低功耗微控制器是一種需求旺盛的產(chǎn)品，受雙重設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，需要：（1）節(jié)省能源以降低設(shè)備的運(yùn)營(yíng)成本；（2） 滿足手持式電池供電設(shè)備的嚴(yán)格能源預(yù)算。大多數(shù) MCU 芯片供應(yīng)商都提供低功耗產(chǎn)品，這些制造商總是吹噓他們的 MCU 如何具有最低功耗。雖然這些說(shuō)法可能有道理，但在使用嵌入式處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，您必須確保了解我的一位工程朋友所說(shuō)的“哦，順便說(shuō)一下”。

　　本文旨在幫助您查看詳細(xì)信息，而不僅僅是比較數(shù)據(jù)表第一頁(yè)上的要點(diǎn)。它將幫助您熟悉 MCU 選擇的架構(gòu)，并檢查為典型的低功耗 MCU 收集的規(guī)格，可從Microchip Technology、Renesas、Texas Instruments和Freescale都致力于幫助您為您的應(yīng)用選擇合適的嵌入式 MCU。

　　在此過(guò)程中，我們將指出以下因素：

• 　　掉電模式
• 　　時(shí)鐘系統(tǒng)
• 　　事件驅(qū)動(dòng)能力
• 　　片上外設(shè)
• 　　漏電流
• 　　很多電源管理選項(xiàng)

　　首先讓我們考慮一下 Microchip PIC24FJ128GA310（圖 1）。這款 16 位處理器是工程師的最愛(ài)，因?yàn)樗捎?Microchip 的納瓦 XLP 技術(shù)，具有 60 x 8 LCD 控制器，并采用 64/80/100 引腳封裝。該器件還具有五個(gè)外部中斷、一個(gè)六通道 DMA、一個(gè)可編程 32 位 CRC 發(fā)生器和七個(gè)比較/PWM 模塊。

　　圖 1：Microchip 的 PIC24FJ128GA310 系列 MCU 框圖。

　　該芯片的數(shù)據(jù)表宣傳了多種電源管理選項(xiàng)，用于“極端”降低功耗（因此有 XLP 標(biāo)簽）、過(guò)渡到備用電池的規(guī)定以及運(yùn)行 RT 日歷/時(shí)鐘 （RTCC） 時(shí)的低功耗。它具有允許幾乎完全斷電的深度睡眠模式，能夠通過(guò)外部觸發(fā)喚醒以及可以選擇性地關(guān)閉外圍設(shè)備和/或內(nèi)核的睡眠和空閑模式。

　　在深度睡眠中，主穩(wěn)壓器關(guān)閉，低功耗穩(wěn)壓器打開(kāi)，所有電源都從芯片內(nèi)核中移除。核心和外圍設(shè)備無(wú)法正常工作。只有 RTCC 和兩個(gè)寄存器可用。在這種模式下，該芯片僅從 2.0 V 電源或 40 nA 的 3.3 V 電源中消耗 10 nA - 如果您打開(kāi) RTCC，則為 400 nA。您也可以留在 WDT，這通常需要 270 nA。

　　現(xiàn)在，再深入一點(diǎn)，在 85°C 時(shí)，深度睡眠數(shù)顯著上升至 2.0 V 時(shí)的 1.1 μA 和 3.3 V 時(shí)的 1.4 μA，并且 RTCC 再次增加了 400 nA——這是在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持不變的。喚醒時(shí)間僅為 200 μs。

　　PIC24 還具有 LV 睡眠模式，其中主穩(wěn)壓器關(guān)閉，而特殊的低功耗穩(wěn)壓器打開(kāi)。整個(gè)芯片已通電，但 LCD、RTCC 和定時(shí)器等外圍設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，如果啟用，將增加功率。在 2 V 時(shí)，規(guī)定為 330 nA，但要小心，因?yàn)樵?85°C 時(shí)，該值高達(dá) 7.7 μA。還應(yīng)注意，這些都是典型值，而不是最大值。從該模式喚醒僅需 90 μs。

　　該芯片以 32 MHz 運(yùn)行，產(chǎn)生高達(dá) 16 MIPS，在 2 V 時(shí)通常需要 4.8 mA。電流隨 VDD 或溫度變化非常小，因?yàn)?IC 有一個(gè)穩(wěn)壓器為內(nèi)核供電。此測(cè)量的設(shè)置是從閃存執(zhí)行的代碼，沒(méi)有啟用外設(shè)，也沒(méi)有 I/O 驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘來(lái)自外部源。運(yùn)行 A/D 在 25°C 時(shí)增加 750 μA，RT 時(shí)鐘在所有溫度下增加 400 nA。

　　許多安全功能

　　16 位瑞薩電子 RL78/G14 （ R5F1006EASP） MCU（圖 2）在 32 MHz 時(shí)提供高達(dá) 44 DMIPS 的性能，其 85% 的指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。該控制器具有 64 KB 的閃存（高達(dá) 500 K 可用），并具有精度高達(dá) 64 MHz 的 16 位電機(jī)定時(shí)器和包括六通道互補(bǔ) PWM 在內(nèi)的五種操作模式。它具有許多安全功能，包括 CRC、非法內(nèi)存訪問(wèn)檢測(cè)和 IEC/UL 60730 支持。它的工作電壓為 1.6 至 5 V，具有 10 通道 10 位 A/D。

　　在停止模式下，RL78/G13 在 32 MHz 至 5.5 V 時(shí)需要 0.54 mA。這僅適用于 RTC 降至 0.46 μA。在停止模式下，該數(shù)字降至僅 0.23 μA（全部停止，RAM 保留），僅欠壓檢測(cè)僅 0.08 μA。

　　停止模式電流只是泄漏（沒(méi)有時(shí)鐘開(kāi)啟）并且在更高的溫度下會(huì)顯著上升。MCU 中所有部件（門、寄存器、RAM）的泄漏通常為 0.9 μA，但在 85°C 時(shí)指定為最大值 3.3 μA。

　　有功電流在 32 MHz 時(shí)為 66 μA/MHz，據(jù)說(shuō)是當(dāng)今市場(chǎng)上最低的。但是，這僅用于運(yùn)行 NOP，因此在 32 MHz 時(shí)需要 2.1 mA。但是，根據(jù)指令組合，電流可以高達(dá) 144 μA/MHz，同樣適用于 64 KB 閃存版本的器件。MCU 工作電流額定為 -40° 至 85°C，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有相同的典型和最大有功電流。當(dāng)使用高速外部或片上振蕩器時(shí)鐘時(shí)，從停止到激活的轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)為 32 μs?？焖?/p>

　　喚醒

　　MSP430F5510TI 的 MSP430 版本（圖 3）具有 32 KB 閃存和 6 KB RAM 以及 10 位或 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。該 MCU 包括全速 USB、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、DMA、乘法器和比較器以及嵌入式仿真模塊。

　　圖 3：德州儀器 MSP430F5xx 系列的框圖。

　　對(duì)于該器件，在使用 3 V 電源從閃存運(yùn)行的主動(dòng)模式下，電流消耗在 1 MHz 時(shí)僅為 250 μA，在 8 MHz 時(shí)為 1.55 mA （193.75 μA/MHz）。

　　在待機(jī)狀態(tài)下，啟用自喚醒和欠壓復(fù)位、完全 RAM 保持、看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)控器運(yùn)行以及 USB 禁用，它需要 –40°C 時(shí) 1.1 μA、25°C 時(shí) 1.3 μA 和 2.7 μA μA 在 85°C。那里沒(méi)有很大的變化，但仍然很重要。如果打開(kāi) RT 時(shí)鐘，電流在 25°C 時(shí)為 2.1 μA，在 85°C 時(shí)為 3.6 μA。使用 3V 電源運(yùn)行 A/D 會(huì)增加 75μA。從待機(jī)到激活的快速喚醒時(shí)間不到 5 μs。

　　十種電源模式

　　接下來(lái)讓我們看看飛思卡爾的 32 位 Kinetis K20 系列器件（圖 4）。MK20DX256ZV具有 10-MHz Cortex M4 內(nèi)核、256 KB 閃存和 25 通道 16 位 A/D 。該器件還具有 CRC、內(nèi)存保護(hù)單元、電容式觸摸單元、WM 和 64 KB SRAM。電源電壓范圍為 1.71 至 3.6 V，可管理 1.25 Dhrystone MIPS/MHz。

　　圖 4：飛思卡爾 MK20DX256ZV MCU 的特性。

　　以 12.5 MHz 運(yùn)行，外設(shè)關(guān)閉電源電流約為 5.5 mA，在 85°C 時(shí)電流大致相同。該芯片有 10 種電源模式。在 CPU 靜止的停止模式下，所有寄存器都保持不變且 A/D 處于活動(dòng)狀態(tài)，來(lái)自 2.0 v 電源的電流約為 310 μA。在 85°C 時(shí)，在相同模式下，電流為 380 μA。從停止模式喚醒的時(shí)間為 4.5 μs。在 K20 的最低功耗模式下，僅保留 32 字節(jié)寄存器，電流僅為 220 nA（電源 = 3.0 V），但在 85°C 時(shí)上升至 5.50 μA。從該模式到完全運(yùn)行需要 130 μs。

　　概括

　　對(duì)于所有 MCU，檢查您使用的確切版本的電源非常重要。如果您決定使用更多閃存的芯片，您的泄漏電流將成比例增加，這在高溫下尤其重要。對(duì)于此處包含的一些數(shù)據(jù)，典型規(guī)格很容易獲得，但應(yīng)該注意的是，最大規(guī)格實(shí)際上是唯一重要的，因此您可能需要更深入地挖掘?？傮w而言，選擇低功耗 MCU 可能是一項(xiàng)耗時(shí)且艱巨的任務(wù)，但對(duì)于那些花時(shí)間學(xué)習(xí)架構(gòu)特性和可能選擇的更廣泛操作參數(shù)的人來(lái)說(shuō)，回報(bào)將是能夠更好地滿足苛刻的功率預(yù)算的設(shè)計(jì)。