实现MCU应用的低功耗

我们已经进入了这样一个时代，即开始期望和要求电池供电设备实现更多的功能。我的第一台PDA的电池仅工作了一天，而且如果还启动了时间提示功能，那么电池能量将会很快耗尽。今天，在相同的条件下，我的PDA能够工作一周。这两款PDA用的都是相同容量的锂离子电池，那么是什么使情况发生了改变呢？答案很简单，电路硬件在改进，电源管理技术在提高。相比之下，电池技术的进步反而是次要的。

PDA是系统复杂性迅速增加的一个好例子，正如它们的命运显示的那样，尽管电池性能几乎没有什么进步，但对这类电池供应用的要求却在不断增加。而要成功应对这一功能不断增加的挑战，固件或软件工程师必须完全理解目前市场上的商业MCU处理内核开发工具，同时硬件设计师理解今天市场上商用解决方案的效率。

图1：PIC18F1320的可编程能力允许对系统中的电源电压进行控制，并控制MCU的系统时钟和睡眠模式。

模拟和数字部分要协同努力

如果你能够很好地理解MCU的硬件配置和手头上的开发工具，那么你就能够降低功耗，从而能够再添加一些应用功能。降低功耗的一个方向是控制嵌入式应用的电源电压幅度。你可能需要在程序执行过程中的某些点上与真实模拟世界进行交互，如果的确有这个需要，你的设计中必须包含模拟电路。对模拟电源电压的要求要高于对数字电源电压的要求。要记住，模拟噪声容限比数字的小得多，而且模拟噪声水平不随工作电压的降低而减小。

例如，在5V工作电压状态，12位AD转换器能进行优异可靠的转换。同样的12位AD转换器，在2V工作电压状态下，不受噪声影响位数的输出会变少。这是因为，LSB(最低有效位)的位数变小了，而噪声大小不变。这个问题的解决方案是，当仅进行模拟操作时，采用更高的电源电压；而当仅进行数字操作时，切换为更低的电源电压。

图1展示了一个简单的、基于MCU的电池供电系统，是围绕Microchip的PIC18F1320闪存MCU而设计的。PIC18F1320具有多种空闲模式以及双时钟启动功能等特性，对低功耗设计很有帮助。

在硬件方面，为了追求更低功耗表现，MCU的外部外设和内部外设都在不断发展。MCU的外部外设可通过降低芯片工作电压及优化电路设计来降低功耗。图1所示的简单例子，就整合了低功耗运放、AD转换器以及可调稳压电荷泵。

图1中，MCP6041型运放采用CMOS工艺制造，这种运放可以将工作电压降的很低。MCP6041运放由Microchip制造，带宽为14 kHz，电流为600 nA，供电电压在1.4V至5.5V之间。降低的工作电压与降低的静态电流结合，为电池供电设备的电源管理提供了良好的解决方案。

集成了内部或外部AD转换器的MCU，转换器的拓扑结构比IC设计创新对MCU功耗的影响更大。例如，同Δ-∑AD转换器相比，SAR(逐次逼近寄存器)A/D转换器的转换时间和消耗电流之比就低得多。在电池供电应用中往往采用SAR模式的A/D转换器，除非是需要分辨率和精度更高的应用。

图1的电源是可调的。5V电压用于模拟处理相得益彰，2V电压用在数字电路恰倒好处。图1的可调节电源转换器在低输出电流、锂离子电池供电(4.2V到2.8 V)情况下，具有很高的效率。基于这些原因，该设计采用了一款稳压可调的电荷泵式DC/DC转换器(型号为MCP1252-ADJ)。

对不同的操作控制采用不同的工作电压仅是低功耗设计工作的一半。如时刻将低功耗铭记于心，就会希望在维持MCU某些部分工作的同时，关断其它部分。例如，你可以独立运行MCU中的A/D、D/A转换器或USART通信接口，这些部分仅需局部供电就可以正常工作。

对外接设备的能耗优化同样重要。此外，将MCU内、外部的外设与MCU的编程能力结合考虑，会切实降低系统功耗。例如，在MCP1252-ADJ中，可以把一个新的电路切换到电阻反馈系统中，这样MCU就能够控制电压。为了确保模拟电路的最佳工作条件，需要电荷泵输出高电压。而MCU的数字电路部分在较低的电压下就能工作。如，PIC18F1320的输出电压为2V至5.5V。通过直接对比电荷泵的两种输出电压就可计算节省的功率。如果把MCU外部外设的供电切断，加在I/O端口上的供电电压又比较低，这样就可以进一步降低功耗。

控制时钟

当设计师试图降低嵌入式系统电路的整体功耗时，常常忽略的一个问题就是：在MCU脱离睡眠模式时，如何对时钟进行管理。

图2：有3个时钟源的MCU。该系统有2个外接时钟源(定时器1和主振荡器)，和1个内部振荡器。

如图2所示，一个MCU可以有多个时钟源，最明显的是一个外部时钟源。在此例中，可以将晶振、陶瓷谐振器、内部控制器时钟或一个时钟发生器连接到适当的器件管脚。除了这些生成时钟信号的部件外，MCU可整合前后分频FLL(锁频环)。前后分频器对输入时钟进行分频，FLL还可以倍频输入时钟频率。

在RTOS(实时操作系统)中，当系统短时唤醒后又进入长时间的睡眠状态，配备时钟管理机制就显得至关重要。如在唤醒时间小于1秒的系统中采用晶振或压电陶瓷谐振器，从睡眠模式唤醒到开始执行指令之间会有一段延时。MCU在此延时和启动期间不会执行指令，而应用电路仍会消耗功率。

例如，图3显示了4 MHz晶振的典型启动时间。在图3中显示该时间大约为450毫秒。假设该晶振是MCU连接的唯一时钟源，分配的程序执行时间是1秒，那么，实际的程序执行时间将比预计的长45%。在时钟启动期间，电路在消耗电能，但又不执行代码。

在此类应用中，选用内时钟来执行程序更为明智。内时钟几乎与电源同时启动，对4MHz的内时钟而言，几微秒的启动时间是很正常的。图4显示了内时钟的启动时间。

与图3所示的4MHz晶振相比，图4所示的内时钟启动速度约有5万倍的提高。从这个数据人们或许可以得出结论，针对此类应用，内时钟是恰当的选择。其实，内时钟的功耗与晶振功耗大体相当，只要不要求MCU运行诸如USART通信或定时一个精准脉冲这类对时间有苛刻要求的操作，选用外时钟源也是可行的。

可进行评测的第3个时钟是压电陶瓷谐振器。图5显示了谐振器的启动时间。

有一个可供使用的时钟系统优于上述三种时钟源的任一种，最好的做法是迅速确定电路是否需要精准时钟。如果MCU需要精准时钟，则启动外接晶振或陶振；若非如此，则关断。MCU从睡眠模式唤醒后，要迅速做出决定。如能将内时钟与外接晶振或陶振结合在一起，就能迅速做出这样的决定。用两个时钟源替代单一时钟源，能够显著降低功耗。

该技术被称为“双时钟启动策略”，也就是说在硬件/固件配置中，MCU使用了2个时钟。在睡眠模式，2个时钟全部关断。唤醒时，内时钟启动并迅速判定是否需要晶振。如需要晶振，内时钟仍将持续执行程序直至晶振启动。此时，MCU将时钟源切换为晶振，并关断内时钟。

从数字角度处理睡眠模式

低功率设计成功的关键在于有一个具有多种睡眠模式和时钟模式的MCU。用户可以通过使MCU进入休眠或空闲模式来降低系统功耗。在空闲模式，MCU关断CPU，但允许10位A/D转换器这样的功能继续工作，而睡眠模式则彻底关断MCU。

当MCU时钟进行状态切换时，MCU内的不同逻辑门都会吸取电流。检查MCU耗电时，应首先检查时钟的功耗。通过对系统各种时钟源进行比对，可以发现，与同频率的晶振、振荡器或陶振相比，内部振荡器功耗最低。

某些MCU有3种基本的工作模式。第一种是完全工作模式，所有模块都上电工作。第二种是空闲或等待模式，MCU外设工作，而MCU不工作。第三种，同时对低功耗的电池供电来说也是最重要的一种，就是睡眠或停止模式。睡眠模式下设备完全停止功耗。睡眠模式通常关断系统时钟，如果也一同切断外部时钟源，系统功耗会进一步降低。

以下是完善低功耗设计的一些建议。将不用的I/O管脚拉高或拉低；只要可能，尽量采用内振荡器，它们是低功耗的选择；切断所有不用的外设，例如PWM(脉宽调制器)、ADC、USART等；在程序中尽量用查询表代替CPU运算；检查所有外围器件的功耗，例如，计算电路全部外围电阻的压降；降低驱动串行EEPROM或外围模拟器件等外设的I/O管脚驱动电平。点亮的LED功耗可能出乎你的意料，一只小小的LED能使你的低功耗设计努力前功尽弃。总之，一定要注意电流消耗。

本文小结

低功耗设计对电池供电的应用来说至关重要。MCU的可编程性能对降低功耗大有裨益，通过调节电荷泵稳压源的输出电压可做到这点。其次关断不使用的非关键外设。还有就是对时钟系统进行控制，以得到最佳的性能/功耗比。集成电路制造商在不断降低器件静态电流和供电电源的同时，一直在努力改进这些外设器件的动态性能。而MCU制造商则通过为MCU增加诸如空闲和睡眠等模式来降低长时间工作时的平均功耗。将低功耗外设与MCU的各种降耗模式结合在一起，将为低功耗的电池供电设备提供更多的选择。

作者：Bonnie C. Baker

Microchip Technology Inc.