超低功耗嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　考慮到我們今天所生活的時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)的便攜性是十分關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。便攜式系統(tǒng)通常用電池供電，而電池使用壽命取決于系統(tǒng)的功耗。在提倡“綠色環(huán)保”計(jì)劃的今天，即便是市電供電的應(yīng)用也要把功耗作為一項(xiàng)重要的產(chǎn)品選擇標(biāo)準(zhǔn)。

　　便攜式設(shè)備通常分為使用充電電池供電的設(shè)備和使用非充電電池供電的設(shè)備。如果應(yīng)用使用的是非充電電池，那么電池使用壽命將是至關(guān)重要的規(guī)范要求。對(duì)于任何應(yīng)用而言，電池使用壽命取決于：

　　●所用電池的可用電荷量

　　●應(yīng)用的平均電流消耗

　　使用充電電池的應(yīng)用還要考慮到另一個(gè)參數(shù)，那就是電池充電的頻率和每次充電所花的時(shí)間。從最簡(jiǎn)單的角度說(shuō)，延長(zhǎng)電池使用壽命可通過(guò)提高電池容量或降低應(yīng)用的平均電流消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電池重量過(guò)大會(huì)影響系統(tǒng)的機(jī)械約束和成本，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只能將電池電量提高到一個(gè)限值。在電池化學(xué)技術(shù)的全新發(fā)展不斷提高電池電荷密度的同時(shí)，我們還亟需想辦法繼續(xù)降低平均功耗。

　　應(yīng)用的平均功耗取決于：

　　●每個(gè)電路組件的功耗

　　●應(yīng)用的供電方案以及電力如何通過(guò)柵極輸送到設(shè)計(jì)的各個(gè)部分

　　●設(shè)計(jì)中的各個(gè)組件是如何在不同的工作條件下工作的

　　每個(gè)組件的功耗可從各組件的器件數(shù)據(jù)表獲得。了解每個(gè)組件的功耗拆分信息非常重要，這有助于設(shè)計(jì)出色的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低功耗優(yōu)化。

　　不妨來(lái)設(shè)想一個(gè)簡(jiǎn)單的小型電池供電數(shù)字時(shí)鐘。該設(shè)備可用于計(jì)時(shí)，并在按下按鍵時(shí)能顯示當(dāng)前時(shí)間。設(shè)備通常處于斷電模式以節(jié)電，只有在檢測(cè)到按鍵動(dòng)作時(shí)才會(huì)被喚醒并刷新顯示屏。顯示屏和主電路在工作一段時(shí)間后會(huì)返回?cái)嚯娔Ｊ揭怨?jié)電。該系統(tǒng)的高層次方框圖參見(jiàn)圖1。

　　圖1:小型數(shù)字時(shí)鐘的高層次方框圖

　　電路采用RTC計(jì)時(shí)，用主控制器芯片與RTC通信，并管理顯示屏界面。整個(gè)系統(tǒng)大部分時(shí)間處于斷電狀態(tài)，顯示屏關(guān)閉，主控制器也處于斷電模式，這樣電流消耗可降到最低，所有外設(shè)都關(guān)閉。按鍵則作為喚醒設(shè)備的觸發(fā)器，以獲取RTC數(shù)據(jù)并在顯示屏（通常為L(zhǎng)CD）上進(jìn)行顯示。

　　要分析這種系統(tǒng)的功耗，要看的第一個(gè)數(shù)據(jù)就是設(shè)備和顯示屏都處在斷電模式下的典型平均電流是多少。應(yīng)查看每個(gè)外設(shè)和控制器的數(shù)據(jù)表，以了解功耗數(shù)據(jù)。為了最大限度地降低功耗并延長(zhǎng)電池使用壽命，應(yīng)做到給所有不使用的外設(shè)斷電。在本應(yīng)用中，這個(gè)不使用的外設(shè)就是顯示屏。與顯示屏形成對(duì)比的是，RTC需要始終進(jìn)行供電，以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。

　　MCU通常是大多數(shù)系統(tǒng)中總功耗的主要來(lái)源。這一點(diǎn)同樣適用于本案例中的應(yīng)用，如果不能選擇并適當(dāng)使用正確的MCU時(shí)尤為如此。有很多辦法可降低MCU的功耗，包括但不限于：

　　1.降低工作頻率

　　2.以更低的工作電壓運(yùn)行

　　3.使用低功耗工作模式

　　MCU能在各種工作頻率上運(yùn)行。然而，不同器件支持的頻率各不相同。MCU的功耗與工作頻率成正比，隨著頻率的升高，動(dòng)態(tài)功耗也會(huì)升高。因此，MCU應(yīng)該以盡可能低的頻率運(yùn)行，同時(shí)能夠可靠地滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求。

　　此外，頻率也與時(shí)鐘源有關(guān)。設(shè)備支持各種時(shí)鐘源選項(xiàng)，包括內(nèi)部高速振蕩器、內(nèi)部低速振蕩器、外部晶體振蕩器等。在大多數(shù)情況下，外部晶體可提高精確度，但代價(jià)是功耗較高。選擇低功耗時(shí)鐘源，往往要權(quán)衡速度和精確度。為選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘源，確保系統(tǒng)性能和功耗的完美平衡，應(yīng)該認(rèn)真研究系統(tǒng)要求。

　　大多數(shù)MCU支持低功耗工作模式，從而滿(mǎn)足低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。同樣，支持模式的數(shù)量以及每種模式的特性根據(jù)器件會(huì)有所不同。應(yīng)適當(dāng)使用低功耗模式，以降低平均功耗。常見(jiàn)的模式包括：

　　●工作模式：MCU正常運(yùn)行。

　　●較低功耗模式：時(shí)鐘經(jīng)門(mén)控后送至MCU,保持各種寄存器和RAM的狀態(tài)。

　　●最低功耗模式：包括MCU在內(nèi)的所有外設(shè)都斷電。

　　當(dāng)時(shí)鐘經(jīng)門(mén)控后送至MCU時(shí)，功耗就是靜態(tài)功耗。靜態(tài)功耗取決于幾個(gè)因素，包括亞閾值條件和FET中的隧道電流等。此外，隧道電流在小型芯片設(shè)計(jì)的FET縮減時(shí)會(huì)成為主要因素（即尺寸減小使得氧化物的厚度減小）。

　　今天，我們已經(jīng)擁有在單芯片上實(shí)現(xiàn)完整系統(tǒng)/子系統(tǒng)高度集成的SoC.除了集成度之外，就功耗而言，這些SoC也有助于降低平均功耗，使其低于采用獨(dú)立MCU和分立外設(shè)的情況。

　　五種電源模式的詳細(xì)介紹　

    以下部分主要是介紹SoC以及如何提高其效率，從而有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低功耗。

　　通常說(shuō)來(lái)，SoC相對(duì)于傳統(tǒng)MCU而言能支持更多低功耗模式。其原因在于SoC集成度高，有更多片上組件和多種電源配置，以支持不同的工作需求。電源模式的數(shù)量與每種模式下的可用資源根據(jù)器件會(huì)有所不同。舉例來(lái)說(shuō)，在某種低功耗模式下，某個(gè)器件能在僅保持寄存器和RAM內(nèi)容的情況下給所有其它組件斷電，而另一種器件則只是給CPU斷電，而讓其它資源繼續(xù)運(yùn)行。不同制造商會(huì)對(duì)這些模式采取不同的命名方法。在本文中，我們將以賽普拉斯的PSoC 4器件為例來(lái)詳細(xì)介紹各種電源模式。

　　以下電源模式也得到其它制造商的大多數(shù)設(shè)備的支持：

　　●工作模式

　　●休眠模式

　　●深度休眠模式

　　●冬眠模式

　　●停止模式

　　下面我們來(lái)看看這些電源模式的具體情況：

　　1.工作模式：在此模式下，CPU和所有片上其它資源都正常工作運(yùn)行。該模式是系統(tǒng)整體功耗的最主要組成部分。在此模式下，如果不使用的話(huà)，可將芯片上的各種外設(shè)分別斷電。

　　2.休眠：這是控制器另一種常見(jiàn)的電源模式。該模式主要與CPU有關(guān)。當(dāng)CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)后，其時(shí)鐘移除。CPU這時(shí)對(duì)總功耗的唯一影響就是靜態(tài)功耗，因?yàn)檫@時(shí)已經(jīng)沒(méi)有時(shí)鐘開(kāi)關(guān)切換工作，也就不會(huì)有動(dòng)態(tài)功耗。ADC和比較器等其它外設(shè)在此模式下可用。

　　3.深度休眠：此電源模式下即便是系統(tǒng)時(shí)鐘也被禁用，所以在此模式下所有高頻資源都不可用。不過(guò)，這些資源的當(dāng)前狀態(tài)不受影響，也就是說(shuō)CPU寄存器、SRAM等的當(dāng)前狀態(tài)不受影響。由于高頻時(shí)鐘被禁用，因此能節(jié)約開(kāi)關(guān)消耗的功率。通常情況下，深度休眠模式提供低頻時(shí)鐘運(yùn)行的選項(xiàng)，低頻時(shí)鐘可用來(lái)驅(qū)動(dòng)定時(shí)器等低頻資源。此外，該模式也允許開(kāi)發(fā)人員使用I2C從設(shè)備等通信協(xié)議塊，其無(wú)需器件自身生成時(shí)鐘。由于進(jìn)入此模式的主要方法就是禁用系統(tǒng)主時(shí)鐘，因此這是可以實(shí)現(xiàn)的。然而，模塊仍然可通電。該模式對(duì)功耗的影響主要在于片上所有時(shí)鐘的靜態(tài)功耗。

　　4.冬眠：在此模式下，所有時(shí)鐘都關(guān)閉，包括低速振蕩器。片上所有資源，除了用于外部事件觸發(fā)喚醒的資源以外全都斷電。由于本模式下幾乎所有組件都斷電，因此該模式能減少靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗組件，從而實(shí)現(xiàn)最低功耗。

　　5.停止：顧名思義，停止模式就是所有外設(shè)斷電，即使是RAM和CPU寄存器的內(nèi)容也不保持。在PSoC 4等類(lèi)似器件中，這種模式下僅保持IO引腳的狀態(tài)。從這種模式下喚醒會(huì)進(jìn)入芯片重啟動(dòng)。

　　當(dāng)分析一款應(yīng)用的功耗時(shí)，必須查看所有電源模式下的功耗情況。

　　必須明確某種模式下能提供喚醒源。舉例來(lái)說(shuō)，需要某種中斷才能從休眠模式喚醒，在冬眠模式下則需要I2C地址匹配中斷以喚醒器件。需要了解每種模式下有哪些資源工作，能提供什么喚醒資源。舉例來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中可用比較器中斷作為喚醒源，在超出設(shè)定閾值情況下可用模擬輸入喚醒系統(tǒng)。就圖1所示的應(yīng)用而言，喚醒需要采用GPIO中斷或者甚至硬復(fù)位，因?yàn)镽TC會(huì)隨時(shí)運(yùn)行，而且控制器不需要保持此前的狀態(tài)。

　　冬眠和停止模式下，功耗可低至100nA.對(duì)于RTC本身而言，您會(huì)很容易找到功耗很低的RTC（僅消耗100-200nA）。假設(shè)控制器直接驅(qū)動(dòng)LCD,我們可認(rèn)為L(zhǎng)CD的關(guān)閉狀態(tài)功耗為零。

　　這就使得圖1所示系統(tǒng)中的平均功耗在300nA的范圍內(nèi)。如果我們假設(shè)設(shè)計(jì)方案采用CR2032作為電源，電池容量約為225mAh.就300nA的電流來(lái)說(shuō)，電池僅在器件始終處于斷電模式下能支持70到80年的工作。

　　每次按下按鍵，控制器都會(huì)喚醒。這會(huì)將控制器的功耗提升到500μA-1mA的范圍。假設(shè)功耗為1mA左右，控制器從RTC獲取數(shù)據(jù)并顯示在LCD上?？刂破鲌?zhí)行這項(xiàng)工作只需很短的時(shí)間，但顯示屏要保持較長(zhǎng)工作時(shí)間（假設(shè)說(shuō)顯示屏亮起10秒鐘確保用戶(hù)看到數(shù)據(jù)）。作為直接驅(qū)動(dòng)LCD,控制器必須保持較長(zhǎng)的工作時(shí)間，也就是要消耗更多電荷。在此情況下，賽普拉斯的PSoC4等器件可提供低功耗模式，能讓設(shè)備關(guān)閉所有其它外設(shè)，僅運(yùn)行驅(qū)動(dòng)LCD所需的模塊。在這種器件中，LCD驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在特定的低功耗模式下，這種模式被稱(chēng)為數(shù)字關(guān)聯(lián)模式。其結(jié)果就是大幅減少電流消耗。

　　圖2:各種狀態(tài)下的電流消耗

　　每次按鍵都會(huì)經(jīng)歷如圖2所示的電流曲線(xiàn)。曲線(xiàn)下方區(qū)域是單次按鍵的典型功耗。消耗的電荷計(jì)算如下：

　　Q = （1mA*1ms） + （20μA*10s）

　　根據(jù)上面的數(shù)據(jù)，我們可計(jì)算出給定電源能支持多少次按鍵。

　　工作模式下所花的時(shí)長(zhǎng)非常重要，因?yàn)檫@種模式下耗電最大。一個(gè)選項(xiàng)是讓MCU保持工作模式，但CPU時(shí)鐘速度較低，從而降低工作模式下的耗電。不過(guò)，這會(huì)導(dǎo)致更高的平均功耗，因?yàn)楣ぷ髂Ｊ剿ǖ臅r(shí)間取決于時(shí)鐘頻率。此時(shí)由于MCU必須處于工作模式，因此功耗取決于MCU處理數(shù)據(jù)所花的時(shí)間。更快速的MCU能很快完成任務(wù)，從而延長(zhǎng)處于低功耗模式下的時(shí)間，也就能讓系統(tǒng)減少功耗。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)系統(tǒng)要求明確最佳配置。

　　在本系列文章的下一部分，我們將以更大型系統(tǒng)為例作講解，并介紹如何降低平均功耗。此外，我們還將探討一些降低平均功耗的系統(tǒng)級(jí)技巧。

　　作者：Sachin Gupta、Kannan Sadasivam

　　賽普拉斯