低功率時(shí)鐘選項(xiàng)——滿(mǎn)足客戶(hù)的低功率需求

不斷增長(zhǎng)的低功率電子設(shè)備需求在消費(fèi)、工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)的各個(gè)角落隨處可見(jiàn)，無(wú)論應(yīng)用是由市電供電還是電池供電。不斷上漲的能源成本、更高的競(jìng)爭(zhēng)基準(zhǔn)要求和日益嚴(yán)格的立法控制只是對(duì)最新一代電子產(chǎn)品提出更高功效要求的幾個(gè)要素。

通過(guò)深入到最新的微控制器(MCU)的核心，就有可能從根本上實(shí)現(xiàn)低功耗。本文一開(kāi)始先介紹了飛思卡爾MC9S08系列產(chǎn)品提供的幾種不同時(shí)鐘模塊，然后詳細(xì)介紹了多功能時(shí)鐘發(fā)生器(MCG)提供不同時(shí)鐘選項(xiàng)。這種發(fā)生器是當(dāng)今系列產(chǎn)品中最靈活的模塊。本文向讀者介紹時(shí)鐘選擇對(duì)于在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低功率運(yùn)行是多么重要。

本文介紹了MCG的工作原理，并詳細(xì)介紹了幫助降低功耗的一些屬性，如鎖相環(huán)(PLL)、鎖頻環(huán)(FLL)、分頻系數(shù)，最后討論了這些屬性如何影響時(shí)鐘的精確性。

時(shí)鐘考慮

時(shí)鐘負(fù)責(zé)在整個(gè)CPU和其他MCU外圍設(shè)備中提供基本定時(shí)和同步信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)由外部源(如水晶)或內(nèi)部源(如RC電路)提供。應(yīng)用將最終確定采用哪一種時(shí)鐘源，因?yàn)槊恳环N時(shí)鐘源都有自己的優(yōu)勢(shì)。

從根本上講，MCU的時(shí)鐘速度越快，該設(shè)備的功耗越高，反之亦然。為了延長(zhǎng)電池供電設(shè)備的壽命或者設(shè)計(jì)更小巧、更簡(jiǎn)單的電源(針對(duì)市電供電應(yīng)用)，降低微控制器的功耗非常重要。時(shí)鐘只是微控制器中影響功耗的眾多特性之一。

飛思卡爾的多功能時(shí)鐘發(fā)生器

在飛思卡爾的8位MC9S08系列產(chǎn)品中，您可以采用內(nèi)部時(shí)鐘源(ICS)、內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器(ICG)或多功能時(shí)鐘發(fā)生器(MCG)，具體取決于用戶(hù)選擇哪種MCU。在采用飛思卡爾設(shè)備的各種應(yīng)用中，有3種模塊可以用來(lái)支持這些應(yīng)用。每一種時(shí)鐘模塊都具有相似的屬性，ICS可以被看作是ICG的一個(gè)子集，MCG可以被看作是ICS和ICG的合并。MCG在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了高端應(yīng)用的需求，而ICS則恰恰相反，它適合體積較小、對(duì)成本敏感的MC9S08設(shè)備。盡管MCG可提供最廣泛的功能，但有時(shí)結(jié)合使用ICS和ICG 可能并不合適，因?yàn)槟承?yīng)用可能只需要ICS和ICG分別提供的功能。表格1對(duì)這3種時(shí)鐘模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)單對(duì)比。

1 帶有ICS的模塊可能不包含振蕩器，因?yàn)樗鼈兛赡軟](méi)有足夠數(shù)量的針腳。在沒(méi)有外部時(shí)鐘源的情況下，模塊只有3種運(yùn)行模式。

2 這些不包括“關(guān)閉”模式。

由于功能的增加，MCG是3種模塊中功能最多的模塊。PLL、FLL、內(nèi)部或外部生成的參考時(shí)鐘可以為用戶(hù)提供多種選擇。圖1顯示了MCG的結(jié)構(gòu)圖。

PLL電路可以為設(shè)計(jì)人員提供精度最高的時(shí)鐘解決方案。它采用了外部振蕩器，但內(nèi)部參考時(shí)鐘可以最大限度地節(jié)約功率。因此我們可以采用8種不同模式運(yùn)行該模塊。用戶(hù)可以在他們的應(yīng)用中隨時(shí)在這些模式之間切換：

·FLL Engaged Internal(FEI)

·FLL Engaged External(FEE)

·FLL Bypassed Internal(FBI)

·FLL Bypassed External(FBE)

·PLL Engaged External(PEE)

·PLL Bypassed External(PBE)

·Bypassed Low Power Internal(BLPI)

·Bypassed low Power External(BLPE)

每一種運(yùn)行模式的全部細(xì)節(jié)不在本文討論范圍之內(nèi)，但有關(guān)MCG 運(yùn)行模式的信息可以從飛思卡爾技術(shù)培訓(xùn)中心(http://www.freescale.com/training)提供的MC9S08 MCG在線(xiàn)培訓(xùn)資料中獲取。根據(jù)MCG支持的應(yīng)用的不同，上述每一種模式都具有它們獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

不同運(yùn)行模式的功耗互不相同。我們可以這樣說(shuō)，采用內(nèi)部組件的模式所消耗的功率少于采用外部組件的模式。而MCG包括兩種專(zhuān)門(mén)為低功率應(yīng)用設(shè)計(jì)的模式——旁通低功耗內(nèi)部(BLPI)和旁通低功耗外部(BLPE)。驅(qū)動(dòng)BLPI模式的總線(xiàn)頻率要比BLPE 模式低，因此BLPI 模式消耗的功率最小。圖2總結(jié)了每一種運(yùn)行模式的功耗。

旁通低功耗運(yùn)行模式

在這些模式中，F(xiàn)LL或PLL被旁通，系統(tǒng)時(shí)鐘源從內(nèi)部時(shí)鐘(BLPI)或外部參考時(shí)鐘(BLPE)中獲得。要了解涉及旁通鎖環(huán)電路的低功耗運(yùn)行模式，我們應(yīng)注意PLL/FLL的運(yùn)行方式。PLL有輸入時(shí)鐘信號(hào)必須經(jīng)過(guò)的幾個(gè)階段，如圖3所示。

PLL的目的是不斷對(duì)比輸入信號(hào)的相位和輸出信號(hào)的相位并調(diào)節(jié)出現(xiàn)的任何差異，從而保持頻率信號(hào)。一般而言，PLL包括一個(gè)相位檢測(cè)器、低通過(guò)濾器和電壓控制振蕩器(VCO)。相位檢測(cè)器對(duì)兩種輸入值的相位進(jìn)行對(duì)比并提供與相位差異成比例的輸出，然后這些輸出通過(guò)低通過(guò)濾器過(guò)濾。VCO負(fù)責(zé)將頻率輸出轉(zhuǎn)換成相位輸出，最后一個(gè)階段提供輸入反饋(負(fù)的)，以便重新開(kāi)始整個(gè)過(guò)程。很明顯，保持非常精確的時(shí)鐘源的過(guò)程可能需要大量功率。FLL的運(yùn)行方式稍有不同，它可以鎖定頻率而不是相位。因此旁通PLL(或FLL)階段并使用外部/內(nèi)部時(shí)鐘源消耗的功率更低，但代價(jià)是整體時(shí)鐘精確性的下降。直接時(shí)鐘源的精確性由水晶(外部源)或RC電路(內(nèi)部源)的質(zhì)量決定。

這些低功耗旁通模式可以進(jìn)一步降低功耗，因?yàn)樗鼈冞\(yùn)行時(shí)不需要啟動(dòng)后臺(tái)調(diào)試通信(BDC)設(shè)備。這意味著這些運(yùn)行模式下不能進(jìn)行調(diào)試。然而，如果需要BDC，該模塊會(huì)自動(dòng)切換到可處理BDC的適當(dāng)旁通運(yùn)行模式(即FBE、FBI或PBE)。

由于 PLL/FLL沒(méi)有運(yùn)行，導(dǎo)致兩種模式出現(xiàn)固定頻率范圍。在BLPI模式中，內(nèi)部參考生成器 固定為31.25kHz-39.06kHz，因此總體功耗最低。另一方面，BLPE模式的頻率范圍非常大(低范圍：32kHz-38.4kHz;高范圍：1MHz–16MHz)，因?yàn)镻LL/FLL不會(huì)對(duì)外部參考頻率設(shè)定任何限制。在MCG控制寄存器2中，用戶(hù)還可以選擇總線(xiàn)分配器(BDIV)位功能，使時(shí)鐘源可以除以1、2、4或8系數(shù)——注意，更低的總線(xiàn)時(shí)鐘速度可進(jìn)一步降低功耗 。

MCG控制寄存器 2還包含其他基本位，使模塊可以以低功耗運(yùn)行。低功耗選擇(LP)位控制在旁通模式下是否禁用PLL(FLL)。這種具體操作已在前面討論過(guò)。該寄存器還包含一個(gè)高增益振蕩器(HGO)選擇位，可以控制外部振蕩器。用戶(hù)定義設(shè)備是否應(yīng)當(dāng)以高增益還是低功耗運(yùn)行。為了最大限度地降低功耗，低功耗模式將限制振蕩器針腳上的電壓擺動(dòng)，而高增益運(yùn)行會(huì)帶動(dòng)振蕩器針腳上的軌至軌(rail-to-rail)電壓擺動(dòng)。

MCG寄存器的其他功能包括MCG狀態(tài)、控制寄存器鎖丟失和時(shí)鐘監(jiān)控器位丟失。如果發(fā)生鎖/時(shí)鐘丟失事件，這些功能會(huì)觸發(fā)中斷/復(fù)位操作。關(guān)閉這些功能可以進(jìn)一步降低功耗，但也會(huì)降低系統(tǒng)的強(qiáng)韌性。

結(jié)論

MC9S08DZ系列產(chǎn)品中目前提供的MCG模塊能夠?yàn)閼?yīng)用設(shè)計(jì)人員提供多種運(yùn)行模式。這些模式都具有不同屬性，適合各種應(yīng)用。PEE模式可通過(guò)采用外部源(盡管是PLL)提供最高的時(shí)鐘準(zhǔn)確率，但代價(jià)是功耗最高。相反，BLPI模式下時(shí)鐘速度最慢，消耗的功率也最低。顯然，性能提高，功耗也會(huì)相應(yīng)增加。

還有一些措施可以進(jìn)一步降低功耗，如關(guān)閉時(shí)鐘丟失和鎖丟失功能及利用總線(xiàn)頻率分配器功能。后一種屬性可用于任何運(yùn)行模式，可以幫助降低功率而不需要利用旁通模式。