推進(jìn)權(quán)力的限度

小型化是推動(dòng)微控制器到更小的封裝，提高了性能。作為控制器核變小采用先進(jìn)的硅制造工藝，有更多的機(jī)會(huì)增加外圍設(shè)備和降低設(shè)備的尺寸。與此同時(shí)，從更高的性能，附加外圍設(shè)備和增加的漏電流功率消耗增加，帶動(dòng)熱要求。

所有這一切造成時(shí)鐘速度，電壓和包裝技術(shù)的一個(gè)很好的平衡以提供最佳的性能在小型化的系統(tǒng)的微控制器。管理在微控制器的功率是在維持溫度包絡(luò)線之內(nèi)的系統(tǒng)，而不必使用主動(dòng)冷卻，例如風(fēng)扇，以減少在嵌入式系統(tǒng)中的可靠性的一個(gè)關(guān)鍵因素。

而被動(dòng)冷卻如熱管可以用來(lái)輸送熱量從散熱片到冷卻散熱片，這增加了系統(tǒng)的尺寸和否定的處理的小型化。因此，在控制器的電力的管理和處理是在整個(gè)系統(tǒng)的小型化的一個(gè)關(guān)鍵因素。

控制器成為越小，越焦點(diǎn)是在包裝和系統(tǒng)的熱特性。移動(dòng)到一個(gè)芯片級(jí)封裝允許新的熱管理技術(shù)，可用于諸如熱涂料。這是由作為硅管芯往往做得更薄，以減少漏電流和電容更必要的，但此降低了熱貯存器可用的和可能使模具更容易與熱失衡開(kāi)裂。

在美國(guó)的ARPA研究機(jī)構(gòu)有一個(gè)熱管理技術(shù)（TMT）計(jì)劃，正在探索和優(yōu)化納米材料，使他們能夠在熱管理系統(tǒng)中使用。它正在熱接地平面（TGP）技術(shù)與使用熱管的兩相冷卻，以取代傳統(tǒng)系統(tǒng)中的銅合金吊架，以提高冷卻，而無(wú)需改變?cè)撓到y(tǒng)的設(shè)計(jì)的高性能散熱器。

該方案還期待通過(guò)減少通過(guò)散熱器到環(huán)境的熱阻，通過(guò)該系統(tǒng)增加對(duì)流，提高散熱翅片的熱導(dǎo)率，優(yōu)化和/或重新設(shè)計(jì)所述互補(bǔ)散熱器鼓風(fēng)機(jī)，和增加，以提高空氣冷卻熱交換器性能總體系統(tǒng)系數(shù)。

在同一時(shí)間，在nanothermal接口（NTI）項(xiàng)目正在尋找新的材料和結(jié)構(gòu)，可以在電子設(shè)備的背面與封裝的下一層之間的熱界面層的熱電阻提供顯著減少，這可能是一個(gè)吊具或散熱器。

這是為了避免需要用于熱基材如陶瓷材料，其可以是昂貴的。

有跡象表明，可以在微控制器中實(shí)現(xiàn)，以保持電力系統(tǒng)的溫度包絡(luò)線之內(nèi)的各種技術(shù)。降低了系統(tǒng)的電壓降低了功率，而當(dāng)他們?cè)诓皇褂藐P(guān)掉各個(gè)塊中的器件的能力有利于減少熱活性。類似地降低時(shí)鐘頻率以匹配處理要求和加入時(shí)鐘選通關(guān)掉周邊塊還有助于管理電源。

這顯示在恩智浦最新的微控制器，該LCP54102，它與處理器的組合解決電源問(wèn)題。超低功耗32位ARM 100 MHz的的Cortex-M0 +內(nèi)核工作在55μW/ MHz的功耗管理外圍設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)，具有較大的100 MHz的ARM Cortex-M4處理器的復(fù)雜的算法處理。在3.3×3.3毫米芯片采用了90納米制程與256 KB閃存和104 KB SRAM，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，計(jì)時(shí)器和數(shù)字接口。

恩智浦的咖啡發(fā)展局的圖像

圖1：恩智浦的咖啡發(fā)展局與LCP54102微控制器。

所有這一切都旨在減少電池供電的傳感器融合的應(yīng)用程序的總體功耗，因?yàn)殡妷菏?.85V，和1.35 V的自動(dòng)調(diào)整，以匹配不同頻率的每個(gè)取決于功率輪廓的處理器核心設(shè)置。這些功率分布是在與一個(gè)API來(lái)容易地管理芯片和芯的頻率和睡眠模式的所有外圍設(shè)備的ROM中，但這些也可以直接調(diào)節(jié)。無(wú)論是設(shè)置和API是通過(guò)咖啡發(fā)展局訪問(wèn)。然而，包裝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮到該裝置的最大功耗。而平均功率可能會(huì)降低，并且在空閑模式中使用的功率也低，峰值功率具有與散熱器和方式來(lái)移動(dòng)熱量遠(yuǎn)離核心處理器被容納。

一個(gè)例子是由飛思卡爾半導(dǎo)體為其的Kinetis KL03處理器，其測(cè)量剛剛1.6×2.0毫米開(kāi)發(fā)的晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（CSP）。

飛思卡爾的芯片級(jí)封裝圖片

圖2：飛思卡爾的芯片級(jí)封裝的的Kinetis KL03微控制器。

該KL03 CSP（MKL03Z32CAF4R）減小了電路板空間，同時(shí)集成的功能，如低功耗（LP）UART接口，SPI，I2C，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和LP定時(shí)器支持低功耗模式下操作，而不會(huì)醒來(lái)包括核心一起ARM的Cortex-M0 +內(nèi)核。

單周期的高速I(mǎi) / O訪問(wèn)端口，可以有效位模擬和軟件協(xié)議仿真，保持一個(gè)8位的“外觀和感覺(jué)”，同時(shí)保持功耗降低，以及多個(gè)靈活的低功耗模式，包括新的計(jì)算時(shí)鐘選項(xiàng)通過(guò)將外設(shè)以異步停止模式降低了動(dòng)態(tài)功耗。

飛思卡爾的Kinetis KL03圖3框圖的形象：的Kinetis KL03的框圖 - 外周塊可以單獨(dú)控制，以盡量減少熱分布。

其結(jié)果是，所述的Kinetis KL03 CSP消耗35％較PCB面積但比其它設(shè)備的60％以上的GPIO。這使設(shè)計(jì)人員能夠大幅降低其電路板尺寸不影響最終產(chǎn)品的性能，功能集成和功耗，但仍強(qiáng)調(diào)需要良好的熱管理。

飛思卡爾的自由開(kāi)發(fā)板與KL03控制器：飛思卡爾的自由開(kāi)發(fā)板圖4圖像。

通過(guò)收購(gòu)Energy Micro公司的，Silicon Labs公司目前有一系列的高能量的微控制器。與32位的ARM Cortex-M0 +內(nèi)核，創(chuàng)新的低能量的技術(shù)，從節(jié)能模式短喚醒時(shí)間，和多種選擇外設(shè)的組合，所述EFM32ZG微控制器的目的是低能量的設(shè)計(jì)。

在單片機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵因素是能源管理單元（EMU）管理所有的低功耗模式（EM）的微控制器。每個(gè)能量模式管理如果CPU和各種外圍設(shè)備都可用。該塊還可以用于關(guān)閉電源到未使用的SRAM模塊。此鏈接到時(shí)鐘管理單元（CMU），其控制芯片上的振蕩器和時(shí)鐘，接通和斷開(kāi)的時(shí)鐘逐個(gè)向所有外設(shè)模塊除了啟用/禁用和配置可用振蕩器。的高度靈活性使得軟件通過(guò)不浪費(fèi)電源外設(shè)和振蕩器處于非活動(dòng)狀態(tài)，以盡量減少任何特定應(yīng)用的能耗。

從Silicon Labs公司的EFM32ZG低功耗微控制器：來(lái)自Silicon Labs的圖5 EFM32ZG低功耗微控制器的圖像。

使用ARM的Cortex-M0內(nèi)核的微控制器的另一個(gè)系列是英飛凌科技公司的XMC1000。這是通過(guò)使用一個(gè)65納米制造工藝以克服當(dāng)今8位設(shè)計(jì)的局限性，與快閃存儲(chǔ)器縮放從8 KB到200字節(jié)。所述XMC1200線設(shè)有外圍設(shè)備以進(jìn)行LED照明和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，并且XMC1300系列涉及的馬達(dá)控制或數(shù)字功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的實(shí)時(shí)控制的需要。由于家庭的目的是更換控制器的8位設(shè)計(jì)，使包裝在16和38引腳塑料TSSOPs，有更多的散熱考慮。這些可以與深睡眠模式來(lái)解決關(guān)閉在使用該芯片的時(shí)候不行。

從英飛凌圖6 32位XMC1000圖片：英飛凌32位XMC1000意在取代設(shè)計(jì)的8位控制器，必須要考慮散熱問(wèn)題。

英飛凌XMC1000發(fā)展體系：XMC1000開(kāi)發(fā)系統(tǒng)由英飛凌圖7形象。

結(jié)論

該驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的小型化帶來(lái)了微控制器子系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)和管理方面的挑戰(zhàn)。這可以用新的熱管和封裝技術(shù)來(lái)完成，以補(bǔ)償增加的功耗，并且還與更復(fù)雜的電源管理技術(shù)。能夠使用的系統(tǒng)軟件來(lái)控制時(shí)鐘信號(hào)和電壓至各外圍塊以及控制器核心還可以幫助降低功耗，使硅在現(xiàn)有，或甚至更小的芯片級(jí)封裝有效地運(yùn)作。這有助于平衡減少芯的尺寸和封裝的系統(tǒng)的熱需求的競(jìng)爭(zhēng)性需求。