淺談Microchip低功耗微控制器芯片的數據表

　　低功耗微控制器是一種需求旺盛的產品，受雙重設計驅動，需要：（1）節省能源以降低設備的運營成本；（2） 滿足手持式電池供電設備的嚴格能源預算。大多數 MCU 芯片供應商都提供低功耗產品，這些制造商總是吹噓他們的 MCU 如何具有最低功耗。雖然這些說法可能有道理，但在使用嵌入式處理器進行設計時，您必須確保了解我的一位工程朋友所說的“哦，順便說一下”。

　　本文旨在幫助您查看詳細信息，而不僅僅是比較數據表第一頁上的要點。它將幫助您熟悉 MCU 選擇的架構，并檢查為典型的低功耗 MCU 收集的規格，可從Microchip Technology、Renesas、Texas Instruments和Freescale都致力于幫助您為您的應用選擇合適的嵌入式 MCU。

　　在此過程中，我們將指出以下因素：

• 　　掉電模式
• 　　時鐘系統
• 　　事件驅動能力
• 　　片上外設
• 　　漏電流
• 　　很多電源管理選項

　　首先讓我們考慮一下 Microchip PIC24FJ128GA310（圖 1）。這款 16 位處理器是工程師的最愛，因為它采用 Microchip 的納瓦 XLP 技術，具有 60 x 8 LCD 控制器，并采用 64/80/100 引腳封裝。該器件還具有五個外部中斷、一個六通道 DMA、一個可編程 32 位 CRC 發生器和七個比較/PWM 模塊。

　　圖 1：Microchip 的 PIC24FJ128GA310 系列 MCU 框圖。

　　該芯片的數據表宣傳了多種電源管理選項，用于“極端”降低功耗（因此有 XLP 標簽）、過渡到備用電池的規定以及運行 RT 日歷/時鐘 （RTCC） 時的低功耗。它具有允許幾乎完全斷電的深度睡眠模式，能夠通過外部觸發喚醒以及可以選擇性地關閉外圍設備和/或內核的睡眠和空閑模式。

　　在深度睡眠中，主穩壓器關閉，低功耗穩壓器打開，所有電源都從芯片內核中移除。核心和外圍設備無法正常工作。只有 RTCC 和兩個寄存器可用。在這種模式下，該芯片僅從 2.0 V 電源或 40 nA 的 3.3 V 電源中消耗 10 nA - 如果您打開 RTCC，則為 400 nA。您也可以留在 WDT，這通常需要 270 nA。

　　現在，再深入一點，在 85°C 時，深度睡眠數顯著上升至 2.0 V 時的 1.1 μA 和 3.3 V 時的 1.4 μA，并且 RTCC 再次增加了 400 nA——這是在整個溫度范圍內保持不變的。喚醒時間僅為 200 μs。

　　PIC24 還具有 LV 睡眠模式，其中主穩壓器關閉，而特殊的低功耗穩壓器打開。整個芯片已通電，但 LCD、RTCC 和定時器等外圍設備處于關閉狀態，如果啟用，將增加功率。在 2 V 時，規定為 330 nA，但要小心，因為在 85°C 時，該值高達 7.7 μA。還應注意，這些都是典型值，而不是最大值。從該模式喚醒僅需 90 μs。

　　該芯片以 32 MHz 運行，產生高達 16 MIPS，在 2 V 時通常需要 4.8 mA。電流隨 VDD 或溫度變化非常小，因為 IC 有一個穩壓器為內核供電。此測量的設置是從閃存執行的代碼，沒有啟用外設，也沒有 I/O 驅動，時鐘來自外部源。運行 A/D 在 25°C 時增加 750 μA，RT 時鐘在所有溫度下增加 400 nA。

　　許多安全功能

　　16 位瑞薩電子 RL78/G14 （ R5F1006EASP） MCU（圖 2）在 32 MHz 時提供高達 44 DMIPS 的性能，其 85% 的指令在一個時鐘周期內執行。該控制器具有 64 KB 的閃存（高達 500 K 可用），并具有精度高達 64 MHz 的 16 位電機定時器和包括六通道互補 PWM 在內的五種操作模式。它具有許多安全功能，包括 CRC、非法內存訪問檢測和 IEC/UL 60730 支持。它的工作電壓為 1.6 至 5 V，具有 10 通道 10 位 A/D。

　　在停止模式下，RL78/G13 在 32 MHz 至 5.5 V 時需要 0.54 mA。這僅適用于 RTC 降至 0.46 μA。在停止模式下，該數字降至僅 0.23 μA（全部停止，RAM 保留），僅欠壓檢測僅 0.08 μA。

　　停止模式電流只是泄漏（沒有時鐘開啟）并且在更高的溫度下會顯著上升。MCU 中所有部件（門、寄存器、RAM）的泄漏通常為 0.9 μA，但在 85°C 時指定為最大值 3.3 μA。

　　有功電流在 32 MHz 時為 66 μA/MHz，據說是當今市場上最低的。但是，這僅用于運行 NOP，因此在 32 MHz 時需要 2.1 mA。但是，根據指令組合，電流可以高達 144 μA/MHz，同樣適用于 64 KB 閃存版本的器件。MCU 工作電流額定為 -40° 至 85°C，在整個溫度范圍內具有相同的典型和最大有功電流。當使用高速外部或片上振蕩器時鐘時，從停止到激活的轉換時間最長為 32 μs?？焖?/p>

　　喚醒

　　MSP430F5510TI 的 MSP430 版本（圖 3）具有 32 KB 閃存和 6 KB RAM 以及 10 位或 12 位 A/D 轉換器。該 MCU 包括全速 USB、實時時鐘、DMA、乘法器和比較器以及嵌入式仿真模塊。

　　圖 3：德州儀器 MSP430F5xx 系列的框圖。

　　對于該器件，在使用 3 V 電源從閃存運行的主動模式下，電流消耗在 1 MHz 時僅為 250 μA，在 8 MHz 時為 1.55 mA （193.75 μA/MHz）。

　　在待機狀態下，啟用自喚醒和欠壓復位、完全 RAM 保持、看門狗定時器和電源監控器運行以及 USB 禁用，它需要 –40°C 時 1.1 μA、25°C 時 1.3 μA 和 2.7 μA μA 在 85°C。那里沒有很大的變化，但仍然很重要。如果打開 RT 時鐘，電流在 25°C 時為 2.1 μA，在 85°C 時為 3.6 μA。使用 3V 電源運行 A/D 會增加 75μA。從待機到激活的快速喚醒時間不到 5 μs。

　　十種電源模式

　　接下來讓我們看看飛思卡爾的 32 位 KineTIs K20 系列器件（圖 4）。MK20DX256ZV具有 10-MHz Cortex M4 內核、256 KB 閃存和 25 通道 16 位 A/D 。該器件還具有 CRC、內存保護單元、電容式觸摸單元、WM 和 64 KB SRAM。電源電壓范圍為 1.71 至 3.6 V，可管理 1.25 Dhrystone MIPS/MHz。

　　圖 4：飛思卡爾 MK20DX256ZV MCU 的特性。

　　以 12.5 MHz 運行，外設關閉電源電流約為 5.5 mA，在 85°C 時電流大致相同。該芯片有 10 種電源模式。在 CPU 靜止的停止模式下，所有寄存器都保持不變且 A/D 處于活動狀態，來自 2.0 v 電源的電流約為 310 μA。在 85°C 時，在相同模式下，電流為 380 μA。從停止模式喚醒的時間為 4.5 μs。在 K20 的最低功耗模式下，僅保留 32 字節寄存器，電流僅為 220 nA（電源 = 3.0 V），但在 85°C 時上升至 5.50 μA。從該模式到完全運行需要 130 μs。

　　概括

　　對于所有 MCU，檢查您使用的確切版本的電源非常重要。如果您決定使用更多閃存的芯片，您的泄漏電流將成比例增加，這在高溫下尤其重要。對于此處包含的一些數據，典型規格很容易獲得，但應該注意的是，最大規格實際上是唯一重要的，因此您可能需要更深入地挖掘?？傮w而言，選擇低功耗 MCU 可能是一項耗時且艱巨的任務，但對于那些花時間學習架構特性和可能選擇的更廣泛操作參數的人來說，回報將是能夠更好地滿足苛刻的功率預算的設計。