如何正确选择低功耗MCU

嵌入式微控制器 (MCU)的功耗在当今电池供电应用中正变得越来越举足轻重。大多 MCU 芯片厂商都提供低功耗产品，但是选择一款最适合您自己应用的产品并非易事，并不像对比数据表前面的数据那么简单。我们必须详细对比 MCU 功能，以便找到功耗最低的产品，这些功能包括：
  　　断电模式
  　　定时系统
  　　事件驱动功能
  　　片上外设
  　　掉电检测与保护
  　　漏电流
  　　处理效率
  　　在低功耗设计中，平均电流消耗往往决定电池寿命。例如，如果某个应用采用额定电流为 400mAh 的 Eveready 高电量 9V 1222 型电池的话，要提供一年的电池寿命其平均电流消耗必须低于 400mAh/8760h，即45.7uA。图 1 说明：应用消耗的电流越大，所提供的寿命越短，同时仍然保持较低的平均电流消耗。
  

  图 1
  　　在使 MCU 能够达到电流预算的所有功能中，断电模式最重要。低功耗 MCU 具有可提供不同级别功能的断电模式。例如，TI 超低功耗 MCU MSP430 系列产品可以提供 5 种断电模式。低功耗模式 0 (LPM0) 会关闭 CPU，但是保持其他功能正常运转。LPM1 与 LPM2 模式在禁用功能列表中增加了各种时钟功能。LPM3 是最常用的低功耗模式，只保持低频率时钟振荡器以及采用该时钟的外设运行。LPM3 通常称为实时时钟模式，因为它允许定时器采用低功耗 32768Hz 时钟源运行，电流消耗低于 1uA，同时还可定期激活系统。最后，LPM4 完全关闭器件上的包括 RAM 存储在内的所有功能，电流消耗仅 100 毫微安。
  　　时钟系统是MCU功耗的关键。应用可以每秒多次或几百次进入与退出各种低功耗模式。进入或退出低功耗模式以及快速处理数据的功能极为重要，因为 CPU会在等待时钟稳定下来期间浪费电流。大多低功耗 MCU 都具有"即时启动"时钟，其可以在不到 10～20us 时间内为 CPU 准备就绪。但是，重要的是要明白哪些时钟是即时启动、哪些非即时启动的。某些 MCU 具有双级时钟激活功能，该功能在高频时钟稳定化过程中提供一个低频时钟（通常为32768Hz），其可以达到 1 毫秒。CPU 在大约 15us 时间内正常运行，但是运行频率较低，效率也较低。如果 CPU 只需要执行数量较少的指令的话，如：25 条，其需要 763us。CPU 低频比高频时消耗更少的电流，但是并不足于弥补处理时间的差异。相比而言，某些 MCU 在 6 微秒时间内就可以为 CPU 提供高速时钟，处理相同的 25 条指令仅需要大约 9us（6us 激活＋25 条指令′0.125us指令速率），而且可以实现即时启动的高速串行通信。图 2说明即时启动的 8Mhz时钟启动的例子，其达到完全稳定状态仅需要 292us。
  

  图 2
  　　另外，如果 MCU 时钟系统为外设提供多个时钟源的话，当 CPU 处于睡眠状态时外设仍然可以运行。例如，一次 A/D 转换可能需要一个高速时钟。如果 MCU 时钟系统提供独立于 CPU 的高速时钟，CPU 就可以在 A/D 转换器运行情况下进入睡眠状态，从而节省 CPU 耗流量。
  　　事件驱动功能与时钟系统的灵活性并存。中断会使 MCU 退出低功耗模式，因此，MCU 的中断越多，其防止浪费电流的 CPU 轮询与降低功耗的灵活性就越大。轮询意味着进行与不进行功耗预算之间存在差异，因为它在等待出现事件时会浪费CPU 带宽并需要额外电流。一个好的低功耗 MCU 应具有充分的中断功能，为其所有外设提供中断，同时为外部事件提供众多外部中断。
  　　按钮或键盘应用可以证明外部中断的优势。如果不具备中断功能，MCU 必须频繁轮询键盘或按钮，以确定其是否被按下。不仅轮询自身会消耗功率，而且控制轮询间隔也需要定时器，其会消耗附加电流。相比而言，在具备中断情况下，CPU 可以在整个过程中保持睡眠状态，只有按下按钮时才激活。
  　　在选择低功率 MCU 时，还需要考虑外设功耗与电源管理。某些低功率 MCU 仅仅是设计时不具备低利率功能的旧架构的改进版本。而有些 MCU 在设计时即具备低功耗特性，并在其外设中内置了低功耗功能。一种特性是在需要时单独启动或关闭外设的能力，换言之，更重要的是自动启动或关闭外设的能力。 A/D 转换器就是一个例子，其在完成一次转换后可以自动关闭。另外，某些 MCU 正在引入直接存储器存取功能，其可以在无需 CPU 干预情况下自动处理数据。
  　　大多 MCU 具有集成的掉电保护功能，当电源低于正常操作范围时其可以复位 MCU。通常会提供启动或关闭掉电保护以节省功耗的功能，但是必须在整个过程中都使掉电保护功能置于可用状态，因为掉电是不可预测的。某些 MCU 需要70uA 的电流来实现掉电保护。在只需要 45uA 平均电流的应用实例中很明显可以不考虑这些 MCU。
  　　在选择低功耗 MCU 期间有时会忽视漏电流，但是，在最苛刻的低功耗应用中则必须考虑到漏电流。大多改进后的低功耗 MCU 都具有 1uA 的限定输入漏电流。在 20 输入器件中，它可能会消耗 20uA！针对低功耗设计的最新 MCU 具有最高50nA 的漏电流。
  　　最后，我们常常会误解 MCU 处理效率。大家通常会认为 16 位 MCU 需要两倍于 8 位 MCU 的内存，但是一个 16 位架构实际上需要比 8 位架构要少一些的代码，而 16 位 MCU 一般会更快速地执行任务。例如，8 位 MCU 需要 CPU 开销来管理具有 10 位 A/D 转换数据或需要 16 位计算的应用中的数据。而且当今许多MCU 产品都具有单个工作文件或累加器，其数据必须进行传输，以便处理，因此，与基于寄存器的架构相比需要额外的 CPU 开销。表 1 说明在 16 位现代架构与8 位 8051 架构上传输 10 位 A/D 数据的指令。在采用 1Mhz 时钟情况下，16 位器件需要 6us 进行传输，而 8 位器件则需要 24us。
  表 1：16 位与 8 位 MCU 代码要求
  

  　　选择低功率 MCU 是一项耗时、棘手的工作。如果花费一些时间来了解可用产品选项的架构特性，我们就能够开发出能满足最苛刻功率预算的设计。