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消费和工业应用中的低功耗考量

发布时间:2020-06-30 20:29:14 阅读: 来源:皮带轮厂家

消费和工业市场要求在新产品设计中提高能源效率。便携产品需要新一代技术来延长电池使用寿命,而大型产品(如白色家电)则需要提高能源效率来保持竞争优势。很多情况下,利用电子组件替换机械组件可以降低板卡功耗,附加的软件控制能够精确调整应用的功率性能。产品组件的不断进步让工程师能够使用新概念和新技术解决初期产品的功率使用限制问题。微控制器(MCU)是降低功耗的主要因素,这是基于以下两点原因:首先,MCU自身在消耗功率;其次,MCU负责控制同样会消耗功率的其他系统组件。因此,MCU制造商需要在他们的最新产品设计中结合一些低功耗特性。本文将重点介绍目前有哪些举措可满足这一市场需求、已经使用了什么方法、以及需要增加哪些功能来减少功耗。同时,本文还对在应用设计中如何充分利用这些方法和功能进行了阐述。低功耗的MCU芯片以Freescale为例,其Flexis系列MCU实现了消费电子和工业应用领域的低功耗设计。从RS08到飞思卡尔性能最出色的 ColdFire v4处理设备,都是Controller Continuum利用兼容性能,提供性能频谱向上或向下轻松移植的路径。Controller Continuum上的连接点是S08和ColdFire v1微控制器,它们共用外围设备和开发工具,以实现最好的移植灵活性。许多Flexis微控制器设备之间具有引脚对引脚的兼容性,允许控制器交换,无须重新设计板卡,并让MC9S08QE128 (S08)和MCF51 QE128 (ColdFire v1)保持原来的样子。功率与性能对比系统设计人员必须平衡功耗(主要测量参数,单位A)和性能(单位MIPS)之间的关系,才能满足应用的需求。总之,组件计时越快,消耗的功率越高。在运行时间最长的应用中,最经济高效的解决方案就是将运行速度降到系统能够允许的最低速度。电机控制就是一个很好的例子。如果关键功能是通过 ADC信道来转换信号,根据Nyquist定律,ADC的计时速度不可能低于最低频率,从而限制运行MCU的速度。在许多案例中,该应用会尽快执行预定任务,以便MCU快速转换到很低的功率状态,从而实现最低整体功耗。例如,烟感器只需要每5秒钟唤醒一次,读取数据、做出决策、然后回复睡眠状态。这种方法在使用电池的设备中非常普遍。这类系统有将近99%的时间都处于睡眠状态。为了启用这类系统,将快速时钟开关和快速唤醒程序整合可帮助应用设计者达到他们的目标功耗要求。图1和图2分别是烟感器模块图和功率与时间对比图。MCU包括一个烟室主输入和两个输出——警报和发光二极管(LED)。MCU上的实时时钟(RTC)模块可以从“停止2”(Stop 2)模式上定期唤醒设备,支持运算放大器读取数据和处理数据,确定LED和警报状态。然后MCU重新进入停止2模式以节约能量。HCS08在停止2模式中需要的电流比ColdFire V1控制器相同部件所需电流略低,但S08 CPU具有的内置数据处理功能也更低。图2对两种设备的功率和时隙进行了对比,以帮助选择最适合具体应用情况的解决方案。在任务执行速度是最关键问题的应用中,MCF51QE128 ColdFire V1微控制器设备可能是更好的解决方案。这两种产品的引脚兼容性意味着可以使用相同板卡、软件和工具,快速、轻松地从一种策略移植到另一种策略。图1 烟感器模块图图2功率与事件对比图时钟选择QE128(包括S08和ColdFire v1微控制器产品)的核心是内部时钟源模块(ICS),如图3所示。这个模块支持设计人员选择32kHz~16MHz的任意外部参考时钟(ERCLK)或者选择可在31.25~39.06kHz之间进行修整的任意内部参考时钟(IRCLK)。ICS的核心是锁频环(FLL)模块,该模块能将输入时钟提高数倍,最高可达50MHz。FLL的输入时钟也称FLL参考时钟。该时钟必须在 31.25~39.06kHz频率范围才能让FLL运行正常。这对内部FLL参考时钟来说操作并不复杂,要做的全部事情就是将频率修整到正确范围。外部参考时钟频率高达16MHz,可以通过参考分配器(RDIV)分压,可编程数量为1~1024个。如果需要低频总线,还可以避开FLL。将时钟信号输入 ICSOUT信号之前,可以使用另一个分配器模块即总线频率分配器(BDIV)将时钟信号除以1、2、4或8,所以MCU总线时钟是ICSOUT除以2。图3内部时钟源模块ICS还控制一个独立的1kHz的低功率振荡器(LPO),该设备可供RTC和看门狗(COP)使用。这种功能可以用于达到EN60730标准的要求。EN60730标准专门针对家电及类似应用的自动电控。实现MCU灵活性的关键是能够在不同模块上同时使用内部和外部振荡器源。这意味着一些模块的运行速度要低于另一些模块,从而可以降低功耗

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