嵌入式系统最低功耗微控制器选择技巧

电路设计低功耗MCU并不容易，也没有为您的特定嵌入式设计选择合适的MCU。许多特定于应用的注意事项都会起到作用，这使得比较MCU规格表具有挑战性。本文分析了在分析竞争性MCU替代品的电源效率时应考虑的关键因素。节约能源有利于环境，更容易在钱包上使用。提高能效的无数好处已被充分证明：降低消费者的电费，降低公用事业的负担，降低电子产品的拥有成本，减少垃圾填埋场丢弃的废旧电池。

随着电子设备的使用渗透几乎我们生活的每个方面，降低功耗必须从半导体层面开始。在芯片级设计的节能技术具有深远的影响。对于作为当今大多数电子设备背后的智能引擎的微控制器（MCU）而言尤其如此。从系统架构的角度来看，确定哪些MCU真正“低功耗”的挑战需要设计人员浏览各种半导体供应商提出的无数要求。由于供应商使用的指标不同（通常是令人困惑的），这不是一项简单的任务。

让我们仔细研究在分析竞争性MCU备选方案的功效时应考虑的关键因素。

在基本级别，MCU功耗可以定义为以下总和：

总功耗=活动模式功率+待机（休眠）模式功率

但是，要记住的另一个重要指标是MCU从待机状态转换到活动状态所需的时间。由于MCU在所有数字和模拟组件完全稳定且可操作之前无法进行任何有用的处理，因此在计算总功耗时添加此（浪费）功率非常重要：

总功耗=活动模式功率+待机（睡眠）模式电源+唤醒功率

图1.

由于每个应用程序都不同，系统电路设计人员倾向于比其他应用程序更重视这些元素。例如，某些应用，例如水表，大部分时间都处于待机状态，因此很明显，它们的长占空比需要非常低的待机功耗。其他应用程序（如数据记录器）经常进入和退出活动状态，因此限制唤醒转换模式所花费的时间至关重要。然而，开发引人注目的MCU解决方案的供应商不会试图猜测这些指标中哪一个是最重要的，而是将从头开始设计一个解决方案，专注于最小化该等式的每个部分。要实现这一目标，需要强大的混合信号专业知识，以解决在模拟和数字域中最小化功耗所必需的架构级和电路级挑战。对这些变量进行简短讨论将有助于突出系统设计人员在尝试为其应用选择最佳MCU解决方案时需要注意的问题类型。

Active Mode Current

对于CMOS逻辑门，动态功耗可以使用以下众所周知的公式重写：

有源模式功率= C x V2 xf

其中C是负载电容，V是电源电压，f是开关频率。 BR》电容项是所用设计和处理技术的函数，频率项是应用程序处理要求的函数。但是，如前面的等式所示，电源电压对MCU消耗的总功率有不成比例的影响。因此，通过向MCU电路提供低得多的稳定电源电压，为MCU设计增加电压调节可以显着节省功耗模式。开关型转换器可能是一种可能的解决方案，但它们最适合需要大电压转换比的稳压器环境。但是，对于平均电压转换率较小（电池寿命结束时接近1：1）的电池类应用，更好的解决方案是添加片上低压差（LDO）线性稳压器因为它可以提供可接受的效率，而且复杂性和成本低于开关解决方案。为了说明使用LDO稳压器的好处，重新阐述CMOS动态功率公式是有帮助的：

有源模式功率= C x V2 xf

= V x（C x V xf）

= V x I，其中动态电流I = C x V xf

通常将动态电流归一化为1MHz的频率和特定的电源电压。例如，最近推出的一款超低功耗MCU在1.8 V时的动态电流消耗为每MHz160μA。如果没有电源调节，该指标将增加到（160）x（3.2/1.8）=284μA/MHz时电源电压为3.2 V.使用LDO时，电池电流将在整个电源范围内保持固定为每MHz160μA。

可以看出，这种先进的电源架构可用于维持恒定的有功电流完整的工作电压范围，可以帮助系统设计人员大幅节省功耗。因此，从系统设计人员的角度来看，确定在整个工作电压范围内工作时的MCU电流消耗非常重要 - 而不仅仅是MCU供应商通常引用的1.8 V最低工作条件。引用一个过于乐观的电流数字，假设任何低于典型的电压供应，并不能准确反映应用在现实世界中的使用方式。例如，在2 x AA/AAA和纽扣电池应用中，电池最常接近3 V初始电压工作，因此引用的1.8 V规格可能是欺骗性的，因为从这个角度来看，大多数MCU都会消耗掉功耗比通常引用的功率多50％。

图2.

此外，由于功耗与开关频率成正比，因此系统设计人员必须将引用的电流数归一化到电流/MHz。通过结合这两个因素，可以根据以下指标对MCU进行并排比较：

电流消耗/MHz @ 3 V

当真正有意义的值是指令时钟速度时，一些供应商会试图通过将“MHz”等同于系统时钟速度来混淆问题。这是欺骗性的，因为系统时钟速度可以以其实际指令速度的两倍（或更多）运行，从而使其有效功耗加倍（或更多）。因此，确保所有内容都符合指令时钟速度是很重要的。通过这样做，并通过使用典型的电源电压，可以正确地推导出实际的有源模式电流消耗预算。