突破电路设计桎梏 32位元MCU功耗再降

2013-12-04 13:09:18来源: 互联网

物联网与智慧生活风潮兴起,带动市场对高效能且低功耗的32位元微控制器(MCU)需求增温,因此微控制器业者已积极从制程和中央处理器(CPU)核心选择,以及电路设计等层面着手,以降低动态与静态功耗,并兼顾整体运算效能。

  传统的低功耗微控制器(MCU)设计都是以8位元MCU为主,因为8位元内核阈门相对较少,运行或泄露的电流低,售价也相对低廉。然而,许多新兴的应用皆需要比8位元内核更大的处理效率。

  近年智慧生活的抬头、物联网的兴起,手持式消费性电子产品与无线功能需求愈来愈高、设计愈来愈复杂,要提高性能的同时又要兼顾低功耗,需要有一高性能、低功耗的主控MCU做为平台。此外,工业上的智慧化也在展开,如远端监控、数位化、网路化等。简言之,云端应用和物联网需求越来越多,已导致产品功能愈来愈复杂,运算需求愈来愈高。

  2009年安谋国际(ARM)发表32位元Cortex-M0内核,提供MCU厂商一个强而有力的平台,加上制程微缩技术的进步,嵌入式快闪记忆体制程普及化及降价,主要成本来自记忆体大小及类比周边和输入输出(I/O)接脚数量,中央处理器(CPU)内核的成本差异已大幅缩短,更促进高性价比32位元低功耗MCU的快速发展。

  运行与静态耗电量组成MCU功耗

  在开始讨论低功耗MCU设计前,必须先探讨MCU功耗的来源,其主要由静态功耗及运行功耗两部分组成。实际的应用,须藉由计算平均功耗,决定最后系统功耗性能指标。

  动态功耗与工作电压和频率相关

  现代MCU已整合相当多的类比周边,不能单纯考量数位电路的动态功耗。MCU运行时的总功耗,由类比周边功耗和数位周边的动态功耗相加而得。类比电路的功耗通常由工作电压及其性能要求指标来决定,如100奈秒传递延迟(Propagation Delay)的比较器工作电流可能约为40微安培;当允许传递延迟规格为1微秒时,工作电流有机会降到个位数微安培。

  数位电路的动态功耗主要来自开关频率、电压及等效负载电容,其计算公式如下:

  PDynamic(动态功耗)~f(工作频率)xCL(等效负载电容)xVDD2(工作电压)

  由以上公式可以理解到降低动态功耗最直接的方式,为降低工作电压及工作频率,但MCU实际应用面通常要求更宽广的工作电压及更高的效能。在降低工作电压方面,可以选择更先进的制程,并透过线性稳压器(LDO)让CPU内核、数位电路及与接脚输出入电压无关的类比周边在低压操作;I/O接脚及须与其他外部电路连接的类比周边,则在较高的系统电压操作,如此可以兼顾低功耗及宽工作电压的需求。

  在降低工作频率这项参数上,一个设计优良的32位元MCU更能突显其效能优势,除了直觉的每秒可执行多少百万指令(MIPS)比较之外,32位元汇流排也代表更高的资料存取频宽,能以更低的工作频率达到相同的效能,进而降低整体功耗。另外,若MCU内建与操作频率相关的类比周边,例如石英晶体振荡电路、嵌入式快闪记忆体或电流式数位类比转换器(DAC),其电流消耗与转换频率成正比,也要纳入低功耗MCU的动态功耗设计考量。

  静态功耗缩减挑战重重

  传统静态功耗的定义是指系统时脉源关闭时,数位电路的漏电流,但是在混合讯号低功耗MCU的设计中,要同时考虑下列多种漏电流来源,包含数位电路漏电流、静态随机存取记忆体(SRAM)漏电流、待机时已关闭的模拟电路漏电流(例如ADC、嵌入式快闪记忆体)、待机时不关闭的模拟电路工作电流(如LDO、电压不足侦测(BOD))及I/O接脚的漏电流。

  由于时脉源已关闭,影响静态功耗的主要参数为制程、电压及温度。也因此,降低静态功耗必须选择超低功耗制程,但是低功耗制程通常伴随较高的Vt,导致低电压类比周边设计困难。另外,以MCU待机电流1微安培的规格,代表数位电路漏电+随机存取记忆体(RAM)保持电流+LDO工作电流+降压侦测或重置电路(BOD)工作电流总和必须小于1微安培,对于快闪记忆体、RAM越来越大,及功能越来越多的低功耗MCU设计厂商而言,是十分艰钜的挑战。

  运行、待机和唤醒时间不容忽视

  在系统级要兼顾低功耗及高效能,必须考虑实际应用面的需求,如无线环境感测器可能让MCU主时脉及CPU关闭,只开启低频时脉,定时唤醒周边电路进行侦测;当符合设定条件的事件发生时,快速启动CPU进行处理;即使没有任何事件发生,也必须定时唤醒CPU,维持无线感测器网路的连线。

  在遥控器的应用中,则可能完全将所有时脉源都关闭,当使用者按键时,快速唤醒时脉源及CPU进行处理。另外,许多应用都会加入一个MCU做为主处理器的辅助处理器,用于监控键盘或红外线输入、刷新显示器、控制主处理器电源及智慧电池管理等任务。此时,平均功耗比单纯的运行功耗或待机功耗,更具指标性意义。

  平均功耗由运行功耗和运行时间、静态功耗和待机时间,以及不同运行模式之间的切换时间等主要参数组合而成。兹以图1进行说明。

  

  图1 不同运行时间电流大小的变化

  平均电流(IAVG)=(I1xT1+I2xT2+I3xT3+I4xT4+I5xT5+I6xT6)/(T1+T2+T3+T4+T5+T6)

  因为进入待机模式时间很短,忽略此段时间的电流消耗,公式可以简化为:

  平均电流(IAVG)=(I1xT1+I3x 3+I4xT4+I5xT5+I6xT6)/(T1+T3+T4+T5+T6)

  由以上公式观察到,除了降低运行电流及静态待机电流外,降低运行时间、唤醒时间及高低速运行模式切换时间,亦为降低整机功耗的重要手段。另外,图1同时指出,低功耗MCU支援动态切换运行时脉频率是必要的功能。

  实现低功耗MCU设计 开发商考量须面面俱到

  低功耗MCU设计考量包括制程选择、低功耗/高效能CPU核心、低功耗数位电路、支援多种工作模式、电源系统、丰富的唤醒机制/快速唤醒时间、低功耗类比周边与记忆体等,以下将进一步说明之。

  制程选择至关重要

  为了达到低功耗的运作,并能有效地在低耗电待机模式下,达到极低的待机功耗,制程的选择极为重要。在不强调速度极致的某些制程分类,选择极低元件截止电流制程(图2)进行逻辑闸制作,并进行数位设计是方法之一。

  

  图2 不同制程元件截止和晶片待机电流变化

  选择这种策略的额外效益是,通常也能降低动态操作电流,达到较佳的表现。另外,由于高温大幅增加静态电流,当温度由摄氏25度增加到摄氏85度时,一个典型比例约增加十倍的静态电流。以非低功耗0.18微米制程,开发逻辑阀门数200K、4KB SRAM的32位元MCU为例,在核心电压1.8伏特、摄氏25度的静态耗电约为5?10微安培;当温度升高到摄氏85度时,静待电流将会飙高到50~100微安培;而若采用低功耗制程,在摄氏85度时,静态电流仅约10微安培。

  选用低功耗/高效能的CPU内核

  早期低功耗MCU受限于成本及制程技术,大都选择8位元CPU内核,但随着工业智慧化的发展,导致产品功能更加复杂,运算量更高,8位元MCU已逐渐无法满足效能需求;为了兼顾低功耗高效能,选择适用的32位元CPU内核乃大势所趋。

  选择低功耗CPU内核,除了单位频率耗电流外,还须要综合考量小容量的低记忆体代码,相同功能所需的代码越长,除了增加记忆体成本,也代表更长的运行时间及功耗。另外,由于软体开发成本在后期将会越来越高,大量的参考代码及更多的第三方开发商的支持,均可有效降低软体的开发时间及成本。也因此,选择一款更多人使用的CPU内核也是重要的考量之一。

  控制数位电路时脉

  对于一般的同步数位电路设计,要使数位单元有效降低操作电流,透过控制时脉的频率或截止不需要的时脉跳动,也是重要的方法。低功耗MCU通常配备丰富的时脉控制单元,可对个别的数位周边单元,依照需求做降频或升频的操作调整,在达到运作能力的同时,用最低的频率来运行。但为了达到更弹性的时脉配置,可能导致CPU内核和周边电路时脉不同步的现象,此时必须仔细考虑电路设计,保证跨时脉领域资料存取的正确性。

  另外,为了尽量降低CPU介入处理时间或降低CPU工作频率而节省下来的功耗,可提供直接记忆体存取(DMA)或周边电路相互触发电路进行资料的传递,如定时器(Timer)定时自动触发ADC或DAC,并透过DMA进行资料由ADC到RAM,或者RAM到DAC的搬移,同时在ADC的输入可以增加简单的数位滤波及平滑化电路,如此不须要CPU经常介入处理,也不会因为须要即时处理ADC或DAC事件,导致中断程序占用太多时间,降低系统的即时性及稳定性。

  支援多种工作模式

  为了配合不同的应用需求,并达到系统平均功耗的最小化,低功耗MCU须要提供多种操作模式,让使用者灵活调配应用,常见的操作模式有下列数种:

  .正常运行模式

  CPU内核及周边正常工作,能即时改变CPU及周边的工作频率(On the Fly)或关闭不需要的时脉源,以获得最佳的工作效能。

  .低频工作模式

CPU内核及周边工作于低频的时脉源,如32.768kHz晶振或内部低频10K电阻电容(RC)振荡

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关键字:电路设计  32位元  MCU功耗

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1204/article_21534.html
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