微控制器以更低的功耗運(yùn)行，以開啟智能照明和無線計(jì)量等新應(yīng)用。新設(shè)備正在降低功耗，并為工程師提供更多設(shè)計(jì)選擇，從高級(jí)語言開發(fā)工具到各種外設(shè)。

智能電源的驅(qū)動(dòng)力來自多個(gè)方向。能夠監(jiān)控和控制接近負(fù)載點(diǎn)的功率消耗允許功率更均勻地分布在電網(wǎng)上并減少操作員的浪費(fèi)功率。對于用戶而言，它可以提供更靈活的資費(fèi)，更低的電力成本，并有助于降低總體電力使用，進(jìn)一步降低成本。但是，設(shè)備必須具有成本效益，既包括資本成本，也包括維護(hù)成本。在數(shù)百萬智能電表中更換電池是電網(wǎng)運(yùn)營商的主要運(yùn)營成本，也是實(shí)施的潛在缺點(diǎn)。降低智能設(shè)備的功耗不僅可以降低功耗，還可以使電池運(yùn)行多年。

通過有效的器件管理，新的低功耗設(shè)計(jì)架構(gòu)和功耗敏感的制造工藝進(jìn)一步降低功耗還可以將總功耗預(yù)算降低到不需要電池的程度。此時(shí)，能量可以從環(huán)境中獲取 - 通常來自工業(yè)環(huán)境中的振動(dòng)或熱能 - 并存儲(chǔ)在本地電池中。這為微控制器提供電源，通常還有傳感器和網(wǎng)絡(luò)鏈路用于監(jiān)控。節(jié)點(diǎn)和微控制器的架構(gòu)選擇對于性能和電池壽命至關(guān)重要，并且有幾種不同的選擇。

設(shè)計(jì)權(quán)衡

集成和性能都與智能電源應(yīng)用中使用的微控制器的功耗因素密切相關(guān)?？商峁┒喾N外設(shè)，可添加到控制器內(nèi)核，以減少片外需求，從而降低功耗。然而，有時(shí)候，與無線鏈路一起使用小型8位控制器比嘗試將應(yīng)用處理器與RF結(jié)合的完全集成系統(tǒng)更有效。雖然某些控制器，例如Energy Micro開發(fā)的EFM32（下圖），具有復(fù)雜的電源管理功能，可以關(guān)閉各個(gè)外圍模塊以將功耗降至最低，但是使用單獨(dú)的控制器可以提供隔離節(jié)點(diǎn)不同部分的方法因此只有在絕對必要時(shí)才使用電源。

圖1：Energy Micro的EFM32‘Gecko’低功耗內(nèi)核。

在性能和功耗之間還有另一種權(quán)衡。能夠快速使用節(jié)能架構(gòu)然后關(guān)閉設(shè)備可以比使用更慢，標(biāo)稱更低功率的設(shè)備使用更少的能量更長的時(shí)間。但是，這取決于啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間，但更多設(shè)備包括這種快速響應(yīng)以降低功耗。但有時(shí)候，電源管理的復(fù)雜性幾乎沒有影響，代碼大小也會(huì)產(chǎn)生更大的影響。存儲(chǔ)16位甚至8位代碼可以降低存儲(chǔ)器需求并提供更快的訪問速度，降低成本和功耗。但是，32位系統(tǒng)也能夠利用較小的字長和減少的指令集，例如ARM的16位Thumb 2.

在智能電源中，軟件并不是特別復(fù)雜，但它必須非常復(fù)雜可靠 - 必須更換或更新有問題的節(jié)點(diǎn)可能非常昂貴。這意味著現(xiàn)有的遺留代碼是寶貴的資源，代碼重用是設(shè)計(jì)需求的重要組成部分。同時(shí)，用于ARM MIPS和其他32位架構(gòu)的新一代設(shè)計(jì)工具和集成開發(fā)環(huán)境（IDE）可實(shí)現(xiàn)更快的開發(fā)，更高質(zhì)量的代碼和更高效的調(diào)試，從而更快，更可靠地將項(xiàng)目推向市場。這可能會(huì)影響微控制器架構(gòu)的選擇。

所有這些都是設(shè)計(jì)人員在開發(fā)智能電源系統(tǒng)時(shí)所面臨的平衡，有多種方法可以實(shí)現(xiàn)智能電源，反映出功率和成本的嚴(yán)格設(shè)計(jì)限制。使用32位控制器的系統(tǒng)（通常圍繞ARM的功耗優(yōu)化的Cortex-M3內(nèi)核）越來越普遍。

挪威初創(chuàng)公司Energy Micro使用ARM Cortex M3內(nèi)核開發(fā)市場上能耗最低的微控制器，可以長期使用電池，甚至可以通過能量收集獲得電力。

EFM32G210F128‘Gecko’采用低能耗設(shè)計(jì)，節(jié)能模式喚醒時(shí)間短，可選擇多種外設(shè)來控制智能功率器件。該系列控制器針對電池供電的應(yīng)用，用于管理智能電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)。

芯片的核心是能量管理單元（EMU），它處理所有低能耗模式，打開和關(guān)閉外圍設(shè)備，以及關(guān)閉未使用的SRAM模塊的電源以將功率降低到正常水平3 V關(guān)斷模式下為20 nA。有一個(gè)0.9μA深度休眠模式，支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘，32.768 kHz振蕩器，上電復(fù)位，欠壓檢測器，RAM和CPU保持在3 V運(yùn)行模式下上升至180μA/MHz，代碼由Flash執(zhí)行。

EMU利用專門開發(fā)的時(shí)鐘管理單元（CMU），允許軟件管理外圍模塊上的各個(gè)時(shí)鐘，這些時(shí)鐘即使在不使用時(shí)也會(huì)消耗大量功率。

Energy Micro還開發(fā)了一種外圍反射系統(tǒng)（PRS），可以讓不同的外圍模塊直接通信，而不需要CPU。發(fā)送Reflex信號(hào)的外圍模塊稱為生產(chǎn)者，PRS將這些反射信號(hào)路由到消費(fèi)者外圍設(shè)備，這些外圍設(shè)備根據(jù)收到的數(shù)據(jù)應(yīng)用操作。它還將其Gecko微控制器與低能耗UART區(qū)分開來，該低能耗UART允許在嚴(yán)格的功率預(yù)算下從單個(gè)32.768 kHz時(shí)鐘以9600 bit/s的速度進(jìn)行雙向UART通信。類似地，當(dāng)大部分器件斷電時(shí)，可以使用低能量16位定時(shí)器（LETIMER），允許執(zhí)行簡單的任務(wù)，同時(shí)將系統(tǒng)的功耗保持在絕對最小值。 LETIMER可用于輸出各種波形，只需最少的軟件干預(yù)。它還連接到實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器（RTC），并且可以配置為從RTC的比較匹配開始計(jì)數(shù)。

德州儀器（TI）還為其Stellaris 1000系列微控制器使用ARM Cortex M3內(nèi)核，針對相同的電池供電，注重成本的嵌入式智能電源應(yīng)用。 LM3S1000系列擴(kuò)展了該系列，具有更大的片上存儲(chǔ)器，更好的電源管理以及更多的I/O和控制功能。

圖2：TI的智能電源實(shí)現(xiàn)。

LM3S1911微控制器面向工業(yè)應(yīng)用，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控，電子銷售點(diǎn)機(jī)器，測試和測量設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機(jī)，工廠自動(dòng)化，HVAC和樓宇控制，游戲設(shè)備，運(yùn)動(dòng)控制，醫(yī)療儀器，以及火災(zāi)和安全。

它具有電池供電的休眠模塊，可在長時(shí)間不活動(dòng)期間有效地將設(shè)備斷電至低功耗狀態(tài)。功能還包括上電/斷電序列器，連續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器（RTC），一對匹配寄存器，系統(tǒng)總線的APB接口和專用非易失性存儲(chǔ)器。

圖3：TI的Stellaris 1000框圖。它使用ARM 16位Thumb-2指令集將內(nèi)存需求降低到幾千字節(jié)，以及50 MHz內(nèi)核和集成嵌套向量中斷控制器（NVIC），以提供確定性的中斷處理。除了具有8個(gè)優(yōu)先級(jí)的29個(gè)中斷外，它還支持監(jiān)控應(yīng)用程序，而內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）為受保護(hù)的操作系統(tǒng)功能和原子位操作或位帶提供特權(quán)模式，提供最大的內(nèi)存利用率和簡化的外圍設(shè)備控制，再次降低功率和成本。

為了連接到系統(tǒng)的其他部分，LM3S100提供三個(gè)完全可編程的16C550型UART，支持IrDA。它們具有獨(dú)立的16 x 8發(fā)送（TX）和接收（RX）FIFO，以減少CPU中斷服務(wù)負(fù)載和可編程波特率發(fā)生器，速度高達(dá)3.125 Mbit/s?？删幊蘁IFO包括1字節(jié)深度操作，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的雙緩沖接口。

16位尚未消失

如ARM的Thumb-2 16位指令集所示，緊湊型代碼具有優(yōu)勢，一些不同的架構(gòu)方法可為智能電源設(shè)計(jì)帶來好處。 Microchip的16位DSPIC33EP256MU80微控制器為16位內(nèi)核增加了一個(gè)專用DSP模塊，以達(dá)到60 MIPS性能的類似效果。

圖4： Microchip的16位內(nèi)核帶有DSP加速器。

它具有經(jīng)過修改的哈佛架構(gòu)，與32位和Thumb-2代碼一樣，在其16位寬的數(shù)據(jù)路徑和24位寬的執(zhí)行流水線上使用帶有優(yōu)化指令集的C編譯器。有73個(gè)基本指令，大多數(shù)每個(gè)周期有一個(gè)指令的有效指令執(zhí)行吞吐量，以提供額外的性能。單周期DSP MAC模塊支持11個(gè)附加指令，帶有兩個(gè)40位累加器，具有舍入和飽和選項(xiàng)以及附加模塊和位反轉(zhuǎn)尋址模式。

15通道直接內(nèi)存訪問（DMA）引擎提供與任何數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸，雙端口DMA緩沖區(qū)最大為4 KB，用于存儲(chǔ)通過DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這提供了RAM和外設(shè)之間的快速數(shù)據(jù)傳輸，而CPU在執(zhí)行代碼時(shí)無需使用來自執(zhí)行內(nèi)核的周期，從而提高了性能并降低了功耗。

通信模塊包括雙重角色USB v2.0 On-The-Go（OTG）模塊，可以是低速（1.5 Mbps）和全速（12 Mbps）模式下的主機(jī)或外設(shè)。用于USB的高精度PLL支持多達(dá)32個(gè)端點(diǎn)（16個(gè)雙向），USB模塊可以使用器件上的任何RAM位置作為片上USB收發(fā)器的USB端點(diǎn)緩沖器或作為片外接口收發(fā)器。

8位生命也是如此：即使8位內(nèi)核仍在有效使用。 Silicon Labs的C8051F981-GM是一款8位流水線8051內(nèi)核，針對極低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，具有150μA/MHz有源電流，頻率范圍為1.8-3.6 V，25 MHz和25 MIPS。通過睡眠喚醒2μs和1.5μs模擬建立時(shí)間，器件可以快速準(zhǔn)備好進(jìn)行測量或鏈接到無線網(wǎng)絡(luò)。

圖5 ：Silicon Labs的C8051 8位流水線核心。

ADC提供75 Ksamples/s，12位分辨率或330 Ksamples/s，10個(gè)通道的8位分辨率。該設(shè)備還包括一個(gè)內(nèi)置溫度傳感器。

縮小差距

飛思卡爾正在尋求通過一系列Flexis設(shè)備彌補(bǔ)8位和32位功能之間的差距，這些設(shè)備具有一組通用的外設(shè)和開發(fā)工具，可提供移植靈活性。 QE系列由引腳兼容的8位SO8和32位ColdFire V1器件組成，是Flexis系列中的第一個(gè)系列，包括功耗最低的MCU。這也是其他衍生低壓，低功耗（LVLP）器件的基礎(chǔ)。該系列產(chǎn)品特別針對需要較長電池壽命的消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用。

MCF51QE128LH是一款基于V1 ColdFire指令集的32位控制器，可擴(kuò)展ColdFire嵌入式控制器系列的低端，具有高達(dá)128 KB的閃存和12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。到二十四個(gè)頻道。 MCF51QE128包括高達(dá)3.6 V的電源電壓，50 MHz CPU內(nèi)核和三個(gè)定時(shí)器，用于改進(jìn)工業(yè)設(shè)備的電機(jī)控制，包括智能電源，網(wǎng)絡(luò)煙霧探測器和安全攝像頭。

32位MCF51QE128與8位S08QE128器件具有引腳，外設(shè)和工具兼容性，可在整個(gè)性能范圍內(nèi)提供設(shè)計(jì)自由度。 ColdFire指令集修訂版C（ISA_C）提供了額外的指令，可以輕松處理8位和16位數(shù)據(jù)，并支持多達(dá)256個(gè)中斷/復(fù)位源，以實(shí)現(xiàn)軟件靈活性和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的優(yōu)化。

《 p》

圖6：飛思卡爾半導(dǎo)體的MC51QE128 32位控制器與8位版本兼容。

有兩種超低功耗（ULP）停止模式，一種允許有限使用外設(shè)，同時(shí)仍然以降低功耗狀態(tài)對應(yīng)用進(jìn)行采樣，從而延長電池壽命。還有一種新的ULP功率等待模式，典型喚醒時(shí)間為6μs，超低功耗OSC可在低功耗模式下實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)基。

有兩個(gè)模擬比較器可以選擇與內(nèi)部參考進(jìn)行比較。這意味著輸出可以作為輸入捕捉觸發(fā)器路由到定時(shí)器/脈沖寬度調(diào)制器（PWM）模塊，只需要一個(gè)引腳用于輸入信號(hào)，并釋放額外的引腳用于其他用途。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）提供多達(dá)24通道，12位分辨率和2.5μs轉(zhuǎn)換時(shí)間，以及1.7 mV/°C的靈敏溫度傳感器。

這些功能來自低功耗工藝，利用晶體管增加溝道長度，減少漏電流，從而降低靜態(tài)功耗。用于構(gòu)建控制器的標(biāo)準(zhǔn)單元庫包括一個(gè)功耗僅為500 nA的超低功耗（VLP）振蕩器，一個(gè)支持低功耗運(yùn)行的低壓差待機(jī)穩(wěn)壓器，以及僅需6μs的喚醒模式，從之前的110μs下降。這意味著應(yīng)用程序可以喚醒，執(zhí)行任務(wù)，并快速返回睡眠以節(jié)省額外的電量。

用戶可選的外設(shè)時(shí)鐘門控實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘樹的節(jié)能優(yōu)化，可以消耗高達(dá)不同模塊使用功率的40％，而自超時(shí)塊（SATO）允許閃存通電時(shí)間足以執(zhí)行讀取，結(jié)果鎖存，然后自動(dòng)關(guān)閉。此過程自動(dòng)以非常低的CPU速率啟動(dòng)，并在低頻率下為閃存操作提供更好的電流。

結(jié)論

可用于智能電源等應(yīng)用的各種微控制器看起來令人眼花繚亂。但是，通過在功率預(yù)算內(nèi)選擇正確的外設(shè)和功能組合，可以為優(yōu)化低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供廣泛的機(jī)會(huì)。工藝技術(shù)和超低功耗電路設(shè)計(jì)的發(fā)展意味著現(xiàn)在許多設(shè)備可用于旨在實(shí)現(xiàn)10年電池壽命甚至使用能量收集以消除維護(hù)成本的設(shè)計(jì)。通過增加集成度來降低物料清單的總體成本，智能電源系統(tǒng)的實(shí)施變得可行，有助于從工廠到企業(yè)一直降低功耗。