利用先進(jìn)MCU的新低功耗模式
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低功耗MCU的要求會(huì)隨著應(yīng)用以及應(yīng)用中使用MCU的方式的不同而有所變化。例如，在電池供電的恒溫器應(yīng)用中，低功耗主要由器件能夠驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏的最低功耗模式定義，在這種情況下，降低功耗會(huì)延長電池的使用壽命。在其他低功耗應(yīng)用（如電表）中，低功耗是指系統(tǒng)在運(yùn)行期間消耗的工作電流。第三類系統(tǒng)是需要保持時(shí)間的系統(tǒng)，而不管系統(tǒng)的主電源是否存在。停電期間的電表就是第三類系統(tǒng)的一個(gè)例子。由于各種應(yīng)用的要求不盡相同，具有更加靈活的功耗模式的MCU允許設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步定制系統(tǒng)操作。
在過去，MCU的工作模式用于器件操作；空閑和打盹模式可降低或消除CPU開關(guān)功率，同時(shí)允許外設(shè)運(yùn)行；休眠模式允許以最低功耗運(yùn)行有限的外設(shè)。隨著當(dāng)今的高級(jí)MCU轉(zhuǎn)向更高級(jí)的硅工藝（可將系統(tǒng)成本降至最低并減小工作電流），一些新的低功耗模式正在增加，以提高M(jìn)CU的靈活性。我們將通過觀察當(dāng)今高級(jí)MCU中某些新型低功耗模式在各種應(yīng)用中的使用來對(duì)其進(jìn)行探究。
我們將使用電池壽命估算器（BLE）軟件工具和16位MCU對(duì)不同應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的各種功耗模式進(jìn)行比較。Microchip的BLE是免費(fèi)的軟件工具，允許設(shè)計(jì)人員估算系統(tǒng)的電池壽命，并確定哪種可用的工作模式最適合其應(yīng)用。PIC24FJ128GA310 MCU系列提供了一些新的低功耗模式，其LCD顯示驅(qū)動(dòng)器在如下一些示例中可發(fā)揮良好的作用。
多種應(yīng)用需要低功耗MCU
恒溫器已變得更加復(fù)雜，需要顯示更多信息并覆蓋多個(gè)地區(qū)。因此，通常需要大量片上閃存程序存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)以多種語言顯示的復(fù)雜菜單。
通常來說，需要采用高級(jí)工藝才能生產(chǎn)出價(jià)格具有競爭力的大存儲(chǔ)器MCU。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，晶體管的工作電流減少而泄漏電流增加正成為趨勢(shì)。泄漏電流增加在低功耗模式（如休眠模式）的電流規(guī)范中最為明顯。高級(jí)MCU上的休眠電流通常在3至5?A的范圍內(nèi)，而典型恒溫器應(yīng)用的大多數(shù)時(shí)間只是用來驅(qū)動(dòng)分段式LCD顯示屏。通常在休眠模式下驅(qū)動(dòng)分段式LCD顯示屏，該模式允許某些外設(shè)（本例中為LCD驅(qū)動(dòng)器）在CPU和大多數(shù)外設(shè)掉電時(shí)運(yùn)行。恒溫器必須被定期喚醒并進(jìn)入工作模式，讀取溫度、更新顯示屏，可能還要發(fā)信號(hào)使火爐、風(fēng)扇或空調(diào)裝置開啟。然而，99%以上的時(shí)間僅需要休眠模式。由于大量時(shí)間處于休眠模式，因此改善休眠電流就能大幅增加系統(tǒng)的電池使用壽命。
新型低功耗模式
為了使MCU具有亞?A級(jí)的功耗模式，許多供應(yīng)商引入了新的低功耗深度休眠模式。典型的深度休眠電流在10至50nA的范圍內(nèi)，這些器件運(yùn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷（RTCC）時(shí)會(huì)增加400nA的電流。通過關(guān)閉整個(gè)器件而僅保留少量存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（或許還有看門狗定時(shí)器），可實(shí)現(xiàn)極低電流。但是，這些深度休眠模式不允許外設(shè)運(yùn)行或保持器件上的數(shù)據(jù)RAM。當(dāng)器件從深度休眠中喚醒時(shí)，如果RAM內(nèi)容丟失，則器件需要執(zhí)行重啟例程，然后才能恢復(fù)程序執(zhí)行。
新的低功耗模式（如低電壓休眠模式）能以典型值為330nA的基電流保持器件的數(shù)據(jù)RAM，并允許運(yùn)行額外的低功耗外設(shè)。此低電壓休眠模式會(huì)保持器件的RAM，并通過減少器件的片上穩(wěn)壓器輸出來降低休眠電流。通過降低送入器件邏輯的電源電壓并限制工作外設(shè)，MCU的休眠電流可從3.7?A降至330nA。在這種類型的MCU休眠模式下，LCD驅(qū)動(dòng)器、定時(shí)器和RTCC等外設(shè)仍可運(yùn)行，且僅增加極小的電流。器件從低電壓休眠模式恢復(fù)到工作狀態(tài)的時(shí)間不到從深度休眠喚醒的時(shí)間的一半。器件隨后從下一條指令開始執(zhí)行，而不是深度休眠模式喚醒通常需要的從重啟序列開始。
圖1：電池壽命估算器工具主屏幕
如圖1所示，電池壽命估算器工具的主屏幕顯示了MCU及其工作電壓、電池和工作模式。恒溫器模型的電池壽命估算結(jié)果為11年零88天。
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