如何為設(shè)計(jì)應(yīng)用選擇合適的嵌入式MCU

低功耗微控制器是一種按需產(chǎn)品，由雙設(shè)計(jì)需求驅(qū)動(dòng)：（1）節(jié)省能源以降低設(shè)備的運(yùn)營(yíng)成本; （2）滿足手持式電池供電設(shè)備的嚴(yán)格能源預(yù)算。大多數(shù)MCU芯片供應(yīng)商都提供低功耗產(chǎn)品，這些制造商總是吹噓自己的MCU如何擁有最低功耗。

本文旨在幫助您查看細(xì)節(jié)，不僅僅是比較數(shù)據(jù)表第一頁(yè)上的要點(diǎn)。它將幫助您熟悉MCU選擇的架構(gòu)，并檢查為Microchip Technology，Renesas，Texas Instruments和Freescale提供的典型低功耗MCU收集的規(guī)范，所有這些都旨在幫助您為您的應(yīng)用選擇合適的嵌入式MCU 。

在此過(guò)程中，我們將指出以下因素：

掉電模式

時(shí)鐘系統(tǒng)

事件驅(qū)動(dòng)功能

片上外設(shè)

漏電流

許多電源管理選項(xiàng)

首先考慮Microchip PIC24FJ128GA310（圖1）。這款16位處理器是工程師的最愛(ài)，因?yàn)樗捎昧薓icrochip的nanoWatt XLP技術(shù)，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(gè)外部中斷，一個(gè)六通道DMA，一個(gè)可編程32位CRC發(fā)生器和七個(gè)比較/PWM模塊。

圖1：Microchip PIC24FJ128GA310系列MCU的框圖。

該芯片的數(shù)據(jù)表提供多種電源管理選項(xiàng)，用于“極端”功耗降低（因此XLP標(biāo)簽），轉(zhuǎn)換為備用電池的規(guī)定，以及運(yùn)行RT日歷/時(shí)鐘（RTCC）的低功耗。它具有深度睡眠模式，允許接近完全斷電，能夠在外部觸發(fā)器上喚醒，以及睡眠和空閑模式，可以選擇性地關(guān)閉外圍設(shè)備和/或核心。

在深度睡眠中，主調(diào)節(jié)器關(guān)閉，低功率調(diào)節(jié)器打開(kāi)，所有電源都從芯片的核心移除。核心和外圍設(shè)備是無(wú)功能的。只有RTCC和兩個(gè)寄存器可用。在這種模式下，芯片在2.0 V電源下僅需10 nA，在3.3 V電源下僅需40 nA - 如果將其打開(kāi)，則RTCC的電流為400 nA。您也可以離開(kāi)WDT，通常需要270 nA。

現(xiàn)在，看起來(lái)更深一點(diǎn)，在85°C時(shí)，深度睡眠數(shù)量在2.0 V時(shí)大幅上升至1.1μA，在3.3 V時(shí)則達(dá)到1.4μA，RTCC再次增加400 nA - 在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持恒定。喚醒時(shí)間僅為200μs。

PIC24還具有低壓休眠模式，其中主穩(wěn)壓器關(guān)閉，并打開(kāi)一個(gè)特殊的低功耗穩(wěn)壓器。整個(gè)芯片都通電，但LCD，RTCC和定時(shí)器等外設(shè)都關(guān)閉，如果啟用則會(huì)增加功率。在2 V時(shí)，指定為330 nA，但要小心，因?yàn)樵?5°C時(shí)這最高可達(dá)7.7μA。還應(yīng)注意，這些都是典型值，而不是最大值。從該模式喚醒僅需90μs。

運(yùn)行頻率為32 MHz，最高可達(dá)16 MIPS，芯片通常在2 V時(shí)需要4.8 mA電流。由于IC具有為內(nèi)核供電的穩(wěn)壓器，因此VDD或溫度的電流變化非常小。此測(cè)量的設(shè)置是從閃存執(zhí)行的代碼，沒(méi)有啟用外設(shè)，也沒(méi)有I/O驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘來(lái)自外部源。運(yùn)行A/D在25°C時(shí)增加750μA，RT時(shí)鐘在所有溫度下增加400 nA。

許多安全功能

16位瑞薩RL78/G14（R5F1006EASP）MCU（圖2）在32 MHz時(shí)提供高達(dá)44 DMIPS的性能，85％的指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。該控制器具有64 KB的閃存（最高可達(dá)500 K），具有高達(dá)64 MHz運(yùn)行的精密16位電機(jī)定時(shí)器和五種工作模式，包括一個(gè)六通道互補(bǔ)PWM。它具有許多安全功能，包括CRC，非法內(nèi)存訪問(wèn)檢測(cè)和IEC/UL 60730支持。它工作電壓為1.6至5 V，具有10通道10位A/D.。

圖2：16位瑞薩RL78/G14。

在停止模式下，RL78/G13在32 MHz時(shí)為0.54 mA，最高為5.5 V.僅RTC為0.46μA。在停止模式下，此數(shù)字僅降至0.23μA（全部停止，RAM保留），僅欠壓檢測(cè)僅為0.08μA。

停止模式電流只是泄漏（沒(méi)有時(shí)鐘開(kāi)啟），并且在較高溫度下會(huì)顯著上升。 MCU中的所有內(nèi)部（門(mén)，寄存器，RAM）的泄漏通常為0.9μA，但在85°C時(shí)最大值為3.3μA。

有源電流在32 MHz時(shí)為66μA/MHz，據(jù)稱是目前市場(chǎng)上最低的。這僅適用于運(yùn)行NOP，因此在32 MHz時(shí)需要2.1 mA。但是，根據(jù)指令組合，電流可以高達(dá)144μA/MHz，同樣適用于64 Kbyte閃存版本的器件。 MCU工作電流額定值為-40°至85°C，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有相同的典型和最大有效電流。當(dāng)使用高速外部或片內(nèi)振蕩器時(shí)鐘時(shí)，從停止到有效的轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為32μs。

快速喚醒

MSP430F5510版本的TI MSP430（圖3）具有32 KB的閃存和6 KB的RAM以及10位或12位A/D轉(zhuǎn)換器。該MCU包括全速USB，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，DMA，乘法器和比較器以及嵌入式仿真模塊。

圖3：德克薩斯州的方塊圖儀器MSP430F5xx系列。

對(duì)于此器件，在采用3 V電源的閃存運(yùn)行的工作模式下，1 MHz時(shí)的電流消耗僅為250μA，8 MHz時(shí)的電流消耗為1.55 mA（193.75μA/MHz）。

在待機(jī)狀態(tài)下，啟用自喚醒和欠壓復(fù)位，完全RAM保持，看門(mén)狗定時(shí)器和電源監(jiān)控器操作以及USB禁用，在-40°C時(shí)需要1.1μA，在25°C時(shí)需要1.3μA ，在85°C時(shí)為2.7μA。那里沒(méi)有太大的變化，但仍然很重要。如果打開(kāi)RT時(shí)鐘，電流在25°C時(shí)為2.1μA，在85°C時(shí)為3.6μA。使用3 V電源運(yùn)行A/D可增加75μA電流。從待機(jī)到激活，快速喚醒時(shí)間不到5μs。

您可以在Digi-key網(wǎng)站上找到有關(guān)MSP430系列功耗的TI產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。

十種功耗模式下一步讓我們來(lái)看看其32位Kinetis K20系列中的飛思卡爾器件（圖4）。 MK20DX256ZV具有10 MHz Cortex M4內(nèi)核，256 KB閃存和25通道16位A/D.該器件還具有CRC，存儲(chǔ)器保護(hù)單元，電容式觸摸單元，WM和64 KB的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。

運(yùn)行在12.5 MHz且外圍設(shè)備關(guān)斷電源電流約為5.5 mA，在85°C時(shí)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并且A/D有效，來(lái)自2.0 V電源的電流約為310μA。在85°C時(shí)，在相同模式下，電流為380μA。停止模式的喚醒時(shí)間為4.5μs。在K20的最低功耗模式下，僅保留32字節(jié)寄存器，電流僅為220 nA（電源= 3.0 V），但在85°C時(shí)上升至5.50μA。從這種模式完全操作需要130μs。