降低MCU能源消耗 延长电池寿命

来源:华强电子网 作者:—— 时间:2010-11-08 10:08

能耗 电池寿命

对一个嵌入式系统而言,20年的电池寿命乍一看是一个不现实的目标。毕竟,对日常生活中随处可见的电池供电产品,再充电之间的时间是用小时来衡量的,而我们的看法还受到“待机时间”和“通话时间”(针对手机而言)等指标的影响,尽管这些指标在实践中很难达到。电池寿命是以年数来测量的,可以延长到几十年,不过只对扩大了的产品类别才行得通,包括温度传感器和其他环境监测装置、住宅及商业楼宇自动化传感器以及安全和医疗系统。这些产品之间的共同点是,它们必须在没有外接电源,也没有操作员干预的情形下长期运行;还因为无法进入或成本的原因,电池无法更换。这些产品的性质也决定了它们所用的电池必须要小;通常不可以通过增加容量来获得额外的使用寿命。它们需要从电源类别如“能源敏感”的应用中得到最长的使用寿命。

在一般使用过程中,许多电池的货架寿命不会超过10年,但纽扣电池的耐力较长,虽然纽扣电池的寿命可预计为20 - 25年,设计者还是必须把电池的自放电率纳入其计算中。

能源敏感的应用必须最大限度地使用电池提供的所有电荷。设计会围绕一个微控制器进行,而很长的电池寿命是可能做得到的,因为,在一个典型的应用中,MCU会在度深睡眠模式中花掉大部分时间。低占空比本身不足以确保达到长电池寿命的目标,必须优化MCU操作的每个方面以使用最低的电源量。

32位内核将从唤醒到关机的时间减到最少

Energy Micro的节能“Gecko”EFM- 32微控制器采用一个ARM Cortex - M3的32位内核,如图1所示。乍一看这似乎与最低功耗的需要有矛盾:低功耗的MCU一直在通过使用成熟的8位内核的最新版本设法尽量减少MCU内核的门数,尽管事实上,它们的处理能力几乎不能满足今天许多应用的需要。 现代的32位内核可以提供一个非常有效的选择; 它采用今天的IC设计师们使用的全套低功耗设计技术,使Energy Micro公司可以生产出一个ARM Cortex - M3内核来运行来自闪存的典型应用代码,使用的电量只有180μA/MHz。认真使用这些相同的技术可保证数字测量正确,下降到低的时钟速率,而不仅是一个峰值性能数字。在达到性能目标时将某个应用调到最大功率是个重要因素。M3内核采用既定的Thumb2指令集架构,产生出非常紧凑的低内存代码,进一步降低了电源需求。

EFM 32 Gecko的独特架构使外围设备功能模块要设计为低功耗运行的目的更强了。

32位内核的计算能力对Gecko MCU所采用的节能策略是很重要的,可以概括为尽量少地唤醒微控制器:当它被带出深度睡眠模式时,要尽快执行所要求的处理任务,采用任何给定任务真正需要的最少资源,然后再回到深度睡眠中。通过对电荷单元的思考- 产品的电流和时间,如图2所示, 可以在最大程度上优化电池寿命。32位内核是一个优越的解决方案,不仅因为它本身就是低功耗,而且因为它可以在较少的微秒中完成处理任务。实际上,要增加该装置在深睡眠模式下花费的任务周期比例,电流水平低至20nA(以最低的,完整的关断模式)或900nA(保持通电复位和掉电检测,加上实时时钟,并保留RAM内容和CPU状态)是很有意义的。

《国际电子商情》

一个节能MCU内核可通过完整的唤醒/操作/返回睡眠周期节省几个不同区域的能量。

综合单芯片的功能集

一体化是限制电源的一个重要因素。由于一整套片上外围设备,Gecko CPU形成了一个有绝对最低的外部元件的系统基础。其内核包括片上闪存(达128 KB)和RAM(达16 KB),有1系列的串行接口包括UART(标准和低功耗),USARTs和 I2C,其多个数字I / O达到了90个引脚;几个不同的定时器/计数器模块也将产生PWM输出,而模块包括模拟/数字和数字/模拟转换器。其它的片上硬件不仅包括一个用来直接驱动1个4x40段显示器的LCD控制器模块,也包括一个为AES加密的加速功能。

低功率应用越来越多 –例如,手持终端设备 – 要求数据加密;节能MCU包括的模块将处理加密和解密128 - 或256位密钥,体现了降低功率的整体战略。Cortex - M3内核可以随时执行AES功能,但其它硬件支持软件程序的速度要快20至80倍,因此控制器内核可在较少时间内变得活跃。

事实上,只是简单提到MCU的主动或深睡眠模式还过于简单化;一系列的五级操作配置使设计师能精确地将设备的处理能力与任何时刻的应用计算需要匹配 在一起,只使用最低的基本电流去完成一个特定的任务,见图3。同样,任何外围设备都可以在不需要时完全关闭。

EFM32 Gecko微控制器的关键属性是它提供给用户的能源模式选择

和非常省电的逻辑一样重要,芯片上的每个混合信号模块也以最小的功率达到了很高的性能。 8通道,12位ADC在全分辨率时只用了200 μA和1 Msamples/秒的转换率,使用6位分辨率和1 ksample/秒样品的较简单的测量只用了500 nA。12位DAC在500 ksamples/秒时也只用了200μA,。其它混合信号功能,如内部电压调节器和欠压检测器也同样有效。

自主外围设备绕过CPU以节约电源

尽管有一个高效的32位处理器内核资源,Energy Micro公司的设计人员认识到在典型应用中还有很多功能没有达到全面的处理能力,如果在待机状态下,即使是最节能的内核也会使用较少的电源。和标准的32位一样,ARM架构总线与芯片上所有的功能性模块互联,一个辅助总线或互连矩阵被称为外围设备反射系统。如图4所示,使用该互连,外围设备就能从ARM内核中与外围设备沟通,无任何干扰。

《国际电子商情》

使用Energy Micro的'外围设备反射系统' - 一个复杂的互连矩阵—完成简单任务如开展数据转换和存储可执行结果、完全唤醒32位处理器内核

以一个温度传感器为例,它每分钟都要收集数据,但只是每隔一小时或每隔一天报告一次 - 或当它积累了一定的数据量时。芯片可以保持睡眠状态,而计时器每分钟通过外围设备反射系统开始其ADC转换。 然后DMA控制器不需要启动CPU就将结果移到了RAM。然后,在更长的时间间隔内,内部定时器可单独唤醒主要内核,运行适当的通信协议并上传累计的测量数据。

系统设计采用EFM- 32 MCU, 得到了一个开发平台的支持,实现了通过应用代码详细测量能源消耗的哲学思想。到MCU的电流被先进能源监视器采样和集成,放出来自电源的充足电荷,使设计师们能用他们的代码探索和优化不同的节能战略。

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