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低功耗:芯片与系统设计初探

: Mike Salas?? Silicon Labs公司---EDN China?? 2010年08月29日 ?? 收藏0

  要理清各家微控制器供应商提出的低功耗数值是一个极具挑战性的工作。对于多数应用,用一个通过占空比来确定基本功耗的公式就可以方便地解决问题。

  减少能耗对我们生活的各个方面都有重要的影响。微观层面上的好处已经得到了大肆宣扬:减少了消费者的电费账单、降低了电网负荷,废弃电池更少。简言之,节能对环境和钱包都有好处。由于全球用电量在不断升高,减少能耗必须从微芯片级别上开始。工程师在芯片级别上设计的节能技术有着深远的影响,尤其是当涉及作为这些电子设备背后引擎的微控制器时。

  从系统设计的角度,设计者要判断哪些微控制器真正是低功耗的,就需要徜徉在各个半导体供应商的无数说明中。由于供应商使用的术语各不相同并且彼此混淆,这一目标是一个复杂的任务。本文简要描述了在分析各种竞争性微控制器选项时需要考虑的主要因素。在基本水平上,可以将微控制器功耗定义为活动模式功率和待机(或睡眠模式)功率之和。但是,还要记住另一个重要的量度标准,那就是一款微控制器从待机状态到活动状态所花的时间。由于在全部数字与模拟部分都完全安定和正常工作前,微控制器是无法做任何有用的处理工作的,因此在计算总功耗时,加上这部分无用

功率就很重要。因此,器件的总功耗就是:活动模式功率、待机功率和唤醒功率之和。

  由于每个应用都各不相同,系统设计者就有一种倾向,即让某些元素具备较其它部分更高的权重。例如,有些应用(如水表)大部分时间处于待机状态,因此这种长占空比工作就需要低的待机功耗。而其它应用(如数据记录仪)经常要进入和退出活动状态,因此关键是限制它们在唤醒转变模式下花费的时间(图1)。不过,一个在开发微控制器的供应商不可能试图去猜测哪个因素更重要,而是要从头设计一个注重最小功耗的系统。实现这个目标需要大量的混合信号专业知识,解决架构级和电路级的挑战,才能尽可能减小模拟与数字域中的功耗。

图1

图1,对于那些频繁进出活动工作模式的应用来说,减少功耗的关键是缩短无用的苏醒延迟时间。

  活动模式的电流

  对于一个CMOS逻辑门,动态功耗的计算公式为:C×V2×f,其中C是负载电容,V是电源电压,而f则是开关频率。电容项是设计与工艺技术的函数,而频率项是应用处理要求的函数。但如公式可见,电源电压对微控制器总功耗有着不成比例的影响。因此,为微控制器设计增加电压调节,提供一个较低而稳定的电源电压,就可以获得显著的活动模式节能效果。对这种应用,开关式转换器也许是一种可能的方案,但它们更适合于需要大电压转换比的稳压环境。但是,对电池类应用,当电池寿命终结时,平均电压转换比接近于1:1,此时更好的方案可能是为片上增加一个低压降线性稳压器,因为它有更可接受的效率,没有开关方案那么复杂,成本也较低。

  为了表示采用低压降稳压器的好处,有必要复述一下CMOS的动态功耗公式:C×V2×f=V×(C×V×f)=V×I,其中,动态电流I等于C×V×f。通常是将动态电流标准化到1MHz频率和某个特定电源电压。例如,一款最新推出的超低功耗微控制器,其动态电流为1.8V时160μA/MHz。没有稳压情况下,当电源电压为3.2V时,这一数字会增加到160×(3.2/1.8)=284(μA/MHz)。如采用一个低压降稳压器,电池电流在整个电源电压范围内保持为160μA/MHz(图2)。

图2, 一只低压差稳压器可以在一个宽的供电电压范围上,维持微控制器有恒定的功耗。

图2, 一只低压差稳压器可以在一个宽的供电电压范围上,维持微控制器有恒定的功耗。

  用这种先进的电源架构,可以在整个工作电压范围内维护一个恒定的活动电流,帮助实现显著的节能效果。因此,重要的是确定整个电压范围内工作下的微控制器耗电,而不只是微控制器供应商一般给出的1.8V最低工作条件。如果引用了一个乐观的电流数,它假设一切都低于一个典型电压,那么就不能精确地反映应用在真实世界中的情况。

  举个例子,在需要两节AA电池或AAA电池的系统中,电池一般工作在接近初始3V电压。因此,采用1.8V规格就可能有欺骗性,因为,此时大多数微控制器的耗电都要比供应商一般提供的数值高大约50%。此外,由于功耗与开关频率成正比,因此系统设计者应按照每兆赫电流关系,对引用的电流值作标准化。将这两个因素相结合,就可以用3V下的每兆赫耗电量,对微控制器作逐一对比。

  有些供应商将兆赫数等同于系统时钟速度,试图以此混淆问题,而其真正的意义是指令时钟速度。这种偷换法很具欺骗性,因为系统时钟可以是执行指令速度的至少两倍,因此有效功耗也至少要翻倍。从而,关键是将规格针对指令时钟速度作标准化。这样,再采用典型的电源电压,就可以正确地得到真正的活动模式耗电预算。

  待机电流

  实现最高能效从而延长电池寿命,就要保证微控制器的每个任务都在最短可能的间隔内,在最小可能的电压下,消耗最少可能的电流,因此器件的大部分时间是处于低功耗的睡眠


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低功耗? 待机电流? 芯片与系统设计? 唤醒功率?

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