擺脫功耗限制束縛，需要?jiǎng)?chuàng)新MCU技術(shù)

擺脫功耗限制束縛，需要?jiǎng)?chuàng)新MCU技術(shù)

在飛速發(fā)展的集成電子等行業(yè)中，無(wú)法預(yù)見(jiàn)客戶需求巨大變化的供應(yīng)商正處于丟失商機(jī)的風(fēng)口浪尖；尤其當(dāng)他們無(wú)法做出快速響應(yīng)并提供恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案的話，則更具風(fēng)險(xiǎn)。一段時(shí)間以來(lái)，半導(dǎo)體供應(yīng)商已追隨著行業(yè)發(fā)展的腳步，推出了功耗更低、運(yùn)行速度更快的器件。然而，目前行業(yè)的發(fā)展動(dòng)向使得一些頗具前瞻性的制造商將目光投向這一長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)。

集成處理器的出現(xiàn)使得諸如“您需要多強(qiáng)的處理性能？”這樣的問(wèn)題，總是會(huì)得到“越強(qiáng)越好”這樣直截了當(dāng)?shù)拇鸢浮５?，隨著處理技術(shù)的發(fā)展，在平衡處理能力和運(yùn)行功耗上遇到了重大的難題。因此，上述問(wèn)題的答案如今更傾向于“只要滿足功耗預(yù)算，處理能力越強(qiáng)越好?！?

與許多其他預(yù)算相似，基于類似的原因，功耗預(yù)算也在不斷縮減。產(chǎn)出和消耗功率都需要花錢，因此對(duì)功耗進(jìn)行限制并非新鮮事。 如今，設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)必須符合法規(guī)和商業(yè)的功耗預(yù)算，在電池供電設(shè)備中這樣的要求尤為突出。

目前，對(duì)設(shè)備運(yùn)行功率的檢測(cè)日趨嚴(yán)格，人們的注意力正逐步轉(zhuǎn)向待機(jī)功耗；增加晶體管數(shù)目勢(shì)必會(huì)增大待機(jī)功耗。業(yè)界的另一個(gè)趨勢(shì)是，必須延長(zhǎng)電池供電設(shè)備的工作壽命--有時(shí)應(yīng)做到數(shù)年不必充電或更換電池。這就對(duì)器件提出了更高要求：不僅工作時(shí)功耗低，并且在不工作時(shí)也要幾乎沒(méi)有功耗。

這要求研發(fā)人員開(kāi)發(fā)出專門針對(duì)功耗限制應(yīng)用的解決方案，而且這種要求與日俱增?？沙潆婋姵氐匿N量每年上升約20%，而便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備的銷量以10%的增長(zhǎng)率持續(xù)飆升。由于絕大多數(shù)便攜式設(shè)備均由某種類型的蓄電池供電，這又反映出對(duì)器件的另一種需求：不僅關(guān)注工作時(shí)的功耗，還要關(guān)注所有階段的整體功耗。

電池供電設(shè)備的一個(gè)不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域是消費(fèi)類電子產(chǎn)品，這類產(chǎn)品通常被設(shè)計(jì)成密封式，因而必須充一次電就能維持長(zhǎng)時(shí)間工作。此外，還包括任何使用高靈敏度檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用。例如，煙霧或一氧化碳檢測(cè)器以及新興的家用醫(yī)療診斷市場(chǎng)。其他的高級(jí)儀表測(cè)量或監(jiān)視設(shè)備，比如溫控器、 進(jìn)出跟蹤或門禁系統(tǒng)也屬于此類應(yīng)用。

上述應(yīng)用都有一個(gè)突出的共性，即大多數(shù)時(shí)間都處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)但并不工作。這是區(qū)別于那些在不使用時(shí)呈關(guān)機(jī)狀態(tài)的應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。這也意味著這些設(shè)備在不工作時(shí)所消耗的功率成為決定設(shè)備使用壽命的最重要因素，當(dāng)然也是延長(zhǎng)設(shè)備壽命最需要關(guān)注的方面。

半導(dǎo)體制造商必須應(yīng)對(duì)的一種趨勢(shì)是，從晶體管逐步發(fā)展起來(lái)的集成器件在待機(jī)條件下的功耗越低越好。例如，Microchip最新推出的nanoWatt XLP系列PIC單片機(jī)（MCU）就是針對(duì)此類應(yīng)用。

nanoWatt XLP系列器件是目前世界上休眠模式下功耗最低的MCU，僅消耗20nA以下的電流。這意味著在工作周期的絕大多數(shù)時(shí)間里，其功耗小于當(dāng)今任何其他的MCU，從而真正實(shí)現(xiàn)將功耗受限設(shè)備的使用壽命延長(zhǎng)至20年以上。

實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行的關(guān)鍵在于Microchip專門為此類器件開(kāi)發(fā)的先進(jìn)的nanoWatt XLP超低功耗技術(shù)。在這些復(fù)雜的器件中，額外引入了一個(gè)深度休眠模式，使得MCU架構(gòu)中越來(lái)越多的部件在長(zhǎng)時(shí)間停止工作時(shí)關(guān)閉。這樣做的作用是從物理上切斷集成電路中大部分部件的電源，從而消除了與集成晶體管有關(guān)的功耗泄漏或“靜態(tài)”功耗。這樣的泄漏或消耗會(huì)使現(xiàn)代集成器件的漏電流快速增加，從而使得那些不夠完善的架構(gòu)無(wú)法將待機(jī)電流降至接近20nA。

Microchip的nanoWatt XLP技術(shù)最初應(yīng)用在PIC MCU的30多款產(chǎn)品中，涵蓋了6個(gè)系列，包括8位器件和16位器件。 這就使得工程師在選擇適合其應(yīng)用的器件時(shí)有了很大的空間，不必以犧牲超低功耗這一優(yōu)點(diǎn)為代價(jià)。Microchip還計(jì)劃將來(lái)要推出更多采用nanoWatt XLP技術(shù)的器件，包含各種封裝和存儲(chǔ)器配置。

nanoWatt XLP器件中還集成了一系列兼容外設(shè)，進(jìn)一步擴(kuò)充了此類器件的應(yīng)用領(lǐng)域。這些外設(shè)包括對(duì)USB的完全支持以及Microchip的mTouch電容觸摸傳感技術(shù)，這一技術(shù)提供了低成本低功耗的用戶接口解決方案。

這些高級(jí)外設(shè)采用了Microchip的外設(shè)引腳選擇技術(shù)，允許在必要時(shí)將外設(shè)映射到不同的I/O引腳。有了這些外設(shè)的配合，nanoWatt XLP器件能夠用于大多數(shù)常見(jiàn)的低功耗應(yīng)用，同時(shí)提供靈活的用戶接口選項(xiàng)。

設(shè)計(jì)功耗受限應(yīng)用的工程師要考慮的重點(diǎn)是如何進(jìn)入和退出低功耗模式，而nanoWatt XLP技術(shù)恰能極好地處理這個(gè)問(wèn)題。通常，針對(duì)低功耗應(yīng)用的MCU通過(guò)在休眠模式下禁止MCU的許多中斷特性來(lái)實(shí)現(xiàn)低待機(jī)電流。事實(shí)上，這使得許多應(yīng)用根本無(wú)法使用休眠模式，這是因?yàn)槠骷仨氁揽考軜?gòu)中某一必須始終保持工作的部件來(lái)退出休眠模式。

Microchip通過(guò)實(shí)現(xiàn)靈活的休眠模式克服了這一明顯的缺點(diǎn)，這些休眠模式有大量的喚醒源。工程師可根據(jù)具體應(yīng)用采用能顯著降低待機(jī)電流的傳統(tǒng)休眠模式之一，或使用將待機(jī)電流降至僅為20 nA的業(yè)界最低值的新型深度休眠模式。這種休眠模式通過(guò)移除器件中幾乎所有功能模塊的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)如此低的電流，在估計(jì)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不工作的場(chǎng)合最為合適，正如前面羅列的應(yīng)用示例。

這一靈活性使得nanoWatt XLP技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到了極致，而不會(huì)遭遇以往無(wú)法使用休眠模式的尷尬。通過(guò)進(jìn)入深度休眠模式，從物理上切斷MCU大多數(shù)功能模塊的電源，徹底解決了與功耗泄漏有關(guān)的問(wèn)題。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷在深度休眠模式下保持工作，使得對(duì)時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用保持同步。同樣處于工作狀態(tài)的還有深度休眠看門狗定時(shí)器和深度休眠欠壓復(fù)位電路，它們?yōu)镸CU提供了至關(guān)重要的喚醒源。已運(yùn)用最新的低功耗技術(shù)和晶體管技術(shù)重新設(shè)計(jì)了這些功能模塊，以使其功耗需求最小。

其他休眠模式根據(jù)應(yīng)用的具體需求，提供更多種類的喚醒源。使用現(xiàn)有的各種休眠模式，可以逐漸節(jié)省更多功耗，同時(shí)滿足應(yīng)用的需求。

大多數(shù)半導(dǎo)體制造商都不得不面臨人們對(duì)超低功耗MCU的需求。Microchip采取了大膽而創(chuàng)新的舉措，重新定義了其基本技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)這樣的需求，由于人們?cè)絹?lái)越多地依賴于便攜式和功耗受限產(chǎn)品，因此這樣的需求正不斷增長(zhǎng)。