設計超低功耗的嵌入式應用（二）：五種電源模式詳解

來源：電子工程專輯  作者：Sachin Gupta、Kannan2014年09月05日 10:07

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[導讀] 通常說來，SoC相對于傳統MCU而言能支持更多低功耗模式。

關鍵詞：CR2032SOCLCD

　　通常說來，SoC相對于傳統MCU而言能支持更多低功耗模式。其原因在于SoC集成度高，有更多片上組件和多種電源配置，以支持不同的工作需求。電源模式的數量與每種模式下的可用資源根據器件會有所不同。舉例來說，在某種低功耗模式下，某個器件能在僅保持寄存器和RAM內容的情況下給所有其它組件斷電，而另一種器件則只是給CPU斷電，而讓其它資源繼續運行。不同制造商會對這些模式采取不同的命名方法。在本文中，我們將以賽普拉斯的PSoC 4器件為例來詳細介紹各種電源模式。

　　以下電源模式也得到其它制造商的大多數設備的支持：

　　●工作模式

　　●休眠模式

　　●深度休眠模式

　　●冬眠模式

　　●停止模式

　　下面我們來看看這些電源模式的具體情況：

　　1.工作模式：在此模式下，CPU和所有片上其它資源都正常工作運行。該模式是系統整體功耗的最主要組成部分。在此模式下，如果不使用的話，可將芯片上的各種外設分別斷電。

　　2.休眠：這是控制器另一種常見的電源模式。該模式主要與CPU有關。當CPU進入休眠狀態后，其時鐘移除。CPU這時對總功耗的唯一影響就是靜態功耗，因為這時已經沒有時鐘開關切換工作，也就不會有動態功耗。ADC和比較器等其它外設在此模式下可用。

　　3. 深度休眠：此電源模式下即便是系統時鐘也被禁用，所以在此模式下所有高頻資源都不可用。不過，這些資源的當前狀態不受影響，也就是說CPU寄存器、 SRAM等的當前狀態不受影響。由于高頻時鐘被禁用，因此能節約開關消耗的功率。通常情況下，深度休眠模式提供低頻時鐘運行的選項，低頻時鐘可用來驅動定時器等低頻資源。此外，該模式也允許開發人員使用I2C從設備等通信協議塊，其無需器件自身生成時鐘。由于進入此模式的主要方法就是禁用系統主時鐘，因此這是可以實現的。然而，模塊仍然可通電。該模式對功耗的影響主要在于片上所有時鐘的靜態功耗。

　　4.冬眠：在此模式下，所有時鐘都關閉，包括低速振蕩器。片上所有資源，除了用于外部事件觸發喚醒的資源以外全都斷電。由于本模式下幾乎所有組件都斷電，因此該模式能減少靜態和動態功耗組件，從而實現最低功耗。

　　5.停止：顧名思義，停止模式就是所有外設斷電，即使是RAM和CPU寄存器的內容也不保持。在PSoC 4等類似器件中，這種模式下僅保持IO引腳的狀態。從這種模式下喚醒會進入芯片重啟動。

　　當分析一款應用的功耗時，必須查看所有電源模式下的功耗情況。

　　必須明確某種模式下能提供喚醒源。舉例來說，需要某種中斷才能從休眠模式喚醒，在冬眠模式下則需要I2C地址匹配中斷以喚醒器件。需要了解每種模式下有哪些資源工作，能提供什么喚醒資源。舉例來說，系統中可用比較器中斷作為喚醒源，在超出設定閾值情況下可用模擬輸入喚醒系統。就圖1所示的應用而言，喚醒需要采用GPIO中斷或者甚至硬復位，因為RTC會隨時運行，而且控制器不需要保持此前的狀態。

　　冬眠和停止模式下，功耗可低至100nA。對于RTC本身而言，您會很容易找到功耗很低的RTC（僅消耗100-200nA）。假設控制器直接驅動LCD，我們可認為LCD的關閉狀態功耗為零。

　　這就使得圖1所示系統中的平均功耗在300nA的范圍內。如果我們假設設計方案采用CR2032作為電源，電池容量約為225mAh。就300nA的電流來說，電池僅在器件始終處于斷電模式下能支持70到80年的工作。

　　每次按下按鍵，控制器都會喚醒。這會將控制器的功耗提升到500μA-1mA的范圍。假設功耗為1mA左右，控制器從RTC獲取數據并顯示在LCD上。控制器執行這項工作只需很短的時間，但顯示屏要保持較長工作時間（假設說顯示屏亮起10秒鐘確保用戶看到數據）。作為直接驅動LCD，控制器必須保持較長的工作時間，也就是要消耗更多電荷。在此情況下，賽普拉斯的PSoC4等器件可提供低功耗模式，能讓設備關閉所有其它外設，僅運行驅動LCD所需的模塊。在這種器件中，LCD驅動運行在特定的低功耗模式下，這種模式被稱為數字關聯模式。其結果就是大幅減少電流消耗。

　　圖2：各種狀態下的電流消耗

　　每次按鍵都會經歷如圖2所示的電流曲線。曲線下方區域是單次按鍵的典型功耗。消耗的電荷計算如下：

　　Q = （1mA*1ms） + （20μA*10s）

　　根據上面的數據，我們可計算出給定電源能支持多少次按鍵。

　　工作模式下所花的時長非常重要，因為這種模式下耗電最大。一個選項是讓MCU保持工作模式，但CPU時鐘速度較低，從而降低工作模式下的耗電。不過，這會導致更高的平均功耗，因為工作模式所花的時間取決于時鐘頻率。此時由于MCU必須處于工作模式，因此功耗取決于MCU處理數據所花的時間。更快速的MCU能很快完成任務，從而延長處于低功耗模式下的時間，也就能讓系統減少功耗。系統設計人員可根據系統要求明確最佳配置。

　　在本系列文章的下一部分，我們將以更大型系統為例作講解，并介紹如何降低平均功耗。此外，我們還將探討一些降低平均功耗的系統級技巧。

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