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如何为设计应用选择合适的嵌入式MCU

电子设计 来源:郭婷 作者:电子设计 2019-02-11 08:39 次阅读

低功耗微控制器是一种按需产品,由双设计需求驱动:(1)节省能源以降低设备的运营成本; (2)满足手持式电池供电设备的严格能源预算。大多数MCU芯片供应商都提供低功耗产品,这些制造商总是吹嘘自己的MCU如何拥有最低功耗。

本文旨在帮助您查看细节,不仅仅是比较数据表第一页上的要点。它将帮助您熟悉MCU选择的架构,并检查为Microchip Technology,Renesas,Texas Instruments和Freescale提供的典型低功耗MCU收集的规范,所有这些都旨在帮助您为您的应用选择合适的嵌入式MCU 。

在此过程中,我们将指出以下因素:

掉电模式

时钟系统

事件驱动功能

片上外设

漏电流

许多电源管理选项

首先考虑Microchip PIC24FJ128GA310(图1)。这款16位处理器是工程师的最爱,因为它采用了Microchip的nanoWatt XLP技术,具有60 x 8 LCD控制器,并采用64/80/100引脚封装。该器件还具有五个外部中断,一个六通道DMA,一个可编程32位CRC发生器和七个比较/PWM模块。

如何为设计应用选择合适的嵌入式MCU

图1:Microchip PIC24FJ128GA310系列MCU的框图。

该芯片的数据表提供多种电源管理选项,用于“极端”功耗降低(因此XLP标签),转换为备用电池的规定,以及运行RT日历/时钟(RTCC)的低功耗。它具有深度睡眠模式,允许接近完全断电,能够在外部触发器上唤醒,以及睡眠和空闲模式,可以选择性地关闭外围设备和/或核心。

在深度睡眠中,主调节器关闭,低功率调节器打开,所有电源都从芯片的核心移除。核心和外围设备是无功能的。只有RTCC和两个寄存器可用。在这种模式下,芯片在2.0 V电源下仅需10 nA,在3.3 V电源下仅需40 nA - 如果将其打开,则RTCC的电流为400 nA。您也可以离开WDT,通常需要270 nA。

现在,看起来更深一点,在85°C时,深度睡眠数量在2.0 V时大幅上升至1.1μA,在3.3 V时则达到1.4μA,RTCC再次增加400 nA - 在整个温度范围内保持恒定。唤醒时间仅为200μs。

PIC24还具有低压休眠模式,其中主稳压器关闭,并打开一个特殊的低功耗稳压器。整个芯片都通电,但LCD,RTCC和定时器等外设都关闭,如果启用则会增加功率。在2 V时,指定为330 nA,但要小心,因为在85°C时这最高可达7.7μA。还应注意,这些都是典型值,而不是最大值。从该模式唤醒仅需90μs。

运行频率为32 MHz,最高可达16 MIPS,芯片通常在2 V时需要4.8 mA电流。由于IC具有为内核供电的稳压器,因此VDD或温度的电流变化非常小。此测量的设置是从闪存执行的代码,没有启用外设,也没有I/O驱动,时钟来自外部源。运行A/D在25°C时增加750μA,RT时钟在所有温度下增加400 nA。

许多安全功能

16位瑞萨RL78/G14(R5F1006EASP)MCU(图2)在32 MHz时提供高达44 DMIPS的性能,85%的指令在一个时钟周期内执行。该控制器具有64 KB的闪存(最高可达500 K),具有高达64 MHz运行的精密16位电机定时器和五种工作模式,包括一个六通道互补PWM。它具有许多安全功能,包括CRC,非法内存访问检测和IEC/UL 60730支持。它工作电压为1.6至5 V,具有10通道10位A/D.。

图2:16位瑞萨RL78/G14。

在停止模式下,RL78/G13在32 MHz时为0.54 mA,最高为5.5 V.仅RTC为0.46μA。在停止模式下,此数字仅降至0.23μA(全部停止,RAM保留),仅欠压检测仅为0.08μA。

停止模式电流只是泄漏(没有时钟开启),并且在较高温度下会显着上升。 MCU中的所有内部(门,寄存器,RAM)的泄漏通常为0.9μA,但在85°C时最大值为3.3μA。

有源电流在32 MHz时为66μA/MHz,据称是目前市场上最低的。这仅适用于运行NOP,因此在32 MHz时需要2.1 mA。但是,根据指令组合,电流可以高达144μA/MHz,同样适用于64 Kbyte闪存版本的器件。 MCU工作电流额定值为-40°至85°C,在整个温度范围内具有相同的典型和最大有效电流。当使用高速外部或片内振荡器时钟时,从停止到有效的转换时间最大为32μs。

快速唤醒

MSP430F5510版本的TI MSP430(图3)具有32 KB的闪存和6 KB的RAM以及10位或12位A/D转换器。该MCU包括全速USB实时时钟,DMA,乘法器和比较器以及嵌入式仿真模块。

如何为设计应用选择合适的嵌入式MCU

图3:德克萨斯州的方块图仪器MSP430F5xx系列。

对于此器件,在采用3 V电源的闪存运行的工作模式下,1 MHz时的电流消耗仅为250μA,8 MHz时的电流消耗为1.55 mA(193.75μA/MHz)。

在待机状态下,启用自唤醒和欠压复位,完全RAM保持,看门狗定时器和电源监控器操作以及USB禁用,在-40°C时需要1.1μA,在25°C时需要1.3μA ,在85°C时为2.7μA。那里没有太大的变化,但仍然很重要。如果打开RT时钟,电流在25°C时为2.1μA,在85°C时为3.6μA。使用3 V电源运行A/D可增加75μA电流。从待机到激活,快速唤醒时间不到5μs。

您可以在Digi-key网站上找到有关MSP430系列功耗的TI产品培训模块。

十种功耗模式下一步让我们来看看其32位Kinetis K20系列中的飞思卡尔器件(图4)。 MK20DX256ZV具有10 MHz Cortex M4内核,256 KB闪存和25通道16位A/D.该器件还具有CRC,存储器保护单元,电容式触摸单元,WM和64 KB的SRAM。电源电压范围为1.71至3.6 V,可管理1.25 Dhrystone MIPS/MHz。

如何为设计应用选择合适的嵌入式MCU

图4:飞思卡尔MK20DX256ZV MCU的特性。

运行在12.5 MHz且外围设备关断电源电流约为5.5 mA,在85°C时电流大致相同。该芯片有10种电源模式。在CPU静止的停止模式下,所有寄存器都保持不变并且A/D有效,来自2.0 V电源的电流约为310μA。在85°C时,在相同模式下,电流为380μA。停止模式的唤醒时间为4.5μs。在K20的最低功耗模式下,仅保留32字节寄存器,电流仅为220 nA(电源= 3.0 V),但在85°C时上升至5.50μA。从这种模式完全操作需要130μs。

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