实现mcu应用的低功耗

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1、实现MCU应用的低功耗

2、第1图1：PIC18F1320的可编程能力允许对系统中的电源电压进行控制，并控制MCU的系统时钟和睡眠模式。如果你能够很好地理解MCU的硬件配置和手头上的开发工具，那么你就能够降低功耗，从而能够再添加一些应用功能。降低功耗的一个方向是控制嵌入式应用的电源电压幅度。你可能需要在程序执行过程中的某些点上与真实模拟世界进行交互，如果的确有这个需要，你的设计中必须包含模拟电路。对模拟电源电压的要求要高于对数字电源电压的要求。要记住，模拟噪声容限比数字的小得多，而且模拟噪声水平不随工作电压的降低而减小

3、。　　例如，在5V工作电压状态，12位AD转换器能进行优异可靠的转换。同样的12位AD转换器，在2V工作电压状态下，不受噪声影响位数的输出会变少。这是因为，LSB(最低有效位)的位数变小了，而噪声大小不变。这个问题的解决方案是，当仅进行模拟操作时，采用更高的电源电压；而当仅进行数字操作时，切换为更低的电源电压。　　图1展示了一个简单的、基于MCU的电池供电系统，是围绕Microchip的PIC18F1320闪存MCU而设计的。PIC18F1320具有多种空闲模式以及双时钟启动功能等特性，对低功耗设计很有帮助。　　在

4、硬件方面，为了追求更低功耗表现，MCU的外部外设和内部外设都在不断发展。MCU的外部外设可通过降低芯片工作电压及优化电路设计来降低功耗。图1所示的简单例子，就整合了低功耗运放、AD转换器以及可调稳压电荷泵。　　图1中，MCP6041型运放采用CMOS工艺制造，这种运放可以将工作电压降的很低。MCP6041运放由Microchip制造，带宽为14kHz，电流为600nA，供电电压在1.4V至5.5V之间。降低的工作电压与降低的静态电流结合，为电池供电设备的电源管理提供了良好的解决方案。　　集成了内部或外部AD转换器的

5、MCU，转换器的拓扑结构比IC设计创新对MCU功耗的影响更大。例如，同Δ-∑AD转换器相比，SAR(逐次逼近寄存器)A/D转换器的转换时间和消耗电流之比就低得多。在电池供电应用中往往采用SAR模式的A/D转换器，除非是需要分辨率和精度更高的应用。　　图1的电源是可调的。5V电压用于模拟处理相得益彰，2V电压用在数字电路恰倒好处。图1的可调节电源转换器在低输出电流、锂离子电池供电(4.2V到2.8V)情况下，具有很高的效率。基于这些原因，该设计采用了一款稳压可调的电荷泵式DC/DC转换器(型号为MCP1252-ADJ

6、)。　　对不同的操作控制采用不同的工作电压仅是低功耗设计工作的一半。如时刻将低功耗铭记于心，就会希望在维持MCU某些部分工作的同时，关断其它部分。例如，你可以独立运行MCU中的A/D、D/A转换器或USART通信接口，这些部分仅需局部供电就可以正常工作。　　对外接设备的能耗优化同样重要。此外，将MCU内、外部的外设与MCU的编程能力结合考虑，会切实降低系统功耗。例如，在MCP1252-ADJ中，可以把一个新的电路切换到电阻反馈系统中，这样MCU就能够控制电压。为了确保模拟电路的最佳工作条件，需要电荷泵输出高电压。而

7、MCU的数字电路部分在较低的电压下就能工作。如，PIC18F1320的输出电压为2V至5.5V。通过直接对比电荷泵的两种输出电压就可计算节省的功率。如果把MCU外部外设的供电切断，加在I/O端口上的供电电压又比较低，这样就可以进一步降低功耗。　　控制时钟　　当设计师试图降低嵌入式系统电路的整体功耗时，常常忽略的一个问题就是：在MCU脱离睡眠模式时，如何对时钟进行管理。500)this.style.ouseg(this)">图2：有3个时钟源的MCU。该系统有2个外接时钟源(定时器1和主振荡器)，和1个内部振荡器。如

8、图2所示，一个MCU可以有多个时钟源，最明显的是一个外部时钟源。在此例中，可以将晶振、陶瓷谐振器、内部控制器时钟或一个时钟发生器连接到适当的器件管脚。除了这些生成时钟信号的部件外，MCU可整合前后分频FLL(锁频环)。前后分频器对输入时钟进行分频，FLL还可以倍频输入时钟频率。　　在RTOS(实时操作系统)中，当系统短时唤醒后又进入长时间的睡眠状态，配备时钟管理机制就显得至关重要。如在唤醒时间小于1秒的系统中采用晶振或压电陶瓷谐振器，从睡眠模式唤醒到开始执行指令之间会有一段延时。MCU在此延时和启动期间不会执行指令

9、，而应用电路仍会消耗功率。　　例如，图3显示了4MHz晶振的典型启动时间。在图3中显示该时间大约为450毫秒。假设该晶振是MCU连接的唯一时钟源，分配的程序执行时间是1秒，那么，实际的程序执行时间将比预计的长45%。在时钟启动期间，电路在消耗电能，但又不执行代码。　　在此类应用中，选用内时钟来执行程序更为明智。内时钟几乎与电源同时启动，对4MHz的内时钟而言