如何为嵌入式系统选择最低功耗的微控制器

待机（休眠）电流

实现最大能效（和电池寿命）转化为确保每个MCU任务在尽可能短的时间内以最小可能电压消耗最小可能电流，以便器件将大部分时间用于非常低功耗的睡眠模式。在一些应用中，睡眠模式电流是对整体能量消耗负有最大责任的参数。然而，经常被忽视的是MCU可实现的绝对最小睡眠电流主要受其漏电流的限制。例如，输入泄漏电流规格为100 nA的20输入设备在睡眠模式下可能消耗高达2μA的功率。

泄漏电流受多种因素的影响，但最重要的因素是使用的基础流程技术。在某些情况下，供应商会选择使用0.25或0.35微米工艺技术来降低由泄漏引起的睡眠电流，但这种选择是以更高的有功电流为代价的。在其他情况下，MCU供应商选择使用0.18微米或更小的工艺技术来降低有源模式电流，但这是以更高漏电流为代价的。围绕这一难题的独特解决方案是应用混合信号专业知识来实施先进的电源管理单元（PMU），专门用于限制泄漏并实现超低睡眠电流，无论使用何种基础工艺技术。使用0.25微米或更小的工艺技术，最小化睡眠模式电流需要削减数字核心的功率。在睡眠模式下工作的模块，如电源管理电路，I/O焊盘单元和RTC，必须使用未调节的电源工作，以避免在LDO中烧毁额外的电流。切断数字核心逻辑的电源也可以防止其断态泄漏对睡眠模式电流产生影响;但是，MCU必须在休眠模式下保留RAM内容和所有寄存器的状态，以便代码执行可以从中断处继续。这种保存可以通过一些非常低电流，睡眠模式，锁存偏置方案或通过使用特殊的保持锁存器来执行，该保持锁存器可以将状态保持在睡眠模式而没有显着的泄漏。 MCU还需要某种形式的连续电源电压监控（即“掉电检测”），以便在电源电压低于最小保持电压的情况下复位器件，这可能会破坏状态。

从系统设计人员的角度来看因此，重要的是要检查潜在的漏电流规范，以确定哪些MCU供应商已经应用其混合信号专业知识来解决这一复杂问题。设计人员还应该考虑大多数供应商提供许多不同的待机电流选项的事实。大多数供应商将突出显示其绝对最低睡眠模式电流，这通常对应于实时时钟消耗的电流和禁用掉电检测器。一些供应商会更进一步，并引用关闭模式电流，该电流不会保留存储器并需要复位才能唤醒，这通常不是一个非常实用的模式。因此，由于大多数应用程序都需要完整的RAM和寄存器保留，因此系统设计人员必须根据以下指标进行并排比较：

待机/睡眠模式电流与实时时钟和掉电禁用（具有RAM保持）

待机/睡眠模式电流，实时时钟禁用和掉电启用

待机/睡眠模式电流与实时时钟然后，系统设计人员可以根据应用程序的占空比计算总体待机模式功率预算时使用正确的值。

唤醒能量

如前所述，在使用睡眠模式的系统中，可能会浪费大量功率来唤醒MCU并准备采集或处理数据。实际上，在某些应用中，MCU在退出待机状态时通常会使用与设备完全处理数据时一样多的能量。因此，设计一个MCU以在极短的时间内唤醒和稳定非常重要，以便最大限度地减少在能量浪费状态下花费的时间。

MCU应该能够退出睡眠模式来自外部触发事件或内部计时器。最灵活的周期性唤醒源是一个实时时钟，能够从外部晶体振荡器（用于需要精确定时的应用）或低频内部振荡器运行，无需在低精度应用中使用晶体。避免使用慢启动晶体振荡器作为高速系统时钟;一个准确的，快速启动的片上振荡器是更好的选择。

此外，由于许多产品定期唤醒以使用片上ADC对输入进行采样，因此为数字电路提供足够的时间非常重要唤醒和模拟电路稳定开始进行有效测量。模拟模块的启动行为会对在活动模式下花费的时间量产生重大影响;使用外部去耦电容的稳压器或基准电压源可能需要几毫秒才能稳定下来。有时，MCU供应商只会引用数字电路的唤醒时间，而忽略了模拟电路稳定所需的时间。因此，系统设计人员必须分析数字和模拟电路的整体唤醒和建立时间，以分析这种浪费能源的真实成本。

其他注意事项

当然还有其他注意事项进一步降低系统功耗的方法。例如，通常使用2 x AA/AAA电池配置，因为MCU通常通常可以在低至1.8 V的电压下运行，有时只能降低功能（无ADC;降低指令时钟速度）。降低功耗（和环境影响）的创新方法是将设计转换为单个电池配置，其中电池可以一直运行直至其使用寿命（0.9 V）。为实现这一目标，MCU必须集成高度优化的DC-DC转换器，该转换器可以在电池的最低可用电压下工作，在碱性化学情况下为0.9 V.这种方法还可以节省供应商和/或降低功耗的另一种方法是使用高度集成的MCU，包括ADC，DAC和其他外设，因为MCU可以根据应用的需要控制启用和禁用这些外设。例如，某些MCU提供具有突发模式的专用低功耗ADC，可在CPU关闭时进行模拟测量，以进一步降低功耗。

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