摘要: 低功耗要求是嵌入式系統(tǒng)設計中普遍提出的要求，對提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性有著重要意義。首先分析了單片機功耗的主要來源，然后研究了Infineon TLE7810單片機的低功耗設計方案，最后以電動車窗控制器為例介紹了TLE7810低功耗設計方案的具體應用。
關鍵詞: 低功耗；TLE7810；單片機；嵌入式系統(tǒng)；系統(tǒng)基礎芯片
Low?Power Design Based on TLE7810 SBC
Wu Zhihong, Zhu Miao, Zhu Yuan
(Infineon?Tongji Microcontroller and Embedded Systems Lab, Sino?German College of Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract： Low?power requirements are common for embedded system design and are of significance to system reliability and stability. The main source of microcontroller power consumption is analyzed, then the low?power design of Infineon TLE7810 is studied , and finally power window lift is introduced as its specific application.
Key words: low?power；TLE7810；microcontroller；embedded system；system basis chip
引言
近幾年來，隨著電子技術、信息技術的發(fā)展和數(shù)字化產(chǎn)品的普及，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應用到汽車工業(yè)、網(wǎng)絡、手持通信設備、國防軍事、消費電子和自動化控制等各個領域[1]。同時，嵌入式系統(tǒng)設計中的功耗問題也正受到普遍的關注。嵌入式系統(tǒng)一般是由電池來供電的，系統(tǒng)采用低功耗設計，不僅能夠延長電池的壽命，而且可以降低系統(tǒng)的熱耗，對提高可靠性與穩(wěn)定性有著重要意義。在這種應用背景下，Infineon、Freescale、Atmel、TI等知名單片機生產(chǎn)廠家紛紛推出功能強大的低功耗單片機。
1 單片機功耗的來源
單片機是一種集成度較高的芯片。通常，集成電路的功耗分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗2部分。靜態(tài)是指“0”和“1”的恒定狀態(tài)，當電路沒有狀態(tài)翻轉時產(chǎn)生的功耗為靜態(tài)功耗；動態(tài)是指“0”和“1“的跳變狀態(tài)，當電路狀態(tài)翻轉時產(chǎn)生的功耗為動態(tài)功耗[2]。
目前絕大多數(shù)的單片機都采用CMOS工藝。CMOS電路為電壓控制型，一般情況下靜態(tài)功耗極小。它的動態(tài)功耗由瞬時導通功耗和電容充放電功耗2部分組成[2]。在單片機運行時，開關電路不斷地由“1”變“0”，由“0”變“1”，內(nèi)部電容不停地充放電，要實現(xiàn)開關電路快速關斷和電容的快速充放電，需要比較大的動態(tài)電流[3]。因此CMOS的動態(tài)功耗要遠大于靜態(tài)功耗，是單片機功耗的主要來源。動態(tài)功耗主要受工作頻率和工作電壓的影響。
通過對單片機功耗來源的分析，可得出結論：要降低單片機系統(tǒng)的功耗，可以采取降低工作頻率、降低工作電壓和盡可能使電路處于靜態(tài)的方法。事實上，現(xiàn)有的低功耗單片機也都提供了靈活的時鐘方案、電源管理方案，以及低功耗工作模式，在硬件上為降低工作頻率、降低工作電壓和使電路處于靜態(tài)工作狀態(tài)提供了可能。
2 TLE7810簡介
TLE7810是Infineon公司推出的一款高集成度低成本智能功率芯片，主要應用于汽車工業(yè)。其功能模塊圖如圖1所示。它集成了1個支持片上調(diào)試功能并且與標準8051單片機兼容的8位微控制器XC866，以及1個SBC（System Basis Chip，系統(tǒng)基礎芯片）。這樣的結構設計可以滿足汽車工業(yè)盡乎苛刻的應用條件。同其他廠家的微控制器類似，Infineon XC866也提供了靈活的時鐘方案、電源管理方案和低功耗工作模式，本文對這些功能就不再多做介紹，而是著重介紹TLE7810特有的SBC的低功耗設計方案。
圖1 TLE7810功能模塊圖[4]
從圖1中可以看出，SBC配備1個LIN收發(fā)器、1個低壓差電壓調(diào)節(jié)器、2個用于驅動繼電器的低邊開關、1個用于驅動LED的高邊開關、1個霍爾傳感器電源、5個喚醒輸入，以及1個標準的16位SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）接口等。通過SPI接口，XC866可以發(fā)送1個16位的命令來控制SBC的運行， SBC同時向XC866回復1個16位的數(shù)據(jù)，指示SBC當前的運行狀態(tài)。
3 SBC的低功耗設計方案
3.1 SBC集成的外設
SBC不僅將多個外設集成到1個芯片內(nèi)部，而且可以通過SPI接口控制這些外設的打開與關閉，根據(jù)實際應用情況，可以靈活地控制這些外設，以達到降低功耗的目的。
① LIN收發(fā)器?？梢酝ㄟ^SPI命令將SBC的工作模式設置成“LIN Sleep”模式。在這個工作模式下，LIN收發(fā)器的內(nèi)部上拉電阻被關掉，以此來禁用LIN收發(fā)器，這樣就能夠減小一部分電流消耗。禁用的LIN收發(fā)器可以隨時通過主節(jié)點或其他從節(jié)點的LIN消息來激活。
② 低壓差電壓調(diào)節(jié)器?？梢酝ㄟ^SPI命令將SBC的工作模式設置成“Sleep”模式。在這個工作模式下，該電壓調(diào)節(jié)器被關閉，以停止對微控制器供電，從而使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，將功耗降到最小。
③ 高邊開關。高邊開關可以直接驅動LED。在不需要使用LED的場合，可以直接通過SPI命令將該開關關閉。
④ 霍爾傳感器電源。該電源可以直接為霍爾傳感器供電，驅動霍爾傳感器正常工作，也可以為其他一些設備，比如運算放大器供電。在不需要使用霍爾傳感器的場合，可以直接通過SPI命令將該電源關閉。
3.2 SBC的省電模式與喚醒測試
SBC可以在多個工作模式下工作，根據(jù)實際應用情況，可以靈活地進行工作狀態(tài)的切換。SBC提供了2種省電模式，“Sleep”模式和“Stop”模式。工作在這2種模式下，可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。
3.2.1 SBC Sleep Mode
可以通過直接修改SPI命令來進入該工作模式。在這個工作模式下，LIN收發(fā)器以及所有的內(nèi)部開關都被關閉，同時內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器也被關閉，以停止對微控制供電。通過這種方式可以將系統(tǒng)的功耗降到最小。可以通過5個喚醒輸入引腳上的電平跳變或者LIN消息來退出該模式，將系統(tǒng)喚醒。被喚醒后，內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器將自動激活，微控制器將產(chǎn)生1個復位信號，將系統(tǒng)復位。圖2為“Sleep”模式的測試波形。其中，曲線1為喚醒輸入引腳MON4的波形，曲線2為復位引腳RESET的波形。在“Sleep”模式下，MON4引腳的輸入為12 V高電平，RESET引腳輸出0 V低電平。當MON4引腳的電平發(fā)生跳變，由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，RESET引腳產(chǎn)生1個5 V高電平的復位信號，將系統(tǒng)喚醒并復位。從圖中可以看出這段喚醒時間持續(xù)約9.5 ms。根據(jù)進一步的測量，在該模式下，系統(tǒng)的靜態(tài)電流約為9 mA。
圖2 SBC Sleep Mode 測試波形
3.2.2 SBC Stop Mode
需要先將XC866的工作模式設置成省電模式，再修改SPI命令才能進入該工作模式。在這個工作模式下，LIN收發(fā)器以及所有的內(nèi)部開關也都被關閉，但是并不關閉電壓調(diào)節(jié)器，而是用微弱的靜態(tài)電流對微控制器供電，微控制器同時停止執(zhí)行指令。可以通過5個喚醒輸入引腳上的電平跳變或者LIN消息來退出該模式。圖3為“Stop”模式的測試波形。其中，曲線1為喚醒輸入引腳MON4的波形，曲線2為輸出引腳P0.5的波形。在“Stop”模式下，MON4引腳的輸入為12 V高電平，P0.5引腳輸出0 V低電平，當MON4引腳的電平發(fā)生跳變，由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅瑢⑾到y(tǒng)喚醒，然后馬上讓P0.5引腳輸出5 V高電平。從圖中可以看出這段喚醒時間持續(xù)約265 μs。根據(jù)進一步的測量，在該模式下，系統(tǒng)的靜態(tài)電流約為30 mA。與“Sleep”模式相比較，該模式不僅能夠極大地降低系統(tǒng)功耗，同時因為沒有關閉微控制器，能夠更快地將系統(tǒng)喚醒，而且喚醒后不產(chǎn)生復位信號，直接從停止的指令位置繼續(xù)執(zhí)行。
圖3 SBC Stop Mode 測試波形
4 TLE7810低功耗方案的應用
TLE7810的一個具體應用是電動車窗控制器?；赥LE7810的電動車窗控制器的硬件結構框圖如圖4所示。其中，高邊開關（MON5引腳）為按鍵背光燈供電，霍爾傳感器電源（Supply引腳）同時為霍爾傳感器和運算放大器供電。
圖4 電動車窗控制器硬件結構框圖
MON5引腳與Supply引腳的輸出電平由SPI命令直接控制。當控制車窗升降的4個按鍵（MON1~MON4）未按下時，通過SPI命令控制MON5引腳輸出低電平，按鍵背光燈滅；當有按鍵按下時，通過SPI命令控制MON5引腳輸出高電平，按鍵背光燈亮。當電機處于停止狀態(tài)時，通過SPI命令控制Supply引腳輸出低電平，關閉對霍爾傳感器與運算放大器的供電。霍爾傳感器是在電機運轉時測量電機的轉速與轉向的，運算放大器用來對電機電流進行采樣放大，因此在電機處于停止狀態(tài)時這兩個外設都沒必要工作，關閉對它們的供電在一定程度上可以降低功耗。
當后門側車窗在沒有收到任何由后車門按鍵發(fā)出的控制命令，也沒有收到任何由司機側車門通過LIN總線發(fā)出的命令時，可在延時一段時間后，直接通過SPI命令讓系統(tǒng)進入“Sleep”模式。車窗控制器在正常工作模式下，系統(tǒng)電流約150 mA，而在該模式下，TLE7810內(nèi)部的電源模塊停止對所有負載供電，系統(tǒng)電流僅為9 mA，將控制器的功耗降到最小。休眠后，若司機側或者后門側按鍵重新發(fā)出命令，可將喚醒系統(tǒng)，進入正常工作狀態(tài)。
5 總結
本文分析了單片機功耗的來源，以Infineon TLE7810單片機為例，研究了TLE7810特有的SBC的低功耗設計方案，并結合具體電動車窗控制器的例子，簡單闡述了TLE7810低功耗設計方案的實際應用。在復雜的實際應用中，還需要綜合考慮系統(tǒng)硬件設計相應的軟件，結合具體的應用場合，選擇合適的低功耗設計方案，以達到降低系統(tǒng)功耗的目的。
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