在設計電池供電產(chǎn)品時，人們顯然希望電池壽命應該盡可能長些。作為一個快速發(fā)展的設備種類，從單電池發(fā)展起來的應用不僅僅停留在規(guī)格上：而是以整個產(chǎn)品的概念為中心。能源敏感的產(chǎn)品應用大致分為能源計量系統(tǒng)、家庭與樓宇自動化、安全和醫(yī)療系統(tǒng)（圖1）。這些產(chǎn)品通常會圍繞一個微控制器（MCU），必須用單一的原電池運作很長時間。在某些應用中，要想更換電池是很難的甚至不可能的：在其它應用中，最終用戶不愿意支付更換電池的成本。

圖1：人們期望新一代的計量產(chǎn)品能定期報告其讀數(shù)給計費和資源管理人員，同時在二十年里其運行無人看管。
 

     在這樣的應用中采用的是占空比非常低的很活躍的微處理器，在“深度睡眠”狀態(tài)下時間可能占了99％- 甚至更高，達到99.9％也不罕見。微處理器在一個周期循環(huán)或在回應某些刺激時被“喚醒”，執(zhí)行操作，并返回到睡眠狀態(tài)中。由于它們花了這么多時間去睡覺，很明顯，獲得最長電池壽命的關鍵參數(shù)是在掉電狀態(tài)下的電流消耗。不過，同一節(jié)電池的使用壽命為三或四年與超過10年，延長至20年，甚至更長時間的區(qū)別在于要密切注意這個任務如何使用MCU資源的每個方面，以及MCU本身是如何設計以各種方式減少能源消耗的。
 

一節(jié)單電池用20年

    CR2032紐扣電池廣泛用于小型MCU如遠程環(huán)境傳感器中，這是一種鋰/二氧化錳3V原電池。典型的供應商- 例如，柯達（參考1）-評定230 mAh到2V的終點電壓能力為5.6 kW(約有0.5 mA). 如果是那樣的話，電池壽命將為400小時，相比之下，能源敏感的應用能使使用壽命達到20萬小時。這種特殊的電池具有很好的貨架壽命或自放電率，數(shù)據(jù)表顯示10年之后其容量達90％。非常相似的是，這相當于連續(xù)充電約0.25 mA, 如果能夠達到10-20年的電池壽命, 應用的一般要求就會滿足。
 

    伴隨電池壽命的是數(shù)量有限的電荷，設計者必須在MCU運行的所有階段減少產(chǎn)品的電流和時間，不僅要減少每微安的數(shù)量，也要減少每個動作的每個微秒。
 

    為了減少深度睡眠模式下消耗的電流，在能源敏感應用的MCU中采用8位（或16位）內(nèi)核已很普遍。其理由是，8位內(nèi)核—即使在最新版本中也常常采用這樣的設計- -很小，門控相對較少，靜電或泄露電流低。但是，許多現(xiàn)在的應用都需要比8位內(nèi)核更大的處理功率。在其它MCU應用領域，用戶往往選擇從一個8位升級到一個32位環(huán)境。在低功耗的情況下，人們一直假定32位內(nèi)核在其掉電模式狀態(tài)時使用的電流一定是高得令人無法接受的。隨著全套低功耗設計技術的出現(xiàn)，今天的IC設計師們已經(jīng)可能讓一個32位ARM內(nèi)核提供不同的低功耗模式了，與其8位的競爭對手一樣好，甚至更好，而且還能實現(xiàn)快速喚醒時間。32位處理器更高的處理性能也使MCU可以更快完成任務，從而能夠在這些低功耗模式中花更多時間來進一步降低平均功耗。

低功耗外圍設備功能

    要優(yōu)化最低耗用功率的MCU睡眠狀態(tài)功耗需要整體的設計方法。除了內(nèi)核，MCU里的其它模塊在待機設備、穩(wěn)壓器、偏置電流發(fā)生器，欠壓檢測比較儀、加電復位電路中會繼續(xù)吸引一些電流。在幾乎所有情況下，簡單的交替換位都適用; 掉電狀態(tài)越深，就越多外圍設備的功能被完全切斷，芯片準備好實施處理任務的喚醒時間越長。由于應用的差別很大，MCU設計師提供一種靈活的斷電狀態(tài)下的擴展套件形式就顯得很重要了，這樣產(chǎn)品設計人員就可以很好地為他個人的項目進行待機功率和響應能力的交替換位。

    設計實施ARM內(nèi)核以實現(xiàn)在nanoamp區(qū)最深睡眠狀態(tài)的電流水平只是低能源戰(zhàn)略的一個步驟。能夠提供一個32位內(nèi)核的處理能力為控制能源使用開辟了新途徑，在任何時候，它是MCU供電圖下面的區(qū)域，隨著時間的推移，它表示從電池里取走的電荷（圖2）。就是這樣，在具體配置中電流消耗的大標題數(shù)字越多，設計人員就必須密切注意要最大限度地延長電池的使用壽命。在EFM32微控制器的開發(fā)工具包中，這種測量是很清楚的; 這個工具包的基本功能部分是其先進能源監(jiān)控器（圖3）。該設施在填充MCU內(nèi)核的電流軌中不斷測量電流;一個從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器（ADC）通過電阻器采集電壓，而開發(fā)工具包軟件集成其讀數(shù)來精確測量不同時間的功率。

圖2：節(jié)能MCU內(nèi)核通過完整的喚醒/操作/回到睡眠周期在多個不同區(qū)域節(jié)省能源。藍色區(qū)域表示一個更強大的32位內(nèi)核完成任務所節(jié)省的能量，所需的周期比一個8位內(nèi)核需要的少，在活躍和睡眠模式下消耗的電流也較少。

圖3先進能源監(jiān)控跟蹤該MCU通過其嵌入代碼的完整操作周期從電池中吸收的總充電量。

    一個32位的內(nèi)核比能力較小的MCU花更少的時間去積極完成一項相同的任務：同時，該內(nèi)核在運行時使用的功率也應盡可能低。集中于低功耗的IC設計師們得到了許多精致的設計來實現(xiàn)其目標。例子包括優(yōu)化所有芯片同步邏輯的時鐘門控結構，并組織總線系統(tǒng)和內(nèi)存–SRAM和閃存- 在任何特定處理中的最小開關-。采用全套低功耗設計方法會在閃存中產(chǎn)生一個運行典型代碼的ARM Cortex - M3內(nèi)核，而使用少到180μA/MHz的能量。認真使用這些相同的技術可以保證數(shù)字測量準確，減少到低時鐘速率，而不僅是一個最佳性能數(shù)字。一旦MCU被喚醒并執(zhí)行應用代碼，M3內(nèi)核使用Thumb2指令集也有助于減少“活躍時間”。有了這樣的緊湊型16位指令的雙取指令功能，Thumb2ISA的效率非常好。
 

    在減少電流乘微秒產(chǎn)品時，MCU設計師有很多更好的策略要部署。一個是不僅減少內(nèi)核在實際處理應用代碼時所花的時間，而且縮短喚醒刺激之間的解決時間- 無論是定時生成或事件驅(qū)動- 并且CPU正在準備做“真正的工作”。一條線路是最大限度地減少啟動時間以及內(nèi)核的時鐘信號供應。眾所周知，當一個晶體振蕩器從關閉狀態(tài)中啟動時，在作為一個系統(tǒng)時鐘使用之前，它需要一些時間來穩(wěn)定其輸出。相反，一個RC振蕩器作為MCU必須完成的所有任務的時基可能不夠準確，但會在開機后的幾乎一瞬間產(chǎn)生有規(guī)則的輸出。部分解決方案是縮短同時提供信號的時間; CPU在開機的同時就開始運行，用RC振蕩器調(diào)整時鐘，而一個小控制電路等它一穩(wěn)定下來就將時鐘源傳到一個晶體振蕩器上。RC振蕩器輸出中任何頻率精度的不足都不很重要，因為使用它的周期較短。
 

簡單的任務不需要MCU內(nèi)核

    盡管設計師十分注意要用一個有能力的處理內(nèi)核來提供功率，并且在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)了這個目標，對芯片設計師和系統(tǒng)設計師有用的是要問問給定任務是否需要這樣的內(nèi)核：如果喚醒它只是執(zhí)行簡單任務的話，即使是最節(jié)能的內(nèi)核也會浪費電池的電荷。我們再用環(huán)境傳感器的應用作個例子–它可能需要定期測量，但只需在不頻繁的時間間隔內(nèi)將測量結果報告到中央數(shù)據(jù)記錄器里。運行通信接口的軟件堆棧一定會要求喚醒MCU內(nèi)核，但會更頻繁地打開模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器，指揮A / D轉(zhuǎn)換，并以低功耗內(nèi)存積累結果，如果只要求外圍設備設置在互連矩陣（圖4）的控制下自主運作的話，消耗的功率會很少。由于應用的差別很大，選擇哪些功能模塊來供電以及它們?nèi)绾芜B接的高度靈活性對充分利用這一概念非常重要。

圖4使用一個互連矩陣或'外圍設備反射系統(tǒng)'可以執(zhí)行簡單的任務如開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲結果，完全無需喚醒32位處理器內(nèi)核。

在電源預算中加密碼

    眾所周知，在現(xiàn)代CMOS半導體工藝中，為硬連接塊IC增加功能的硅區(qū)成本相對較低。這產(chǎn)生了輕微的與直覺不一致的結果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門控數(shù)。有了先進的鐘樹設計、時鐘門控和線路板電源開關，IC設計人員可以隨時隨地很容易地完全切斷電源。這種方法的一個突出功能就是加密。即使是看似平常的數(shù)據(jù)現(xiàn)在也通過例行的加密來保證安全，通常已知的算法為AES。這對一個32位MCU內(nèi)核而言不是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，但它確實占用了大量的處理器周期，延長了總的微安倍乘總微秒。大多數(shù)這些周期花在了執(zhí)行一些內(nèi)部循環(huán)中的算法上; 增加一個AES加速器硬件模塊會使MCU停止AES算法，轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ糜布⑴c其它處理器和睦相處，以更少的周期得到加密（或解密）結果。
 

    迅速擴大的能源敏感應用類別- 由少數(shù)高端類別如智能電能計量領導- 重新界定了用電池驅(qū)動一個產(chǎn)品的意思：這些產(chǎn)品必須在一個單電池的驅(qū)動下提供服務，并比較電池本身的貨架期，在電池制造商指定的最大時間間隔的相同范圍內(nèi)：達到，甚至超過20年。只有一個高度集成的單芯片的微控制器能為這樣的設計提供一個現(xiàn)實的解決辦法。IC設計師們十分注重低功耗芯片設計的每個方面，現(xiàn)在可以提供現(xiàn)代、功能強大的32位處理器內(nèi)核給產(chǎn)品設計師了，而同時盡可能地降低了功率要求。
 

作者簡介：

Rasmus Larsen, Energy Micro的培訓和支持經(jīng)理,

    Rasmus領導Energy Micro的技術支持團隊，負責培訓其全球的銷售渠道人員。作為Energy Micro的第一個微控制器,EFM32的設計者之一，Rasmus具有EFM32產(chǎn)品系列的廣博知識。他曾為Atmel（AVR）工作過，持有挪威特隆赫姆NTNU的MSEE學位。
 

參考1：柯達CR2032紐扣電池的數(shù)據(jù)表：http://www.kodak.com/eknec/documents/fb/0900688a8019d7fb/KCR2032.pdf