摆脱功耗限制束缚，需要创新MCU技术

摆脱功耗限制束缚，需要创新MCU技术

在飞速发展的集成电子等行业中，无法预见客户需求巨大变化的供应商正处于丢失商机的风口浪尖；尤其当他们无法做出快速响应并提供恰当的解决方案的话，则更具风险。一段时间以来，半导体供应商已追随着行业发展的脚步，推出了功耗更低、运行速度更快的器件。然而，目前行业的发展动向使得一些颇具前瞻性的制造商将目光投向这一长远的目标。

集成处理器的出现使得诸如“您需要多强的处理性能？”这样的问题，总是会得到“越强越好”这样直截了当的答案。但是，随着处理技术的发展，在平衡处理能力和运行功耗上遇到了重大的难题。因此，上述问题的答案如今更倾向于“只要满足功耗预算，处理能力越强越好。”

与许多其他预算相似，基于类似的原因，功耗预算也在不断缩减。产出和消耗功率都需要花钱，因此对功耗进行限制并非新鲜事。 如今，设计电子产品时必须符合法规和商业的功耗预算，在电池供电设备中这样的要求尤为突出。

目前，对设备运行功率的检测日趋严格，人们的注意力正逐步转向待机功耗；增加晶体管数目势必会增大待机功耗。业界的另一个趋势是，必须延长电池供电设备的工作寿命--有时应做到数年不必充电或更换电池。这就对器件提出了更高要求：不仅工作时功耗低，并且在不工作时也要几乎没有功耗。

这要求研发人员开发出专门针对功耗限制应用的解决方案，而且这种要求与日俱增。可充电电池的销量每年上升约20%，而便携式消费类电子设备的销量以10%的增长率持续飙升。由于绝大多数便携式设备均由某种类型的蓄电池供电，这又反映出对器件的另一种需求：不仅关注工作时的功耗，还要关注所有阶段的整体功耗。

电池供电设备的一个不断增长的应用领域是消费类电子产品，这类产品通常被设计成密封式，因而必须充一次电就能维持长时间工作。此外，还包括任何使用高灵敏度检测设备的应用。例如，烟雾或一氧化碳检测器以及新兴的家用医疗诊断市场。其他的高级仪表测量或监视设备，比如温控器、 进出跟踪或门禁系统也属于此类应用。

上述应用都有一个突出的共性，即大多数时间都处于开机状态但并不工作。这是区别于那些在不使用时呈关机状态的应用的关键点。这也意味着这些设备在不工作时所消耗的功率成为决定设备使用寿命的最重要因素，当然也是延长设备寿命最需要关注的方面。

半导体制造商必须应对的一种趋势是，从晶体管逐步发展起来的集成器件在待机条件下的功耗越低越好。例如，Microchip最新推出的nanoWatt XLP系列PIC单片机（MCU）就是针对此类应用。

nanoWatt XLP系列器件是目前世界上休眠模式下功耗最低的MCU，仅消耗20nA以下的电流。这意味着在工作周期的绝大多数时间里，其功耗小于当今任何其他的MCU，从而真正实现将功耗受限设备的使用寿命延长至20年以上。

实现低功耗运行的关键在于Microchip专门为此类器件开发的先进的nanoWatt XLP超低功耗技术。在这些复杂的器件中，额外引入了一个深度休眠模式，使得MCU架构中越来越多的部件在长时间停止工作时关闭。这样做的作用是从物理上切断集成电路中大部分部件的电源，从而消除了与集成晶体管有关的功耗泄漏或“静态”功耗。这样的泄漏或消耗会使现代集成器件的漏电流快速增加，从而使得那些不够完善的架构无法将待机电流降至接近20nA。

Microchip的nanoWatt XLP技术最初应用在PIC MCU的30多款产品中，涵盖了6个系列，包括8位器件和16位器件。 这就使得工程师在选择适合其应用的器件时有了很大的空间，不必以牺牲超低功耗这一优点为代价。Microchip还计划将来要推出更多采用nanoWatt XLP技术的器件，包含各种封装和存储器配置。

nanoWatt XLP器件中还集成了一系列兼容外设，进一步扩充了此类器件的应用领域。这些外设包括对USB的完全支持以及Microchip的mTouch电容触摸传感技术，这一技术提供了低成本低功耗的用户接口解决方案。

这些高级外设采用了Microchip的外设引脚选择技术，允许在必要时将外设映射到不同的I/O引脚。有了这些外设的配合，nanoWatt XLP器件能够用于大多数常见的低功耗应用，同时提供灵活的用户接口选项。

设计功耗受限应用的工程师要考虑的重点是如何进入和退出低功耗模式，而nanoWatt XLP技术恰能极好地处理这个问题。通常，针对低功耗应用的MCU通过在休眠模式下禁止MCU的许多中断特性来实现低待机电流。事实上，这使得许多应用根本无法使用休眠模式，这是因为器件必须依靠架构中某一必须始终保持工作的部件来退出休眠模式。

Microchip通过实现灵活的休眠模式克服了这一明显的缺点，这些休眠模式有大量的唤醒源。工程师可根据具体应用采用能显著降低待机电流的传统休眠模式之一，或使用将待机电流降至仅为20 nA的业界最低值的新型深度休眠模式。这种休眠模式通过移除器件中几乎所有功能模块的电源来实现如此低的电流，在估计设备长时间不工作的场合最为合适，正如前面罗列的应用示例。

这一灵活性使得nanoWatt XLP技术的优点发挥到了极致，而不会遭遇以往无法使用休眠模式的尴尬。通过进入深度休眠模式，从物理上切断MCU大多数功能模块的电源，彻底解决了与功耗泄漏有关的问题。实时时钟/日历在深度休眠模式下保持工作，使得对时间要求苛刻的应用保持同步。同样处于工作状态的还有深度休眠看门狗定时器和深度休眠欠压复位电路，它们为MCU提供了至关重要的唤醒源。已运用最新的低功耗技术和晶体管技术重新设计了这些功能模块，以使其功耗需求最小。

其他休眠模式根据应用的具体需求，提供更多种类的唤醒源。使用现有的各种休眠模式，可以逐渐节省更多功耗，同时满足应用的需求。

大多数半导体制造商都不得不面临人们对超低功耗MCU的需求。Microchip采取了大胆而创新的举措，重新定义了其基本技术来应对这样的需求，由于人们越来越多地依赖于便携式和功耗受限产品，因此这样的需求正不断增长。