应用于智能电源驱动设计的微控制器介绍

微控制器以更低的功耗运行，以开启智能照明和无线计量等新应用。新设备正在降低功耗，并为工程师提供更多设计选择，从高级语言开发工具到各种外设。

智能电源的驱动力来自多个方向。能够监控和控制接近负载点的功率消耗允许功率更均匀地分布在电网上并减少操作员的浪费功率。对于用户而言，它可以提供更灵活的资费，更低的电力成本，并有助于降低总体电力使用，进一步降低成本。但是，设备必须具有成本效益，既包括资本成本，也包括维护成本。在数百万智能电表中更换电池是电网运营商的主要运营成本，也是实施的潜在缺点。降低智能设备的功耗不仅可以降低功耗，还可以使电池运行多年。

通过有效的器件管理，新的低功耗设计架构和功耗敏感的制造工艺进一步降低功耗还可以将总功耗预算降低到不需要电池的程度。此时，能量可以从环境中获取 - 通常来自工业环境中的振动或热能 - 并存储在本地电池中。这为微控制器提供电源，通常还有传感器和网络链路用于监控。节点和微控制器的架构选择对于性能和电池寿命至关重要，并且有几种不同的选择。

设计权衡

集成和性能都与智能电源应用中使用的微控制器的功耗因素密切相关。可提供多种外设，可添加到控制器内核，以减少片外需求，从而降低功耗。然而，有时候，与无线链路一起使用小型8位控制器比尝试将应用处理器与RF结合的完全集成系统更有效。虽然某些控制器，例如Energy Micro开发的EFM32（下图），具有复杂的电源管理功能，可以关闭各个外围模块以将功耗降至最低，但是使用单独的控制器可以提供隔离节点不同部分的方法因此只有在绝对必要时才使用电源。

图1：Energy Micro的EFM32‘Gecko’低功耗内核。

在性能和功耗之间还有另一种权衡。能够快速使用节能架构然后关闭设备可以比使用更慢，标称更低功率的设备使用更少的能量更长的时间。但是，这取决于启动和关闭时间，但更多设备包括这种快速响应以降低功耗。但有时候，电源管理的复杂性几乎没有影响，代码大小也会产生更大的影响。存储16位甚至8位代码可以降低存储器需求并提供更快的访问速度，降低成本和功耗。但是，32位系统也能够利用较小的字长和减少的指令集，例如ARM的16位Thumb 2.

在智能电源中，软件并不是特别复杂，但它必须非常复杂可靠 - 必须更换或更新有问题的节点可能非常昂贵。这意味着现有的遗留代码是宝贵的资源，代码重用是设计需求的重要组成部分。同时，用于ARM MIPS和其他32位架构的新一代设计工具和集成开发环境（IDE）可实现更快的开发，更高质量的代码和更高效的调试，从而更快，更可靠地将项目推向市场。这可能会影响微控制器架构的选择。

所有这些都是设计人员在开发智能电源系统时所面临的平衡，有多种方法可以实现智能电源，反映出功率和成本的严格设计限制。使用32位控制器的系统（通常围绕ARM的功耗优化的Cortex-M3内核）越来越普遍。

挪威初创公司Energy Micro使用ARM Cortex M3内核开发市场上能耗最低的微控制器，可以长期使用电池，甚至可以通过能量收集获得电力。

EFM32G210F128‘Gecko’采用低能耗设计，节能模式唤醒时间短，可选择多种外设来控制智能功率器件。该系列控制器针对电池供电的应用，用于管理智能电网中的节点。

芯片的核心是能量管理单元（EMU），它处理所有低能耗模式，打开和关闭外围设备，以及关闭未使用的SRAM模块的电源以将功率降低到正常水平3 V关断模式下为20 nA。有一个0.9μA深度休眠模式，支持实时时钟，32.768 kHz振荡器，上电复位，欠压检测器，RAM和CPU保持在3 V运行模式下上升至180μA/MHz，代码由Flash执行。

EMU利用专门开发的时钟管理单元（CMU），允许软件管理外围模块上的各个时钟，这些时钟即使在不使用时也会消耗大量功率。

Energy Micro还开发了一种外围反射系统（PRS），可以让不同的外围模块直接通信，而不需要CPU。发送Reflex信号的外围模块称为生产者，PRS将这些反射信号路由到消费者外围设备，这些外围设备根据收到的数据应用操作。它还将其Gecko微控制器与低能耗UART区分开来，该低能耗UART允许在严格的功率预算下从单个32.768 kHz时钟以9600 bit/s的速度进行双向UART通信。类似地，当大部分器件断电时，可以使用低能量16位定时器（LETIMER），允许执行简单的任务，同时将系统的功耗保持在绝对最小值。 LETIMER可用于输出各种波形，只需最少的软件干预。它还连接到实时计数器（RTC），并且可以配置为从RTC的比较匹配开始计数。

德州仪器（TI）还为其Stellaris 1000系列微控制器使用ARM Cortex M3内核，针对相同的电池供电，注重成本的嵌入式智能电源应用。 LM3S1000系列扩展了该系列，具有更大的片上存储器，更好的电源管理以及更多的I/O和控制功能。

图2：TI的智能电源实现。

LM3S1911微控制器面向工业应用，包括远程监控，电子销售点机器，测试和测量设备，网络设备和交换机，工厂自动化，HVAC和楼宇控制，游戏设备，运动控制，医疗仪器，以及火灾和安全。

它具有电池供电的休眠模块，可在长时间不活动期间有效地将设备断电至低功耗状态。功能还包括上电/断电序列器，连续时间计数器（RTC），一对匹配寄存器，系统总线的APB接口和专用非易失性存储器。

图3：TI的Stellaris 1000框图。它使用ARM 16位Thumb-2指令集将内存需求降低到几千字节，以及50 MHz内核和集成嵌套向量中断控制器（NVIC），以提供确定性的中断处理。除了具有8个优先级的29个中断外，它还支持监控应用程序，而内存保护单元（MPU）为受保护的操作系统功能和原子位操作或位带提供特权模式，提供最大的内存利用率和简化的外围设备控制，再次降低功率和成本。

为了连接到系统的其他部分，LM3S100提供三个完全可编程的16C550型UART，支持IrDA。它们具有独立的16 x 8发送（TX）和接收（RX）FIFO，以减少CPU中断服务负载和可编程波特率发生器，速度高达3.125 Mbit/s。可编程FIFO包括1字节深度操作，以实现传统的双缓冲接口。

16位尚未消失

如ARM的Thumb-2 16位指令集所示，紧凑型代码具有优势，一些不同的架构方法可为智能电源设计带来好处。 Microchip的16位DSPIC33EP256MU80微控制器为16位内核增加了一个专用DSP模块，以达到60 MIPS性能的类似效果。

图4： Microchip的16位内核带有DSP加速器。

它具有经过修改的哈佛架构，与32位和Thumb-2代码一样，在其16位宽的数据路径和24位宽的执行流水线上使用带有优化指令集的C编译器。有73个基本指令，大多数每个周期有一个指令的有效指令执行吞吐量，以提供额外的性能。单周期DSP MAC模块支持11个附加指令，带有两个40位累加器，具有舍入和饱和选项以及附加模块和位反转寻址模式。

15通道直接内存访问（DMA）引擎提供与任何数据存储单元之间的数据传输，双端口DMA缓冲区最大为4 KB，用于存储通过DMA传输的数据。这提供了RAM和外设之间的快速数据传输，而CPU在执行代码时无需使用来自执行内核的周期，从而提高了性能并降低了功耗。

通信模块包括双重角色USB v2.0 On-The-Go（OTG）模块，可以是低速（1.5 Mbps）和全速（12 Mbps）模式下的主机或外设。用于USB的高精度PLL支持多达32个端点（16个双向），USB模块可以使用器件上的任何RAM位置作为片上USB收发器的USB端点缓冲器或作为片外接口收发器。

8位生命也是如此：即使8位内核仍在有效使用。 Silicon Labs的C8051F981-GM是一款8位流水线8051内核，针对极低功耗进行了优化，具有150μA/MHz有源电流，频率范围为1.8-3.6 V，25 MHz和25 MIPS。通过睡眠唤醒2μs和1.5μs模拟建立时间，器件可以快速准备好进行测量或链接到无线网络。

图5 ：Silicon Labs的C8051 8位流水线核心。

ADC提供75 Ksamples/s，12位分辨率或330 Ksamples/s，10个通道的8位分辨率。该设备还包括一个内置温度传感器。

缩小差距

飞思卡尔正在寻求通过一系列Flexis设备弥补8位和32位功能之间的差距，这些设备具有一组通用的外设和开发工具，可提供移植灵活性。 QE系列由引脚兼容的8位SO8和32位ColdFire V1器件组成，是Flexis系列中的第一个系列，包括功耗最低的MCU。这也是其他衍生低压，低功耗（LVLP）器件的基础。该系列产品特别针对需要较长电池寿命的消费和工业应用。

MCF51QE128LH是一款基于V1 ColdFire指令集的32位控制器，可扩展ColdFire嵌入式控制器系列的低端，具有高达128 KB的闪存和12位模数转换器（ADC）。到二十四个频道。 MCF51QE128包括高达3.6 V的电源电压，50 MHz CPU内核和三个定时器，用于改进工业设备的电机控制，包括智能电源，网络烟雾探测器和安全摄像头。

32位MCF51QE128与8位S08QE128器件具有引脚，外设和工具兼容性，可在整个性能范围内提供设计自由度。 ColdFire指令集修订版C（ISA_C）提供了额外的指令，可以轻松处理8位和16位数据，并支持多达256个中断/复位源，以实现软件灵活性和实时应用程序的优化。

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图6：飞思卡尔半导体的MC51QE128 32位控制器与8位版本兼容。

有两种超低功耗（ULP）停止模式，一种允许有限使用外设，同时仍然以降低功耗状态对应用进行采样，从而延长电池寿命。还有一种新的ULP功率等待模式，典型唤醒时间为6μs，超低功耗OSC可在低功耗模式下实现精确的时基。

有两个模拟比较器可以选择与内部参考进行比较。这意味着输出可以作为输入捕捉触发器路由到定时器/脉冲宽度调制器（PWM）模块，只需要一个引脚用于输入信号，并释放额外的引脚用于其他用途。模拟数字转换器（ADC）提供多达24通道，12位分辨率和2.5μs转换时间，以及1.7 mV/°C的灵敏温度传感器。

这些功能来自低功耗工艺，利用晶体管增加沟道长度，减少漏电流，从而降低静态功耗。用于构建控制器的标准单元库包括一个功耗仅为500 nA的超低功耗（VLP）振荡器，一个支持低功耗运行的低压差待机稳压器，以及仅需6μs的唤醒模式，从之前的110μs下降。这意味着应用程序可以唤醒，执行任务，并快速返回睡眠以节省额外的电量。

用户可选的外设时钟门控实现了时钟树的节能优化，可以消耗高达不同模块使用功率的40％，而自超时块（SATO）允许闪存通电时间足以执行读取，结果锁存，然后自动关闭。此过程自动以非常低的CPU速率启动，并在低频率下为闪存操作提供更好的电流。

结论

可用于智能电源等应用的各种微控制器看起来令人眼花缭乱。但是，通过在功率预算内选择正确的外设和功能组合，可以为优化低功耗系统设计提供广泛的机会。工艺技术和超低功耗电路设计的发展意味着现在许多设备可用于旨在实现10年电池寿命甚至使用能量收集以消除维护成本的设计。通过增加集成度来降低物料清单的总体成本，智能电源系统的实施变得可行，有助于从工厂到企业一直降低功耗。