低功耗微控制器是一種按需產品,由雙設計需求驅動:(1)節(jié)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(shù)MCU芯片供應商都提供低功耗產品,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節(jié),不僅僅是比較數(shù)據(jù)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(tǒng)
事件驅動功能
片上外設
漏電流
許多電源管理選項
首先考慮Microchip PIC24FJ128GA310(圖1)。這款16位處理器是工程師的最愛,因為它采用了Microchip的nanoWatt 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(fā)生器和七個比較/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,用于“極端”功耗降低(因此XLP標簽),轉換為備用電池的規(guī)定,以及運行RT日歷/時鐘(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,可以選擇性地關閉外圍設備和/或核心。
在深度睡眠中,主調節(jié)器關閉,低功率調節(jié)器打開,所有電源都從芯片的核心移除。核心和外圍設備是無功能的。只有RTCC和兩個寄存器可用。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,則RTCC的電流為400 nA。您也可以離開WDT,通常需要270 nA。
現(xiàn)在,看起來更深一點,在85°C時,深度睡眠數(shù)量在2.0 V時大幅上升至1.1μA,在3.3 V時則達到1.4μA,RTCC再次增加400 nA - 在整個溫度范圍內保持恒定。喚醒時間僅為200μs。
PIC24還具有低壓休眠模式,其中主穩(wěn)壓器關閉,并打開一個特殊的低功耗穩(wěn)壓器。整個芯片都通電,但LCD,RTCC和定時器等外設都關閉,如果啟用則會增加功率。在2 V時,指定為330 nA,但要小心,因為在85°C時這最高可達7.7μA。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90μs。
運行頻率為32 MHz,最高可達16 MIPS,芯片通常在2 V時需要4.8 mA電流。由于IC具有為內核供電的穩(wěn)壓器,因此VDD或溫度的電流變化非常小。此測量的設置是從閃存執(zhí)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750μA,RT時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時提供高達44 DMIPS的性能,85%的指令在一個時鐘周期內執(zhí)行。該控制器具有64 KB的閃存(最高可達500 K),具有高達64 MHz運行的精密16位電機定時器和五種工作模式,包括一個六通道互補PWM。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),僅欠壓檢測僅為0.08μA。
停止模式電流只是泄漏(沒有時鐘開啟),并且在較高溫度下會顯著上升。 MCU中的所有內部(門,寄存器,RAM)的泄漏通常為0.9μA,但在85°C時最大值為3.3μA。
有源電流在32 MHz時為66μA/MHz,據(jù)稱是目前市場上最低的。這僅適用于運行NOP,因此在32 MHz時需要2.1 mA。但是,根據(jù)指令組合,電流可以高達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,在整個溫度范圍內具有相同的典型和最大有效電流。當使用高速外部或片內振蕩器時鐘時,從停止到有效的轉換時間最大為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:德克薩斯州的方塊圖儀器MSP430F5xx系列。
對于此器件,在采用3 V電源的閃存運行的工作模式下,1 MHz時的電流消耗僅為250μA,8 MHz時的電流消耗為1.55 mA(193.75μA/MHz)。
在待機狀態(tài)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(jiān)控器操作以及USB禁用,在-40°C時需要1.1μA,在25°C時需要1.3μA ,在85°C時為2.7μA。那里沒有太大的變化,但仍然很重要。如果打開RT時鐘,電流在25°C時為2.1μA,在85°C時為3.6μA。使用3 V電源運行A/D可增加75μA電流。從待機到激活,快速喚醒時間不到5μs。
您可以在Digi-key網站上找到有關MSP430系列功耗的TI產品培訓模塊。
十種功耗模式下一步讓我們來看看其32位Kinetis K20系列中的飛思卡爾器件(圖4)。 MK20DX256ZV具有10 MHz Cortex M4內核,256 KB閃存和25通道16位A/D.該器件還具有CRC,存儲器保護單元,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。
運行在12.5 MHz且外圍設備關斷電源電流約為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并且A/D有效,來自2.0 V電源的電流約為310μA。在85°C時,在相同模式下,電流為380μA。停止模式的喚醒時間為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時上升至5.50μA。從這種模式完全操作需要130μs。
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