=http://www.gyzrof.tw/dz/22/15458971992854.shtml target=_blank class=infotextkey><a href=http://www.gyzrof.tw/dz/22/2009622153432.shtml target=_blank class=infotextkey>嵌入式系統</a></a>選擇最低功耗的微控制器

圖1.

由于每個應用程序都不同,系統設計人員傾向于比其他應用程序更重視這些元素。例如,某些應用,例如水表,大部分時間都處于待機狀態,因此很明顯,它們的長占空比需要非常低的待機功耗。其他應用程序(如數據記錄器)經常進入和退出活動狀態,因此限制喚醒轉換模式所花費的時間至關重要。然而,開發引人注目的MCU解決方案的供應商不會試圖猜測這些指標中哪一個是最重要的,而是將從頭開始設計一個解決方案,專注于最小化該等式的每個部分。要實現這一目標,需要強大的混合信號專業知識,以解決在模擬和數字域中最小化功耗所必需的架構級和電路級挑戰。對這些變量進行簡短討論將有助于突出系統設計人員在嘗試為其應用選擇最佳MCU解決方案時需要注意的問題類型。

Active Mode Current

對于CMOS邏輯門,動態功耗可以使用以下眾所周知的公式重寫:

有源模式功率= C x V2 xf

其中C是負載電容,V是電源電壓,f是開關頻率。 BR》電容項是所用設計和處理技術的函數,頻率項是應用程序處理要求的函數。但是,如前面的等式所示,電源電壓對MCU消耗的總功率有不成比例的影響。因此,通過向MCU電路提供低得多的穩定電源電壓,為MCU設計增加電壓調節可以顯著節省功耗模式。開關型轉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換比的穩壓器環境。但是,對于平均電壓轉換率較小(電池壽命結束時接近1:1)的電池類應用,更好的解決方案是添加片上低壓差(LDO線性穩壓器因為它可以提供可接受的效率,而且復雜性和成本低于開關解決方案。為了說明使用LDO穩壓器的好處,重新闡述CMOS動態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,其中動態電流I = C x V xf

通常將動態電流歸一化為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時的動態電流消耗為每MHz160μA。如果沒有電源調節,該指標將增加到(160)x(3.2/1.8)=284μA/MHz時電源電壓為3.2 V.使用LDO時,電池電流將在整個電源范圍內保持固定為每MHz160μA。

可以看出,這種先進的電源架構可用于維持恒定的有功電流完整的工作電壓范圍,可以幫助系統設計人員大幅節省功耗。因此,從系統設計人員的角度來看,確定在整個工作電壓范圍內工作時的MCU電流消耗非常重要 - 而不僅僅是MCU供應商通常引用的1.8 V最低工作條件。引用一個過于樂觀的電流數字,假設任何低于典型的電壓供應,并不能準確反映應用在現實世界中的使用方式。例如,在2 x AA/AAA和紐扣電池應用中,電池最常接近3 V初始電壓工作,因此引用的1.8 V規格可能是欺騙性的,因為從這個角度來看,大多數MCU都會消耗掉功耗比通常引用的功率多50%。

如何為嵌入式系統選擇最低功耗的微控制器

圖2.

此外,由于功耗與開關頻率成正比,因此系統設計人員必須將引用的電流數歸一化到電流/MHz。通過結合這兩個因素,可以根據以下指標對MCU進行并排比較:

電流消耗/MHz @ 3 V

當真正有意義的值是指令時鐘速度時,一些供應商會試圖通過將“MHz”等同于系統時鐘速度來混淆問題。這是欺騙性的,因為系統時鐘速度可以以其實際指令速度的兩倍(或更多)運行,從而使其有效功耗加倍(或更多)。因此,確保所有內容都符合指令時鐘速度是很重要的。通過這樣做,并通過使用典型的電源電壓,可以正確地推導出實際的有源模式電流消耗預算。<<容~源~電~子~網~版權聲明:本站內容部分來源于網絡,如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正,聯系QQ:316520686。

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