通用微控制器中的休眠模式和空閑模式使嵌入式處理器能夠降低實(shí)時(shí)能耗，并解決許多電池和低功耗設(shè)計(jì)問題。然而，隨著嵌入式系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)更密集，更復(fù)雜的微核以及我們期望在今天看到的更高端外設(shè)需要額外的邏輯。因此，即使在待機(jī)模式下，在嘗試降低能量時(shí)靜態(tài)功耗也是一個(gè)問題，尤其是在需要長時(shí)間睡眠時(shí)。

降低能量和延長運(yùn)行時(shí)間的一個(gè)因素是工作電壓。雖然許多5 V系統(tǒng)仍在使用和支持，但目前大多數(shù)設(shè)計(jì)已遷移到3.3，2.5和1.8 V競技場。由于電壓與功耗成正比，您可以看到靜態(tài)5 V系統(tǒng)的功率幾乎是1.8 V系統(tǒng)的三倍。開關(guān)電路的情況更是如此，因?yàn)楣β氏囊才c開關(guān)頻率成比例。

本文探討了8位微控制器，它具有更簡單的架構(gòu)和低于平均值的電壓核心，可以在1.8 V以下工作。雖然這些電平可能無法與大多數(shù)外部設(shè)備配合使用，但它確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)更低功耗，長期睡眠/休眠模式可以將電池壽命延長到極限。當(dāng)電池接近完全放電狀態(tài)時(shí)，它還允許微型電池保持更長時(shí)間。

架構(gòu)辯論

精心設(shè)計(jì)的核心與外圍設(shè)備專門用于減少能源使用可以對您的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。您使用的是通用微型機(jī)還是選擇了其中一種低功耗架構(gòu)設(shè)備？有一些巧妙設(shè)計(jì)的8至32位微處理器，具有令人印象深刻的低能耗模式。

對于總線寬度參數(shù)的雙方都可以進(jìn)行很好的辯論。一方面，您可以說更大的32位架構(gòu)可以更快地處理。正因?yàn)槿绱?，更廣泛的架構(gòu)不需要保持清醒，并且最終可以節(jié)省電力（即使它保持更廣泛的架構(gòu)）。

另一方面，較窄的架構(gòu)，如8位機(jī)器，可以完成所需的所有處理，雖然需要更長時(shí)間，但在靜態(tài)狀態(tài)下將以更低的功耗睡眠。寄存器，存儲(chǔ)器，指針等等，總線寬度都較窄，這意味著靜態(tài)功耗較小。當(dāng)你看一些具有豐富外設(shè)和功能，混合信號功能和大量I/O的低壓8位器件時(shí)，這場辯論會(huì)變得很有趣。一個(gè)完美的例子來自ROHM及其Lapis系列ML610低功耗處理器。

雖然在某些方面相對較少，但這些具有低壓內(nèi)核的部件具有令人欽佩的外設(shè)和口味組合，包括一些典型配置，如120引腳TQFP ML610Q422P，32K閃存和2K RAM以及144-引腳LQFP ML610Q431具有64 K閃存和3K RAM。

ROHM系列由高性能CMOS 8位微控制器組成，內(nèi)置Lapis Semiconductor的原始RISC 8位CPU“U8核心”。 CPU內(nèi)核能夠通過每個(gè)周期時(shí)鐘操作一個(gè)指令執(zhí)行高效的指令。 “610”系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的電池驅(qū)動(dòng)，手持式應(yīng)用。

請注意，這些部件不能以高兆赫時(shí)鐘運(yùn)行。它們通過以低頻（通常為4 MHz）運(yùn)行處理器并使用RISC內(nèi)核執(zhí)行244μs的大多數(shù)指令來節(jié)省功耗。與其他低能耗處理器一樣，這些處理器也可以使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘的32.768 kHz進(jìn)行操作。雖然較慢（每個(gè)指令周期為30.5μs），但它們可以相應(yīng)地消耗更少的電流。

關(guān)鍵是這些內(nèi)核具有低至1.1 V的保證工作范圍。這允許一些巧妙的自適應(yīng)電源設(shè)計(jì)技術(shù)，特別是如果您的處理器將要關(guān)閉并長時(shí)間休眠。例如，當(dāng)通過串行端口或標(biāo)準(zhǔn)3.3 V外設(shè)與外部接口時(shí)，I/O線可以使用I/O驅(qū)動(dòng)晶體管或偏置D/A電平將VCC設(shè)置為3.3 V（圖1）。如果沒有低功耗模式，外圍芯片可以以相同的方式上電和下電。當(dāng)不需要外部活動(dòng)時(shí)，VCC可以設(shè)置為1.8甚至1.1 V.這種動(dòng)態(tài)電源電壓方法可以應(yīng)用于任何可以在1.8 V閾值以下可靠工作的內(nèi)核。

圖1：對于沒有單獨(dú)I/O VCC控制的處理器，處理器VCC線的動(dòng)態(tài)控制使其能夠與需要標(biāo)準(zhǔn)電壓的外部外設(shè)保持兼容，然后將自身置于低電壓模式，以便在長時(shí)間休眠期間節(jié)省功耗周期。實(shí)際電壓電平將根據(jù)所用晶體管的正向壓降或RDS（on）而變化。

除了基本的UART，I2C和SPI連接外，還提供各種高端選項(xiàng)，如LCD接口，與GPIO接口的外部總線以及其他不常用的外設(shè)，如旋律發(fā)生器。對于低功率分布式傳感器應(yīng)用特別感興趣的是這些部件包含兩個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換器和24位D/A轉(zhuǎn)換器。

ROHM ML610QX演示板使用插入式子板容納各個(gè)ML610系列成員（圖2）。主板包含一個(gè)LCD，串行端口，按鈕和一個(gè)發(fā)聲器，可幫助測試基本編碼和設(shè)計(jì)。 UEASE W/COMPILER也可用于編譯器和仿真器/調(diào)試支持。 Rohm還在Digi-Key網(wǎng)站上提供了有關(guān)其低功耗微型和A/D使用的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。

圖2：由于Lapis系列中有如此多的系列成員，開發(fā)系統(tǒng)使用子板來設(shè)計(jì)每個(gè)部件自身的外圍設(shè)備和功能組合。

另一個(gè)有趣的部分來自意法半導(dǎo)體;他們的STM8L101G2U6A工作電壓低至1.62 V.該器件是ST的EnergyLite系列之一，具有高達(dá)68個(gè)I/O和高達(dá)64 K的閃存和8K的RAM。 8位內(nèi)核基于CISC架構(gòu)，內(nèi)部采用16 MHz R/C振蕩器，在Halt模式下吸收300 nA，在Active-Halt模式下吸收800 nA（保留所有內(nèi)部構(gòu)件）。

這些不是超快速，超密集的部件，但它們并不打算打破任何速度記錄。支持的外設(shè)類似于針對低功耗設(shè)計(jì)的其他處理器，具有SPI，IIC和UART等基本功能。這些器件針對成本敏感的低功耗應(yīng)用，可以使用ST的STM8L15LPBOARD進(jìn)行應(yīng)用測試和開發(fā)，支持該公司的STM8L EnergyLite處理器（圖3）。開發(fā)板的原理圖1也可用，這些處理器由Segger Flasher系列生產(chǎn)工具提供支持。

圖3：支持ST的低壓內(nèi)核包括一個(gè)低功耗演示/開發(fā)板，具有基本的通用通信和外設(shè)以及所有模式下的電流消耗測量。

這里應(yīng)該注意的是，雖然功耗可以達(dá)到1.62 V與1.8 V沒有顯著差異，但它確實(shí)意味著處理器可以在電池或超級電容器放電時(shí)運(yùn)行更長時(shí)間，特別是在低頻運(yùn)行時(shí)。

低至0.5 V

眾多先進(jìn)的8051內(nèi)核中的一款產(chǎn)品來自賽普拉斯，其CY8C32xx系列可編程系統(tǒng)芯片3（PSoC3）。這是一系列系統(tǒng)級芯片，在單芯片上集成了模擬，數(shù)字，外設(shè)，存儲(chǔ)器和CPU。

與其他高度精煉的8051內(nèi)核一樣，PSoC3基于熟悉的架構(gòu)，具有現(xiàn)代單周期速度（本例中為50 MHz）和高端外設(shè)（如LCD，DMA，USB 2.0和Touch Sense），以及超越任何遺留部分。在這種情況下，一個(gè)特別突出。

雖然額定運(yùn)行的最低電壓為1.71 V，但這些器件實(shí)際上可以在低至0.5 V的電壓下運(yùn)行（是的，您可以正確讀取）。內(nèi)部高效升壓調(diào)節(jié)器將低輸入電壓（0.5至1.8 V）升壓至5 V，為片上系統(tǒng)及其外設(shè)供電（圖4）。

圖4：內(nèi)部升壓調(diào)節(jié)器在極低電壓下會(huì)失效，但會(huì)為PSoC的VCC提供低至0.5 V的輸入電壓。

還支持混合信號功能。這些器件有兩個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器。具有8位分辨率的D/A可能會(huì)受到限制，但有大量I/O（最多62個(gè)）和外圍總線（包括IIC，SPI，UART，LIN和USB） - 用于掛起外部D/A.另一個(gè)不錯(cuò)的功能是它的片上EEPROM（高達(dá)2K x 8），可以在軟件控制下寫入非易失性參數(shù)。

典型的中間示例是100引腳LQFP CY8C3245，具有32K閃存，1K RAM和1K EEPROM。該器件具有大量I/O（62），可以實(shí)現(xiàn)外部總線接口以擴(kuò)展存儲(chǔ)器范圍或添加并行外設(shè)。

總結(jié)

低功耗和能量敏感設(shè)計(jì)可以通過降低核心電壓來降低實(shí)時(shí)功耗。一些制造商意識到這一點(diǎn)并通過提供在其他人耗盡電池時(shí)仍能運(yùn)行的部件來滿足需求。雖然8位器件可以從這種方法中受益，但工程師們不應(yīng)忽視這樣一個(gè)事實(shí)，即16位和32位低壓內(nèi)核也提供自己的省電技術(shù)。因此，在為下一個(gè)項(xiàng)目選擇MCU時(shí)要保持開放的態(tài)度。