消除現(xiàn)實世界中超低功耗嵌入式設(shè)計的隱患(06-100)

　　與之相反，鋰電池具有平坦的放電特性，使得其電池容量幾乎可以得到完全利用，而無需進(jìn)行漏電流調(diào)節(jié)。例如，一顆普通的 220mAh鈕扣鋰電池 CR2032，其放電量可以達(dá)到 90%，輸出電壓幾乎恒定為 2.8V。總的系統(tǒng)電流消耗為 2mA(即只有 MCU 的電流消耗)。采用這種解決方案，一顆電池就可以使系統(tǒng)運行 10 年以上。由于具有超長的工作壽命，此類儀器往往可以設(shè)計成一次性設(shè)備，10 年后，該儀器完成了它的使命，同時也變得陳舊或過時。

　　時鐘控制是關(guān)鍵

　　超低功耗應(yīng)用中經(jīng)常采用雙振蕩器方案。一個總是保持開放狀態(tài)的 32kHz 的鐘表晶振用于低頻輔助時鐘 (ACLK)，通常只為定時器與實時中斷功能提供時鐘源。一個能夠‘快速啟動’的高頻主時鐘 (MCLK) 振蕩器只有在 CPU 與系統(tǒng)需要時才啟動，且其喚醒時間一般小于 10 微秒。

　　不過，了解哪些時鐘需要快速啟動，哪些時鐘不需要快速啟動是很重要的。

　　常見的陷阱是二級系統(tǒng)時鐘喚醒，其最初僅向 CPU 與系統(tǒng)提供 ACLK，而 MCLK 則保持穩(wěn)定(1 毫秒即可啟動)。有時為系統(tǒng)提供快速啟動的 MCLK(但不穩(wěn)定)，但其不穩(wěn)定性會給可用性造成不利影響。例如，如果要求采用 19200 波特 UART 協(xié)議下載數(shù)據(jù)(這種操作可以隨時進(jìn)行)，這就要求每隔 52ms 準(zhǔn)確接受一個比特。但 ACLK 的頻率不足以為UART提供足夠的波特率調(diào)制。如果將二級啟動的高速MCLK用于UART，結(jié)果將會造成無法預(yù)測的波特率并會丟失字符。在此情況下，MCLK穩(wěn)定下來之前 MCU 必須使系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。

　　進(jìn)入與退出低功率模式并快速處理數(shù)據(jù)的能力至關(guān)重要，否則CPU就會在等待時鐘穩(wěn)定過程中浪費功率。高速系統(tǒng)時鐘可能能夠快速啟動并立即穩(wěn)定下來。

　　外設(shè)功耗

　　在設(shè)計基于MCU的超低功耗應(yīng)用時還必須考慮到外設(shè)的功耗。大部分 MCU 都具有啟動單個外設(shè)與時鐘源的能力，以節(jié)省功耗。僅在需要時啟動某個外設(shè)與時鐘是降低功耗的基礎(chǔ)。

　　但是我們需要細(xì)心檢查兩個與外設(shè)控制相關(guān)的領(lǐng)域，即欠壓保護(hù)和端口引腳漏電流。

　　大部分 MCU 都集成了欠壓保護(hù)功能，其可在電源電壓降低到安全工作范圍之外時重啟系統(tǒng)，以避免無法預(yù)料的事件發(fā)生。MCU通常還能啟用或禁用欠壓保護(hù)功能以節(jié)省功耗，但是欠壓保護(hù)必須始終處于開啟狀態(tài)，這是因為欠壓是無法預(yù)測的。

　　端口引腳漏電流有時會被忽視，但這個問題必須考慮。許多老式的MCU的限定輸入引腳漏電流為1mA。而這對于一個具有20個輸入端口的器件來說會消耗 20mA 的電流！但專為低功耗設(shè)計的MCU允許最大不超過50nA的漏電流。