節能MCU內核可延長電池壽命

一節單電池可用20年

CR2032紐扣電池廣泛用于小型MCU(如遠程環境傳感器)中，這是一種鋰/二氧化錳3V原電池。典型的供應商，如柯達(參考文獻1)將其容量*為230mAh到2V的終點電壓能力為5.6k?(約為0.5mA)。如果是那樣的話，電池壽命將為400小時，相比之下，能源敏感的應用可使使用壽命達到20萬小時。

圖1：人們期望新一代的計量產品能在二十年里工作無人看管。

這種特殊的電池具有很好的使用壽命或自放電率，數據表顯示10年之后其容量仍達90%。非常相似的是，這相當于連續充電約0.25?A，如果能夠達到10到20年的電池壽命，那么它可以滿足應用的一般要求。

伴隨電池壽命的是有限的電荷數，設計者必須在MCU運行的所有階段減少產品的電流和運行時間，不僅要減少每微安數，還要減少每個動作花費的每個微秒。

為減小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)內核已經非常普遍。其理由是，8位內核(即使是在這類設計中經常采用的最新版本中)很小，門控相對較少，靜電電流或漏電流較低。但是，現在的許多應用都需要比8位內核所能提供的更大的處理能力。在其它MCU應用領域，用戶往往選擇從8位升級到一個32位環境。在低功耗的情況下，人們一直先入為主地認為32位內核在其掉電模式狀態下使用的電流一定高得令人無法接受。隨著全套低功耗設計技術的出現，今天的IC設計工程師已經可以用一個32位ARM內核提供各種低功耗模式，效果與8位產品一樣甚至更好，而且還能實現快速喚醒。32位處理器更高的處理性能也使MCU可以更快完成任務，從而能夠有更多時間處于這些低功耗模式下，這可以進一步降低平均功耗。

低功耗外圍設備功能

為實現盡可能低的功耗，優化MCU睡眠狀態功耗需要整體的設計方法。除了內核，MCU中的其它模塊在待機設備、穩壓器、偏置電流發生器，欠壓檢測比較儀、上電復位電路中會繼續消耗電流。幾乎在任何情況下，一個簡單的折衷法則是：掉電狀態越久，就有越多外圍設備的功能被完全關斷，芯片準備好實現處理任務的喚醒時間就越長。由于應用之間差別很大，MCU設計工程師提供一種靈活的斷電狀態下的擴展套件就顯得很重要了，這樣產品設計人員就可以很好地為其項目進行待機功率和響應能力的折衷。

設計一個在nanoamp區獲得最深度睡眠狀態電流水平的ARM內核只是低能源戰略的一個步驟。能夠獲得32位內核的處理能力為管理能源的利用開辟了新途徑。在任何時候，它是MCU供電圖下面的區域，隨著時間的推移，它表示從電池里取走的電荷(圖2)。

圖2：節能MCU內核通過完整的喚醒/工作/回到睡眠周期在多個不同區域節省能源。

灰色區域表示相比8位內核，一個性能更強大的32位內核在更短周期內完成任務所節省的能量。

就是這樣，在具體配置中電流消耗的數字越大，設計人員就必須更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先進能源.(圖3)。該設備不斷測量給MCU內核供電的電壓軌下的電流。用一個從模數轉換器(ADC)通過電阻器采集電壓，而開發工具包軟件集成其讀數來精確測量不同時間的功率。

圖3：EnergyMICRO的先進能源.。相比性能更低的MCU，一個32位的內核將花更少的時間去主動完成一項相同的任務，同時，該內核在運行時消耗的功率也應盡可能低。專注于低功耗的IC設計工程師能夠獲得許多設計細節來實現其目標。這樣的例子包括針對所有芯片同步邏輯優化時鐘門控結構，以及組織總線系統和內存(SRAM和閃存)以在任何特定處理中盡可能減少位跳變。采用全套低功耗設計方法會在閃存中產生一個運行典型代碼的ARMCortex-M3內核，而僅需用到低至180μA/MHz的能量。小心使用這些相同的技術可以確保其數字測量準確，獲得低時鐘速率，而不僅僅是一個最佳性能數字。

一旦MCU被喚醒并執行應用代碼，M3內核使用Thumb2指令集也有助于減少“活躍時間”。利用這樣的緊湊型16位指令的雙取指令功能，Thumb2ISA的效率非常高。

在減少電流×微秒(current-times-MICROseconds)產品時，MCU設計工程師需要部署更多策略。其中一個是不僅減少內核在實際處理應用代碼時所花的時間，而且還要縮短喚醒刺激之間的創建(ramp-up)時間(無論是定時生成或事件驅動)，并且CPU正在準備做“真正的工作”。一種途徑是最大限度