设计超低功耗的嵌入式应用

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考虑到我们今天所生活的时代，嵌入式系统的便携性是十分关键的设计考虑因素。便携式系统通常用电池供电，而电池使用寿命取决于系统的功耗。在提倡“绿色环保”计划的今天，即便是市电供电的应用也要把功耗作为一项重要的产品选择标准。
       
        便携式设备通常分为使用充电电池供电的设备和使用非充电电池供电的设备。如果应用使用的是非充电电池，那么电池使用寿命将是至关重要的规范要求。对于任何应用而言，电池使用寿命取决于：
       
        ●所用电池的可用电荷量
       
        ●应用的平均电流消耗
       
        使用充电电池的应用还要考虑到另一个参数，那就是电池充电的频率和每次充电所花的时间。从最简单的角度说，延长电池使用寿命可通过提高电池容量或降低应用的平均电流消耗来实现。由于电池重量过大会影响系统的机械约束和成本，因此系统设计人员只能将电池电量提高到一个限值。在电池化学技术的全新发展不断提高电池电荷密度的同时，我们还亟需想办法继续降低平均功耗。
       
        应用的平均功耗取决于：
       
        ●每个电路组件的功耗
       
        ●应用的供电方案以及电力如何通过栅极输送到设计的各个部分
       
        ●设计中的各个组件是如何在不同的工作条件下工作的
       
        每个组件的功耗可从各组件的器件数据表获得。了解每个组件的功耗拆分信息非常重要，这有助于设计出色的系统，实现低功耗优化。
       
        不妨来设想一个简单的小型电池供电数字时钟。该设备可用于计时，并在按下按键时能显示当前时间。设备通常处于断电模式以节电，只有在检测到按键动作时才会被唤醒并刷新显示屏。显示屏和主电路在工作一段时间后会返回断电模式以节电。该系统的高层次方框图参见图1.

       
       
        图1：小型数字时钟的高层次方框图

       
        电路采用RTC计时，用主控制器芯片与RTC通信，并管理显示屏界面。整个系统大部分时间处于断电状态，显示屏关闭，主控制器也处于断电模式，这样电流消耗可降到最低，所有外设都关闭。按键则作为唤醒设备的触发器，以获取RTC数据并在显示屏（通常为LCD）上进行显示。
       
        要分析这种系统的功耗，要看的第一个数据就是设备和显示屏都处在断电模式下的典型平均电流是多少。应查看每个外设和控制器的数据表，以了解功耗数据。为了最大限度地降低功耗并延长电池使用寿命，应做到给所有不使用的外设断电。在本应用中，这个不使用的外设就是显示屏。与显示屏形成对比的是，RTC需要始终进行供电，以实现计时功能。
       
        MCU通常是大多数系统中总功耗的主要来源。这一点同样适用于本案例中的应用，如果不能选择并适当使用正确的MCU时尤为如此。有很多办法可降低MCU的功耗，包括但不限于：
       
        1.降低工作频率
       
        2.以更低的工作电压运行
       
        3.使用低功耗工作模式
       
        MCU能在各种工作频率上运行。然而，不同器件支持的频率各不相同。MCU的功耗与工作频率成正比，随着频率的升高，动态功耗也会升高。因此，MCU应该以尽可能低的频率运行，同时能够可靠地满足系统的需求。
       
        此外，频率也与时钟源有关。设备支持各种时钟源选项，包括内部高速振荡器、内部低速振荡器、外部晶体振荡器等。在大多数情况下，外部晶体可提高精确度，但代价是功耗较高。选择低功耗时钟源，往往要权衡速度和精确度。为选择适当的时钟源，确保系统性能和功耗的完美平衡，应该认真研究系统要求。
       
        大多数MCU支持低功耗工作模式，从而满足低功耗系统设计的要求。同样，支持模式的数量以及每种模式的特性根据器件会有所不同。应适当使用低功耗模式，以降低平均功耗。常见的模式包括：
       
        ●工作模式：MCU正常运行。
       
        ●较低功耗模式：时钟经门控后送至MCU，保持各种寄存器和RAM的状态。
       
        ●最低功耗模式：包括MCU在内的所有外设都断电。
       
        当时钟经门控后送至MCU时，功耗就是静态功耗。静态功耗取决于几个因素，包括亚阈值条件和FET中的隧道电流等。此外，隧道电流在小型芯片设计的FET缩减时会成为主要因素（即尺寸减小使得氧化物的厚度减小）。
       
        今天，我们已经拥有在单芯片上实现完整系统/子系统高度集成的SoC.除了集成度之外，就功耗而言，这些SoC也有助于降低平均功耗，使其低于采用独立MCU和分立外设的情况。