Microchip單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn)了超低功耗

　　摘要：在超低功耗領(lǐng)域，Microchip公司新推出的具有多種全新低功耗休眠模式且工作電流業(yè)界最低的PIC24F“GA3”16位閃存MCU系列，通過(guò)多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了150 μA/MHz工作電流，以及6個(gè)DMA通道，從而允許以更低的功耗、更大的吞吐量執(zhí)行程序。

　　對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，人機(jī)界面、低功耗和無(wú)線連接集成是單片機(jī)(MCU)的三大前沿技術(shù)。而新型技術(shù)的推出都是以一定的應(yīng)用為背景的。

　　在超低功耗領(lǐng)域也是如此。近日， Microchip公司宣布推出具有多種全新低功耗休眠模式且工作電流業(yè)界最低的PIC24FJ128GA310(PIC24F“GA3”)16位閃存MCU系列，擴(kuò)展其超低功耗(XLP)單片機(jī)(MCU)產(chǎn)品線。PIC24F“GA3”器件具有150 μA/MHz工作電流，堪稱(chēng)業(yè)界最低的工作電流之一，而且提供新的支持RAM保存的低電壓休眠模式和用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘的VBAT的電池供電，再添加了6路DMA通道，提高數(shù)據(jù)的傳輸。

　　圖1 PIC24FJ128GA310結(jié)構(gòu)框圖

　　降低功耗的措施

　　每個(gè)廠商對(duì)于降低功耗都有不同的處理方式。雖然每個(gè)MCU都有休眠狀態(tài)或都有可能實(shí)現(xiàn)很低的工作耗電量，但是有的芯片在處于很低功耗的時(shí)候，基本功能也所剩無(wú)幾了，沒(méi)有時(shí)鐘、沒(méi)有RAM，所有功能都關(guān)掉了。而Microchip的處理方式就是把每個(gè)功能降到最低的同時(shí)還給客戶一個(gè)選擇。例如如果你需要RAM，那么此芯片提供低電壓狀態(tài)，讓RAM保留參考數(shù)據(jù)。如果不需要，那么可以進(jìn)入真正的休眠狀態(tài)。

　　說(shuō)到降低耗電量，主要是看器件的工作電流和待機(jī)電流。“PIC24F“GA3”系列將工作電流降低至僅有150 μA/MHz，這是業(yè)界16位閃存單片機(jī)中，電流消耗最低的。”Microchip先進(jìn)單片機(jī)架構(gòu)部產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理崔勇介紹說(shuō)，而且Microchip XLP產(chǎn)品系列在深睡眠狀態(tài)下的待機(jī)電流最低可以降到40nA甚至20nA。這是因?yàn)镻IC24F“GA3”采用了一些創(chuàng)新，例如引進(jìn)了一個(gè)新模式——低電壓休眠狀態(tài)，讓設(shè)備在深睡眠狀態(tài)下，同時(shí)保持RAM，保留一些參考數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，如果設(shè)備進(jìn)入深睡眠狀態(tài)，包括RAM等很多功能就會(huì)丟失。Microchip開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)RAM保存功能是介于睡眠和深睡眠之間的一個(gè)新的低功耗狀態(tài)。

　　同時(shí)，新產(chǎn)品還加入了一個(gè)新功能VBAT 電池備份, 是專(zhuān)門(mén)用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電的引腳。采用VBAT給實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電，耗電量可以低到400nA。

　　此外，新產(chǎn)品系列還新增了6路DMA (存儲(chǔ)器直接訪問(wèn)) 通道，可以幫助把數(shù)據(jù)從外設(shè)上直接轉(zhuǎn)到RAM，從而降低CPU負(fù)載，間接幫助實(shí)現(xiàn)低功耗。

　　低電壓休眠模式和VBAT的應(yīng)用

　　PIC24F “GA3”的目標(biāo)應(yīng)用覆蓋了消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品、工業(yè)、醫(yī)療和儀表等低功耗領(lǐng)域。其中一個(gè)比較重要的是儀表，例如智能電表。該應(yīng)用要求功耗低，并且在停電的時(shí)候需要有備用電池的支持。

　　具體的應(yīng)用實(shí)例有，歐洲IEC規(guī)定，功率計(jì)(電表)內(nèi)的芯片計(jì)量功能不能超過(guò)10VA。因此如果在計(jì)量時(shí)耗電量過(guò)高，會(huì)浪費(fèi)很多電，達(dá)不到IEC需求。Microchip的PIC24F“GA3”系列的方案中，計(jì)量結(jié)果可以直接放到RAM里，就無(wú)需浪費(fèi)CPU的功能去做數(shù)據(jù)傳輸，這樣CPU主芯片的負(fù)載就可以減輕，或運(yùn)行更復(fù)雜的代碼，諸如加入通信功能，讓電表性能更高。

　　再有，我國(guó)的國(guó)家電網(wǎng)的自動(dòng)抄表方式，需要每隔一段時(shí)間把表喚醒一次，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這時(shí)，如果自動(dòng)抄表經(jīng)常要喚醒抄數(shù)據(jù)，就可以把數(shù)據(jù)保存在RAM里，喚醒時(shí)可以直接在RAM里面讀取數(shù)據(jù)，比把數(shù)據(jù)放到Flash里面的功耗更低。

　　恒溫器在深度休眠時(shí)，很多功能都被關(guān)掉，只能顯示LCD的結(jié)果，但是不能刷新屏幕。如果用低電壓休眠模式，就可以保證刷新LCD的數(shù)據(jù)。此外，和同類(lèi)16位MCU相比，功耗會(huì)降低30%。延長(zhǎng)了電池壽命后，便有額外的供電能力去實(shí)現(xiàn)RF或無(wú)線。VBAT單獨(dú)的電池供電引腳可以節(jié)省電池更換時(shí)間，可以單獨(dú)用紐扣電池給實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電，用額外的堿性電池給屏幕供電，因此可以保證換堿性電池時(shí)，時(shí)鐘不會(huì)更改。

　　此外，Microchip還提供了一個(gè)小工具——電池壽命估算器。用戶只需要將各種電壓和環(huán)境溫度參數(shù)放進(jìn)去，以及輸入所需的各種功能要求，這款工具可以估算出電池的使用壽命。

　　工藝及對(duì)低功耗的影響

　　從工藝的角度來(lái)講，Microchip有 0.25，0.35 和0.18微米，也提供130nm或90nm的產(chǎn)品，各種工藝都有。但用戶不一定要追求先進(jìn)的工藝，有些市場(chǎng)如果用0.35或0.25微米能滿足需求，就沒(méi)有必要一味追求90nm或130nm。通常來(lái)說(shuō)，工藝越高，漏電也越厲害。所以這是一個(gè)平衡的問(wèn)題;如何去權(quán)衡高級(jí)工藝和漏電。比如我們可以選擇一些低功耗的功率，或者在高功耗功率上加一些新供電方式去控制。

　　競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和Microchip 的特色

　　在嵌入式控制器世界中，Microchip PIC是一個(gè)獨(dú)特的架構(gòu)，好處是Microchip不僅可以控制自己的產(chǎn)品，還可以控制內(nèi)核?？梢愿鶕?jù)市場(chǎng)需求調(diào)整。從用戶的角度上看，他們是要跟潮流還是要選擇一個(gè)能滿足自己需求的產(chǎn)品。如果你的產(chǎn)品跟別人都一樣，那怎么樣體現(xiàn)產(chǎn)品的獨(dú)特性和競(jìng)爭(zhēng)力?因此，產(chǎn)品要有自己獨(dú)特的地方，不光要拼價(jià)格，還要拼性能。

　　那么，未來(lái)8位、16位和32位單片機(jī)的發(fā)展動(dòng)向如何?嚴(yán)格以數(shù)據(jù)總線寬度(8位、16位或32位)來(lái)劃分單片機(jī)市場(chǎng)顯得過(guò)于簡(jiǎn)單。單片機(jī)市場(chǎng)不會(huì)迅速改變，而是會(huì)隨著低端領(lǐng)域和高端領(lǐng)域的新增應(yīng)用逐步發(fā)展?？傊诓痪玫膶?lái)，不會(huì)出現(xiàn)由一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位的局面，現(xiàn)狀并不會(huì)發(fā)生根本改變。雖然32位單片機(jī)的市場(chǎng)占有率正在迅猛發(fā)展，但是，8位/16位MCU在市場(chǎng)中的地位仍不可撼動(dòng)，未來(lái)，它們?nèi)詫⒄紦?jù)巨大的市場(chǎng)份額。Microchip的崔勇稱(chēng)，其在8位單片機(jī)市場(chǎng)占有巨大份額，而且還將繼續(xù)在該領(lǐng)域投入大量資源，同時(shí)，Microchip的16位和32位單片機(jī)市場(chǎng)也在迅速發(fā)展，多款新產(chǎn)品已經(jīng)面世，更多產(chǎn)品即將推出。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 王瑩.Microchip為單片機(jī)低功耗樹(shù)立新標(biāo)桿[R/OL].(2012-1-11). http://wangying1.spaces.eepw.com.cn/articles/article/item/90416