低功率MCU設(shè)計(jì)--創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)

嵌入式市場(chǎng)迫切要求以更低的功耗實(shí)現(xiàn)更高的性能，這一需求現(xiàn)已擴(kuò)展到大量便攜式和墻上電源供電的應(yīng)用中。為滿足該需求，飛思卡爾始終致力于將低功耗設(shè)計(jì)擴(kuò)展到更廣的領(lǐng)域。最新推出的Kinetis(動(dòng)力學(xué))系列ARM Cortex-M4微控制器就是最新突破。2010年第四季度的數(shù)據(jù)抽樣表明，Kinetis代表著基于ARM Cortex-M4新內(nèi)核的首款適合廣泛市場(chǎng)的混合信號(hào)MCU組合，同時(shí)也是業(yè)界擴(kuò)展性能最強(qiáng)的ARM Cortex-M4 MCU的產(chǎn)品之一。多種硬件和軟件兼容的MCU產(chǎn)品系列將提供卓越的性能和內(nèi)存容量，其擴(kuò)展性強(qiáng)，從采用超小QFN封裝的50MHz、32KB閃存器件到帶1MB閃存和工業(yè)用豐富外設(shè)集的150MHz器件均包括在內(nèi)。低功耗在Kinetis MCU設(shè)計(jì)中發(fā)揮著核心作用。這從采用了飛思卡爾最新90納米SG-TFS(分裂柵-薄膜存儲(chǔ)器)工藝技術(shù)，以及大量具有省電功能的通用、專(zhuān)用外設(shè)上都可以反映出來(lái)。

　　創(chuàng)新的低功率技術(shù)

　　工藝技術(shù)是任何半導(dǎo)體產(chǎn)品的基本構(gòu)建模塊和決定MCU功耗的關(guān)鍵因素。除了能夠提供超快訪問(wèn)速度、防止充電損失外，Kinetis MCU還是首款利用了飛思卡爾SG-TFS閃存技術(shù)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品，該技術(shù)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用來(lái)解決功耗敏感應(yīng)用的需求。在設(shè)計(jì)SG-TFS位存儲(chǔ)單元時(shí)，飛思卡爾在讀取路徑上使用快速、低電壓的晶體管，從而將工作電壓降到1.71V至3.6V這一較低的范圍。在采用兩個(gè)1.5V電池的應(yīng)用中，一旦電壓達(dá)到0.9V，電池壽命就會(huì)迅速縮短。這意味著與過(guò)去通常限制在2V甚至更高的MCU產(chǎn)品相比，1.71V的更低電壓限制可以大大延長(zhǎng)電池壽命。擴(kuò)展的電壓范圍不僅適用于片上存儲(chǔ)器：閃存、SRAM和飛思卡爾新的FlexMemory(可配置，耐用性強(qiáng)的EEPROM)，同時(shí)也適用于模擬外設(shè)，因而即使在功率曲線的較低端也能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的信號(hào)測(cè)量和調(diào)節(jié)。允許高速切換的信號(hào)工作在較低電壓(通常為1.2V)下，TFS的電壓特性還有助于降低運(yùn)行電流。由于運(yùn)行電流與C*V2*f成比例，電壓下降對(duì)有效電流的閃存組件非常有利。

　　必須具備的功率模式

　　在電池供電的大部分應(yīng)用中，CPU將大部分時(shí)間用于功率降低或休眠模式。因此，非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是微控制器提供了極具吸引力的電源模式、喚醒源和啟動(dòng)時(shí)間選擇，以便設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化外設(shè)活動(dòng)和恢復(fù)時(shí)間來(lái)滿足應(yīng)用需求，并最大限度地使用現(xiàn)有的可用能源。飛思卡爾的處理方式是在Kinetis MCU中配置不少于10種的運(yùn)行、等待和停止模式，同時(shí)還配有多個(gè)喚醒源(見(jiàn)圖1和2)。每個(gè)運(yùn)行模式都配有對(duì)應(yīng)的等待和停止模式。飛思卡爾還推出了幾款低漏電模式和新的低漏電喚醒單元(LLWU)，以滿足最嚴(yán)格的功率預(yù)算。

　　工作在運(yùn)行模式下時(shí)，CPU全速執(zhí)行代碼，可以實(shí)現(xiàn)低至200μA/MHz的功耗。對(duì)于不需要最大總線頻率的時(shí)段，可以使用極低功率運(yùn)行(VLPR)模式。這就把CPU頻率限制在2MHz內(nèi)，并將內(nèi)部穩(wěn)壓器置于待機(jī)模式，同時(shí)還保持外設(shè)和低電壓檢測(cè)(LVD)的全部功能實(shí)現(xiàn)。在這種模式下，使用600μA至1mA范圍的VLPR LDD可以節(jié)省大量功耗，具體情況則取決于MCU的性能、內(nèi)存和外設(shè)配置。

等待模式和極低功率等待(VLPW)模式與它們對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式類(lèi)似，但CPU會(huì)暫停，且閃存及FlexMemory編程不可用。外設(shè)中斷啟動(dòng)后，MCU能夠退出等待模式，執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)，然后迅速恢復(fù)為低功率狀態(tài)。這最大限度地減少了那些常在活動(dòng)狀態(tài)和減少功率狀態(tài)之間切換的應(yīng)用的平均功耗。根據(jù)總線頻率的不同，運(yùn)行模式Idd可以節(jié)省30至60%的功耗。

　　許多停止模式提供狀態(tài)保持和某些邏輯和/或內(nèi)存的部分或全部斷電。低漏電停止(LLS)模式是恢復(fù)時(shí)間為4μS的最低功率模式，可降低內(nèi)部邏輯的電壓，最大限度減少未使用的內(nèi)部電路的漏電，并且IDD通常保持在1.2μA到7μA的范圍內(nèi)。極低漏電停止(VLLS)模式則更進(jìn)了一步，它能切斷內(nèi)在邏輯以及有選擇地切斷RAM內(nèi)存，從而減少未使用電路的漏電。每個(gè)VLLS模式的之間差異與RAM保留級(jí)別有關(guān)。在VLLS3模式中，保留全部RAM;在VLLS2模式中，保留部分RAM;在VLLS2模式中，則不會(huì)保留RAM，但有一個(gè)32字節(jié)的寄存器文件可以用于關(guān)鍵應(yīng)用數(shù)據(jù)的保存。

　　Kinetis MCU的一個(gè)關(guān)鍵低功率組件是低漏電喚醒單元(LLWU)，它在所有低漏電停止模式中充當(dāng)喚醒監(jiān)控器。LLWU支持多達(dá)16個(gè)外部輸入引腳(如下降沿、上升沿或任何轉(zhuǎn)換都可以編程)和8個(gè)可由用戶配置為喚醒事件的內(nèi)部外設(shè)。在最低功率模式下，有幾個(gè)喚醒源可供選擇：如低功耗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、模擬比較器、觸摸感應(yīng)接口(TSI)和幾個(gè)引腳中斷。喚醒輸入處于激活狀態(tài)時(shí)，只要MCU進(jìn)入LLS模式或任何VLLS模式它就會(huì)啟動(dòng)。

　　由于時(shí)鐘消耗多達(dá)40%的 有效功率，Kinetis MCU給所有模塊都采用可編程門(mén)控時(shí)鐘。這樣可以關(guān)閉運(yùn)行和等待模式中未使用的外設(shè)時(shí)鐘，同時(shí)還能保持相同的性能和功能。如果Kinetis器件具有大量通信模塊和定時(shí)器，這一點(diǎn)顯得尤為重要。此外，還可以用電源門(mén)控來(lái)關(guān)斷未使用的內(nèi)存和邏輯，進(jìn)一步降低漏電流。

　　Kinetis MCU包括一個(gè)低功率定時(shí)器，它通過(guò)在功率降低狀態(tài)啟動(dòng)連續(xù)的系統(tǒng)運(yùn)作來(lái)提高靈活性。這既可以作為通用定時(shí)器使用，也可以用來(lái)與片上比較器一起對(duì)比較器輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。最后，低電壓檢測(cè)(LVD)單元支持兩個(gè)低電壓檢測(cè)觸發(fā)點(diǎn)，每觸發(fā)點(diǎn)上有四個(gè)警告級(jí)。它可以被配置為在電源電壓變化時(shí)生成復(fù)位或中斷信號(hào)，從而保證內(nèi)存內(nèi)容和MCU系統(tǒng)狀態(tài)的安全。

　　低功率觸摸感應(yīng)

　　所有Kinetis MCU都采用了飛思卡爾新推出的Xtrinsic觸摸感應(yīng)技術(shù)。通過(guò)創(chuàng)建觸摸啟動(dòng)按鈕、滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)式用戶界面，Xtrinsic提供了可以替代傳統(tǒng)機(jī)械式按鍵開(kāi)關(guān)的現(xiàn)代產(chǎn)品。同時(shí)從美觀的角度考慮，觸摸感應(yīng)接口還具有設(shè)計(jì)靈活、所需維護(hù)少，能支持不同感應(yīng)級(jí)別和覆蓋表面的功能。以上優(yōu)勢(shì)使得該技術(shù)不但被用于最新消費(fèi)電子產(chǎn)品，在家電、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制面板等都得到了廣泛使用。觸摸感應(yīng)輸入(TSI)模塊還能提供更多好處，該模塊在啟動(dòng)后只需要使用最小電流加法器，就能在所有低功率模式中正常運(yùn)作。這使得大量電池供電應(yīng)用都可以采用觸摸感應(yīng)技術(shù)，而這在以前是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

　　TSI模塊中包括一個(gè)內(nèi)部定期掃描單元，它針對(duì)低功率和運(yùn)行模式提供獨(dú)立的掃描間歇。這使得用戶可以設(shè)置較長(zhǎng)的掃描間歇以最大限度降低功耗。而在運(yùn)行模式中可以將掃描間歇縮短，以加快觸摸響應(yīng)。

　　如圖3所示，TSI模塊提供可編程的高電容和低電容閾值，并且在檢測(cè)到TSI事件之前CPU在該范圍一直會(huì)保持休眠模式。發(fā)生觸摸操作時(shí)，瞬時(shí)電極電容被檢測(cè)到超出閾值定義的范圍，這反過(guò)來(lái)就會(huì)觸發(fā)TSI中斷，并快速喚醒CPU。一旦觸摸感應(yīng)輸入處理完畢，MCU就可以自由恢復(fù)低功率狀態(tài)。TSI模塊最多可以支持16個(gè)電極/按鍵，每個(gè)電極使用單個(gè)引腳，無(wú)需外部元件，從而降低系統(tǒng)成本。當(dāng)電容測(cè)量分辨率降低到0.02fF時(shí)，它還可以與厚玻璃、塑料和彈性玻璃表面一起使用。此外，電極取樣集成和故障檢測(cè)硬件增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中這是一個(gè)需重點(diǎn)考慮的因素。

　　多種應(yīng)用要求采用鍵盤(pán)、旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)用戶界面。為滿足這些需求，飛思卡爾提供了觸摸感應(yīng)軟件(TSS)庫(kù)，它完全兼容CodeWarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)。TSS庫(kù)的特性包括智能自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制(可預(yù)防環(huán)境問(wèn)題)，噪聲抑制算法，優(yōu)化的緩沖結(jié)構(gòu)(支持任何電極排列)和用于電極表征(輔以演示和應(yīng)用實(shí)例)的PC GUI應(yīng)用。
低功率分段LCD

　　分段LCD顯示器常用于一些對(duì)功率敏感的應(yīng)用，用于提供指令、監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)以及顯示操作/功能處理或提供結(jié)果。在大多數(shù)系統(tǒng)中，LCD可以一直供電(即使在低功耗模式中)，以便顯示狀態(tài)、電池使用狀況或每日時(shí)段信息。因此，LCD消耗的功率不得對(duì)電池壽命產(chǎn)生不良影響非常重要。Kinetis K30和K40 MCU系列包括靈活的分段LCD控制器(該控制器支持大量多達(dá)320個(gè)分段的3V和5V LCD面板)，主要設(shè)計(jì)用于低功率系統(tǒng)。這些MCU系列支持64KB～512KB的閃存。

　　LCD控制器在所有CPU運(yùn)行模式下運(yùn)行，包括極低漏電停止模式。除非芯片在復(fù)位狀態(tài)，否則屏幕將顯示信息，而無(wú)需關(guān)注MCU其余部分。一個(gè)重要特性就是它能夠支持閃爍模式運(yùn)作，該模式允許以1/8秒、1/4秒、1/2秒、1秒、2秒、4秒和8秒的間歇打開(kāi)和關(guān)閉分段，以提醒注意顯示器的這一部分或僅在循環(huán)關(guān)閉一半時(shí)保留電源。由于閃爍是在LCD模塊的一小部分中進(jìn)行的，因此不必喚醒CPU、總線或MCU的其余部分，該MCU也能運(yùn)行。?遼了富峁乇賬?蟹侄危??誑膳渲玫納了鈣詡洌?贛悶聊簧了岡蚩梢韻允靜煌?氖?蕁＠?謎飧齬δ?，MCU無(wú)需推出低功耗模式，就可以通過(guò)支持LCD閃爍實(shí)現(xiàn)較低的平均功耗，如圖4所示。

　　最大限度減少外部元件數(shù)量還有助于提高系統(tǒng)的電池壽命，并且LCD控制器通過(guò)電荷泵生成前面板和背板顯示信號(hào)，此時(shí)電荷泵僅需要4個(gè)外部電容器。

　　LCD的數(shù)據(jù)還保留在距離LCD最近的位置(在面板單元上)。與LCD數(shù)據(jù)保存在芯片內(nèi)部的寄存器不同，短數(shù)據(jù)路徑去除了克服中央寄存器和I/O引腳之間加載所必需的驅(qū)動(dòng)，這使得LCD驅(qū)動(dòng)器電壓域得以減小。

　　綜合起來(lái)，這些低功耗特性可以延長(zhǎng)許多消費(fèi)電子、工業(yè)和無(wú)線LCD終端產(chǎn)品的使用壽命。LCD控制器的其他功能包括：能夠通過(guò)軟件將任意LCD引腳配置為前面板或背板，因而無(wú)需成本高昂的硬件重設(shè)計(jì)就能對(duì)LCD設(shè)計(jì)進(jìn)行修改;能夠防止錯(cuò)誤顯示器讀數(shù)的創(chuàng)新分段故障檢測(cè)功能;支持背板、前面板或GPIO功能的多功能LCD引腳。

　　支持低功率解決方案

　　借助Kinetis系列產(chǎn)品，飛思卡爾致力于低功率MCU的不斷創(chuàng)新。這不僅適用于MCU本身，同時(shí)也適用于支持它的開(kāi)發(fā)工具和設(shè)計(jì)資源。Kinetis MCU獲得廣泛的整套應(yīng)用筆記、參考設(shè)計(jì)和培訓(xùn)材料支持。同時(shí)還有強(qiáng)大的第三方工具系列加以完善，如IAR系統(tǒng)的Embedded Workbench IDE，該IDE集成了創(chuàng)新的電源調(diào)試和分析工具。這些功能使得軟件開(kāi)發(fā)商能夠?qū)⒊绦驁?zhí)行的關(guān)鍵事件與功耗相映射，進(jìn)而修改其源代碼以滿足功率曲線的要求。

　　如今的應(yīng)用程序不僅僅要求低功率。在越來(lái)越多的情形下，它還要求大量性能、內(nèi)存和外設(shè)選項(xiàng)，因?yàn)榈凸某蔀楦嘟K端產(chǎn)品的關(guān)鍵需求。Kinetis MCU具有業(yè)界最新的低功率技術(shù)，多種低功率工作模式(可根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化)，一組豐富的低功率人機(jī)接口外設(shè)以及完善的支持，因而是滿足該需求的理想之選。