浅谈Microchip低功耗微控制器芯片的数据表

　　低功耗微控制器是一种需求旺盛的产品，受双重设计驱动，需要：（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他们的 MCU 如何具有最低功耗。虽然这些说法可能有道理，但在使用嵌入式处理器进行设计时，您必须确保了解我的一位工程朋友所说的“哦，顺便说一下”。

　　本文旨在帮助您查看详细信息，而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，并检查为典型的低功耗 MCU 收集的规格，可从Microchip Technology、Renesas、Texas Instruments和Freescale都致力于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
• 　　事件驱动能力
• 　　片上外设
• 　　漏电流
• 　　很多电源管理选项

　　首先让我们考虑一下 Microchip PIC24FJ128GA310（图 1）。这款 16 位处理器是工程师的最爱，因为它采用 Microchip 的纳瓦 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。

　　图 1：Microchip 的 PIC24FJ128GA310 系列 MCU 框图。

　　该芯片的数据表宣传了多种电源管理选项，用于“极端”降低功耗（因此有 XLP 标签）、过渡到备用电池的规定以及运行 RT 日历/时钟 （RTCC） 时的低功耗。它具有允许几乎完全断电的深度睡眠模式，能够通过外部触发唤醒以及可以选择性地关闭外围设备和/或内核的睡眠和空闲模式。

　　在深度睡眠中，主稳压器关闭，低功耗稳压器打开，所有电源都从芯片内核中移除。核心和外围设备无法正常工作。只有 RTCC 和两个寄存器可用。在这种模式下，该芯片仅从 2.0 V 电源或 40 nA 的 3.3 V 电源中消耗 10 nA - 如果您打开 RTCC，则为 400 nA。您也可以留在 WDT，这通常需要 270 nA。

　　现在，再深入一点，在 85°C 时，深度睡眠数显着上升至 2.0 V 时的 1.1 µA 和 3.3 V 时的 1.4 µA，并且 RTCC 再次增加了 400 nA——这是在整个温度范围内保持不变的。唤醒时间仅为 200 µs。

　　PIC24 还具有 LV 睡眠模式，其中主稳压器关闭，而特殊的低功耗稳压器打开。整个芯片已通电，但 LCD、RTCC 和定时器等外围设备处于关闭状态，如果启用，将增加功率。在 2 V 时，规定为 330 nA，但要小心，因为在 85°C 时，该值高达 7.7 µA。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 90 µs。

　　该芯片以 32 MHz 运行，产生高达 16 MIPS，在 2 V 时通常需要 4.8 mA。电流随 VDD 或温度变化非常小，因为 IC 有一个稳压器为内核供电。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 750 µA，RT 时钟在所有温度下增加 400 nA。

　　许多安全功能

　　16 位瑞萨电子 RL78/G14 （ R5F1006EASP） MCU（图 2）在 32 MHz 时提供高达 44 DMIPS 的性能，其 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（高达 500 K 可用），并具有精度高达 64 MHz 的 16 位电机定时器和包括六通道互补 PWM 在内的五种操作模式。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。它的工作电压为 1.6 至 5 V，具有 10 通道 10 位 A/D。

　　在停止模式下，RL78/G13 在 32 MHz 至 5.5 V 时需要 0.54 mA。这仅适用于 RTC 降至 0.46 µA。在停止模式下，该数字降至仅 0.23 µA（全部停止，RAM 保留），仅欠压检测仅 0.08 µA。

　　停止模式电流只是泄漏（没有时钟开启）并且在更高的温度下会显着上升。MCU 中所有部件（门、寄存器、RAM）的泄漏通常为 0.9 µA，但在 85°C 时指定为最大值 3.3 µA。

　　有功电流在 32 MHz 时为 66 µA/MHz，据说是当今市场上最低的。但是，这仅用于运行 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 144 µA/MHz，同样适用于 64 KB 闪存版本的器件。MCU 工作电流额定为 -40° 至 85°C，在整个温度范围内具有相同的典型和最大有功电流。当使用高速外部或片上振荡器时钟时，从停止到激活的转换时间最长为 32 µs。快速

　　唤醒

　　MSP430F5510TI 的 MSP430 版本（图 3）具有 32 KB 闪存和 6 KB 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。

　　图 3：德州仪器 MSP430F5xx 系列的框图。

　　对于该器件，在使用 3 V 电源从闪存运行的主动模式下，电流消耗在 1 MHz 时仅为 250 µA，在 8 MHz 时为 1.55 mA （193.75 µA/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运行以及 USB 禁用，它需要 –40°C 时 1.1 µA、25°C 时 1.3 µA 和 2.7 µA µA 在 85°C。那里没有很大的变化，但仍然很重要。如果打开 RT 时钟，电流在 25°C 时为 2.1 µA，在 85°C 时为 3.6 µA。使用 3V 电源运行 A/D 会增加 75µA。从待机到激活的快速唤醒时间不到 5 µs。

　　十种电源模式

　　接下来让我们看看飞思卡尔的 32 位 Kinetis K20 系列器件（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、内存保护单元、电容式触摸单元、WM 和 64 KB SRAM。电源电压范围为 1.71 至 3.6 V，可管理 1.25 Dhrystone MIPS/MHz。

　　图 4：飞思卡尔 MK20DX256ZV MCU 的特性。

　　以 12.5 MHz 运行，外设关闭电源电流约为 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且 A/D 处于活动状态，来自 2.0 v 电源的电流约为 310 µA。在 85°C 时，在相同模式下，电流为 380 µA。从停止模式唤醒的时间为 4.5 µs。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 5.50 µA。从该模式到完全运行需要 130 µs。

　　概括

　　对于所有 MCU，检查您使用的确切版本的电源非常重要。如果您决定使用更多闪存的芯片，您的泄漏电流将成比例增加，这在高温下尤其重要。对于此处包含的一些数据，典型规格很容易获得，但应该注意的是，最大规格实际上是唯一重要的，因此您可能需要更深入地挖掘。总体而言，选择低功耗 MCU 可能是一项耗时且艰巨的任务，但对于那些花时间学习架构特性和可能选择的更广泛操作参数的人来说，回报将是能够更好地满足苛刻的功率预算的设计。