Energy Micro超低功耗設(shè)計延長“能源敏感應(yīng)用”的使用壽命
Rasmus Christian Larsen, Energy Micro的支持和培訓(xùn)經(jīng)理
“能源敏感應(yīng)用”的配置不斷增加，它是指設(shè)備必須 ? 因為各種原因 ? 用一個單一電池長時間運作。通常包括的應(yīng)用有能源計量、傳感器網(wǎng)絡(luò)或環(huán)境監(jiān)測的其它形式，在這些應(yīng)用中設(shè)備的占空比很低，因此希望運行多年而不會受到用戶干預(yù)。
許多這些設(shè)備將使用流行的CR2032紐扣電池；一種3V的鋰/二氧化錳原電池。與5.6kΩ負(fù)載的2V終點電壓一樣，這些紐扣電池的典型容量為230mAh，相當(dāng)于約0.5毫安的放電，這使它們的壽命長達(dá)400小時。但是，這種紐扣電池設(shè)計具有約為0.25μA的自放電率，這意味著它的保質(zhì)期會長達(dá)20年。 在這兩個極端之間的就是能源敏感的應(yīng)用；它在低電壓下運行的設(shè)備中電流消耗最小， 還提供可靠、可持續(xù)的功能。因此，很明顯，任何希望用一個單紐扣電池就實現(xiàn)類似主動壽命的應(yīng)用都需要能夠?qū)⑵骄枨罅烤S持在約0.25μA。
壽命需要之所以要如此長是因為它所涉及到的應(yīng)用領(lǐng)域。在通常情形下，這種新興設(shè)備類別針對的是消費者，其零售價格支持不了電池更換。它也可能是指那些無法訪問區(qū)域的配置，必須在沒有額外電源的情況下可靠地運行多年。重要的是，這是一個發(fā)展中的應(yīng)用領(lǐng)域，很需要非常低功率的綜合解決方案。
歷史上這些應(yīng)用都包括一個低功耗微控制器, 任務(wù)是提供一切所需的計算能力，同時也負(fù)責(zé)管理自己的睡眠周期，以節(jié)省電力。 微控制器的晶體管數(shù)量通常很小，它們的設(shè)計最大限度地減少了主動功耗和被動泄漏 ? 十分重視超低功耗設(shè)計，過程特別像節(jié)點收縮。在這些應(yīng)用中的微控制器將在睡眠模式下花掉盡可能多的時間，對簡單充電，不定期做測量的設(shè)備來說, 要花掉99.9％的時間并不少見。
因此，這種方法主要集中于降低在那些睡眠時間內(nèi)保存的電量，在它們能做到的電力保存方面的技術(shù)已經(jīng)陷入僵局。
人們從根本上質(zhì)疑這種做法，因為它能實現(xiàn)的主動功耗很有限，其基礎(chǔ)是每個時鐘周期要求的電源產(chǎn)品和完成處理任務(wù)所需的時鐘周期數(shù)。
隨著人們對正常運行時間的要求變得更長了，該行業(yè)正在從整體上看待問題，考慮能源如何才能不僅用于睡眠模式，而且用于每個操作模式。量身訂做的開發(fā)解決方案更加接近這些消耗資源的應(yīng)用，使產(chǎn)品的開發(fā)能用一個單一的原電池運行10年，15年，甚至20年。
圖2.紐扣電池一生中的電荷量很有限。設(shè)計者必須在MCU運作的各個階段盡量減少電流和時間產(chǎn)品 - 不僅是每個微安計數(shù)，而且對每個動作的每微秒也是如此。
Dallas Semiconductor推出DS87C550 EPROM 高速微控制器。該器件以業(yè)界最快的8051型處理器為內(nèi)核，加以其它特殊電路以適應(yīng)各種實時應(yīng)用場合，如：電池充電器、工業(yè)與科研測試或診斷儀器、家用電器、TV、錄像機、音響等。
該微控制器高效的指令執(zhí)行方式可消除不必要的時鐘和存儲周期，因此它執(zhí)行8051指令的速度在相同的晶振速度下比原來的8051結(jié)構(gòu)快3倍。其內(nèi)部集成有10位A/D轉(zhuǎn)換器，可接納8通道的模擬輸入，該芯片還有4通道8位脈寬調(diào)制模塊(PWM)。
產(chǎn)品以68腳PLCC、68腳窗口式CLCC和80腳PQFP封裝，批量為10K時起價11美元。
觀念的改變
由于微控制器的定位，在這個能源敏感的產(chǎn)品范疇內(nèi)，開發(fā)者已經(jīng)嚴(yán)重依賴于8位設(shè)備。微控制器在執(zhí)行相對簡單的任務(wù)時會比較有效，所以很自然，他們會首選為在這一新興的應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計，其中加工方面的需要首先受到了限制。然而，由于這個市場領(lǐng)域的發(fā)展，人們對處理能力的需求日益增加，導(dǎo)致微控制器離開了其運作的最佳區(qū)域。人們對更復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理、接口和通訊的需要意味著資源有限的微控制器在性能和能耗方面不能再提供最高效率了。
當(dāng)面對更多處理能力的需要時，自然而然地就會轉(zhuǎn)移到32位架構(gòu)。但是這種處理器類別攜帶有較高的晶體管數(shù)量，因而有較高水平的靜電/泄漏電源。事實上，ARM Cortex - M3在實施一個非常低的泄漏過程時會配合或提高一個典型的8位微控制器的靜電/泄漏電流數(shù)字。
無論是否有靜電泄漏，任何內(nèi)核在主動處理時所消耗的電源將大大增加整個電源預(yù)算。在操作時，Energy Micro在其首個產(chǎn)品系列 EFM32 Gecko中采用ARM Cortex - M3，其在正常運行的情況下只消耗了很少的180μA/MHz, 明顯低于其競爭架構(gòu)或Cortex - M3的其它執(zhí)行方式。Energy Micro已經(jīng)通過認(rèn)真實施低漏電工藝實現(xiàn)了這個目標(biāo)，并保持了低功耗運行的首要設(shè)計目標(biāo)。
本質(zhì)上，CMOS晶體管消耗的大部分主動電流發(fā)生在切換時。通過開發(fā)先進(jìn)的門控同步時鐘結(jié)構(gòu)，EFM32架構(gòu)隨時保持最少的開關(guān)，大大減少了不必要的晶體開關(guān)數(shù)量。這對主動電源極為有效，它通過總線架構(gòu)延伸，甚至到達(dá)執(zhí)行程序內(nèi)存的內(nèi)核。該架構(gòu)的設(shè)計很方便直接運行閃存，可通過減少訪問內(nèi)存來進(jìn)一步省電。
Cortex - M3的另一個顯著優(yōu)勢是它提供了先進(jìn)的睡眠模式，在EFM32里得到了進(jìn)一步增強。由于這些設(shè)備在睡眠模式下花掉了大多數(shù)的運行壽命，在睡眠模式下提供盡可能多的靈活度很有意義。EFM32提供5種睡眠模式, ’運行模式’（EM0）花費了180μA/MHz而’關(guān)斷模式’只花費20nA（EM4）。 
圖3.EFM32 Gecko微控制器可提供能源模式選擇，例如，在完整的關(guān)閉模式中電流消耗僅有20nA，而在深度睡眠模式下僅有900nA。[!--empirenews.page--]
任何微處理器的電源配置包括兩個主要內(nèi)容，基線力量 - 包括功能模塊使用的電源，如電壓調(diào)節(jié)器和電流偏置發(fā)生器 ? 以及頻率相關(guān)因素。Energy Micro的方法是要特別注意基線功耗，在較低的頻率時這些功耗不會不受損，而某些架構(gòu)會受損。
以EFM32系列為基礎(chǔ)的Cortex - M3不僅注重于降低內(nèi)核的功耗，而且注重于支撐架構(gòu)。功能模塊調(diào)制器、比較器和振蕩器在設(shè)計時都必須要考慮到應(yīng)用，移進(jìn)和移出睡眠模式都要求這些功能模塊也進(jìn)入省電狀態(tài)，不言而喻，睡眠模式越深,它要把一個設(shè)備恢復(fù)到全速需要的時間越長。 
圖4. EFM32 Gecko的獨特架構(gòu)為低功率操作的設(shè)計目的提供了廣泛的外圍設(shè)備功能模塊。例如，4 × 40段LCD控制器的運行僅需要550nA。
EFM32總共使用6個定制設(shè)計的振蕩器，提供快速的喚醒時間，使內(nèi)核從睡眠模式中更快開始處理。它通過使用僅有0.5微秒啟動時間的內(nèi)部RC振蕩器來達(dá)到這個目的。這使得內(nèi)核可以更快地從睡眠中喚醒、評估和執(zhí)行任務(wù) - 因此電源效率比其它設(shè)備高。
在開發(fā)設(shè)備時如果腦中有這樣的想法，睡眠模式的功能就會有最佳組合，在應(yīng)用開發(fā)過程中為用戶提供最大的靈活性。一個更有能力的內(nèi)核比不那么強大的解決方案需要的處理時間更短，這樣總電源才會降低。具有睡眠模式之間快速有效移動的能力，其結(jié)果其電源曲線大大低于競爭對手的。
為了使開發(fā)者能夠最好使用最佳睡眠狀態(tài)，EFM32的開發(fā)工具包采用一個先進(jìn)的能源監(jiān)控系統(tǒng)來完成，這一設(shè)施使用一個從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器來測量系列晶體管的下降電壓, 從而不斷測量電源軌上的電流。這種測量方法被綜合起來運用，準(zhǔn)確地描繪用了一段時間的電源，使實際使用例子的低功率運行得到了優(yōu)化。
圖5. Energy Micro的EFM32 Gecko MCU系列開發(fā)工具包為用戶提供了一個獨特的先進(jìn)能源監(jiān)控（AEM）系統(tǒng)。通過大量的內(nèi)置LCD屏幕和預(yù)配置的GUI，AEM使用戶可以精確地查看一個原型應(yīng)用的實時電流消耗數(shù)據(jù)，從而及早發(fā)現(xiàn)和清除不良的能量排放。
Cortex - M3內(nèi)核能夠執(zhí)行軟件中的眾多任務(wù)，其低功耗運行決定了某些功能仍可以處理更多的硬件電源效率。為EFM32開發(fā)的外圍設(shè)備用于自主運作，無需內(nèi)核的干預(yù)。使用一個復(fù)雜的互連矩陣--’外圍設(shè)備反射系統(tǒng)’，EFM32的外圍設(shè)備能夠執(zhí)行不喚醒睡眠模式下內(nèi)核的相對復(fù)雜的功能。 在典型應(yīng)用中，例如它可能經(jīng)常使用ADC來進(jìn)行測量。EFM32具有低水平驅(qū)動程序庫的特點，支持Cortex - M3配置自主操作的外圍設(shè)備。這樣，一旦配置好了，它們就可以執(zhí)行許多任務(wù)，無需喚醒內(nèi)核。
圖6使用Energy Micro的’外圍設(shè)備反射系統(tǒng)—一個復(fù)雜的互聯(lián)矩陣—就可以執(zhí)行簡單的任務(wù)如開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲結(jié)果，完全無需喚醒32位處理器內(nèi)核。
使用硬件加速也支持其它處理器密集型功能的卸載，從而加深睡眠狀態(tài)。例如，EFM32實現(xiàn)了硬連線的AES加密塊，這個功能越來越多地被用來保護最普通的數(shù)據(jù)。盡管AES加密算法不是Cortex - M3的一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，把它交給一個硬件加速塊還是可以節(jié)省更多的處理器周期，因此，無需名義上的彌補，就能代表更多的晶體管數(shù)量。
對超低功耗器件的要求，加上有同類領(lǐng)先的節(jié)能特性的超級處理器性能的指數(shù)速度在不斷提高，預(yù)計各種應(yīng)用中將會繼續(xù)使用它們，增加它們的特性。隨著ARM架構(gòu)的普及，Cortex - M3的效率和Thumb2指令集的性能產(chǎn)生出令人矚目的解決方案和理想的平臺，用于未來超低功耗解決方案的開發(fā)。Energy Micro開發(fā)低功率解決方案的整體方法將繼續(xù)下去，基于ARM架構(gòu)和自己在超低功耗設(shè)計方面的專業(yè)知識。
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