Energy Micro超低功耗设计延长能源敏感寿命

　　“能源敏感应用”的配置不断增加，它是指设备必须 – 因为各种原因 – 用一个单一电池长时间运作。通常包括的应用有能源计量、传感器网络或环境监测的其它形式，在这些应用中设备的占空比很低，因此希望运行多年而不会受到用户干预。

　　许多这些设备将使用流行的CR2032纽扣电池;一种3V的锂/二氧化锰原电池。与5.6kΩ负载的2V终点电压一样，这些纽扣电池的典型容量为230mAh，相当于约0.5毫安的放电，这使它们的寿命长达400小时。但是，这种纽扣电池设计具有约为0.25μA的自放电率，这意味着它的保质期会长达20年。 在这两个极端之间的就是能源敏感的应用;它在低电压下运行的设备中电流消耗最小， 还提供可靠、可持续的功能。因此，很明显，任何希望用一个单纽扣电池就实现类似主动寿命的应用都需要能够将平均需求量维持在约0.25μA。

　　寿命需要之所以要如此长是因为它所涉及到的应用领域。在通常情形下，这种新兴设备类别针对的是消费者，其零售价格支持不了电池更换。它也可能是指那些无法访问区域的配置，必须在没有额外电源的情况下可靠地运行多年。重要的是，这是一个发展中的应用领域，很需要非常低功率的综合解决方案。

　　

　　图1.人们期望新一代的煤气、电和水计量产品能定期报告其读数给计费和资源管理人员，同时在二十年里其运行无人看管。

　　历史上这些应用都包括一个低功耗微控制器, 任务是提供一切所需的计算能力，同时也负责管理自己的睡眠周期，以节省电力。 微控制器的晶体管数量通常很小，它们的设计最大限度地减少了主动功耗和被动泄漏 – 十分重视超低功耗设计，过程特别像节点收缩。在这些应用中的微控制器将在睡眠模式下花掉尽可能多的时间，对简单充电，不定期做测量的设备来说, 要花掉99.9%的时间并不少见。

　　因此，这种方法主要集中于降低在那些睡眠时间内保存的电量，在它们能做到的电力保存方面的技术已经陷入僵局。

　　人们从根本上质疑这种做法，因为它能实现的主动功耗很有限，其基础是每个时钟周期要求的电源产品和完成处理任务所需的时钟周期数。

　　随着人们对正常运行时间的要求变得更长了，该行业正在从整体上看待问题，考虑能源如何才能不仅用于睡眠模式，而且用于每个操作模式。量身订做的开发解决方案更加接近这些消耗资源的应用，使产品的开发能用一个单一的原电池运行10年，15年，甚至20年。

　　

　　图2.纽扣电池一生中的电荷量很有限。设计者必须在MCU运作的各个阶段尽量减少电流和时间产品 - 不仅是每个微安计数，而且对每个动作的每微秒也是如此。

　　观念的改变

　　由于微控制器的定位，在这个能源敏感的产品范畴内，开发者已经严重依赖于8位设备。微控制器在执行相对简单的任务时会比较有效，所以很自然，他们会首选为在这一新兴的应用领域而设计，其中加工方面的需要首先受到了限制。然而，由于这个市场领域的发展，人们对处理能力的需求日益增加，导致微控制器离开了其运作的最佳区域。人们对更复杂的数据管理、接口和通讯的需要意味着资源有限的微控制器在性能和能耗方面不能再提供最高效率了。

　　当面对更多处理能力的需要时，自然而然地就会转移到32位架构。但是这种处理器类别携带有较高的晶体管数量，因而有较高水平的静电/泄漏电源。事实上，ARM Cortex - M3在实施一个非常低的泄漏过程时会配合或提高一个典型的8位微控制器的静电/泄漏电流数字。

　　无论是否有静电泄漏，任何内核在主动处理时所消耗的电源将大大增加整个电源预算。在操作时，Energy Micro在其首个产品系列 EFM32 Gecko中采用ARM Cortex - M3，其在正常运行的情况下只消耗了很少的180μA/MHz, 明显低于其竞争架构或Cortex - M3的其它执行方式。Energy Micro已经通过认真实施低漏电工艺实现了这个目标，并保持了低功耗运行的首要设计目标。

　　本质上，CMOS晶体管消耗的大部分主动电流发生在切换时。通过开发先进的门控同步时钟结构，EFM32架构随时保持最少的开关，大大减少了不必要的晶体开关数量。这对主动电源极为有效，它通过总线架构延伸，甚至到达执行程序内存的内核。该架构的设计很方便直接运行闪存，可通过减少访问内存来进一步省电。

　　Cortex - M3的另一个显著优势是它提供了先进的睡眠模式，在EFM32里得到了进一步增强。由于这些设备在睡眠模式下花掉了大多数的运行寿命，在睡眠模式下提供尽可能多的灵活度很有意义。EFM32提供5种睡眠模式, '运行模式'(EM0)花费了180μA/MHz而'关断模式'只花费20nA(EM4)。

　　

　　图3.EFM32 Gecko微控制器可提供能源模式选择，例如，在完整的关闭模式中电流消耗仅有20nA，而在深度睡眠模式下仅有900nA。

　　任何微处理器的电源配置包括两个主要内容，基线力量 - 包括功能模块使用的电源，如电压调节器和电流偏置发生器 – 以及频率相关因素。Energy Micro的方法是要特别注意基线功耗，在较低的频率时这些功耗不会不受损，而某些架构会受损。

　　以EFM32系列为基础的Cortex - M3不仅注重于降低内核的功耗，而且注重于支撑架构。功能模块调制器、比较器和振荡器在设计时都必须要考虑到应用，移进和移出睡眠模式都要求这些功能模块也进入省电状态，不言而喻，睡眠模式越深,它要把一个设备恢复到全速需要的时间越长。

　　

　　图4. EFM32 Gecko的独特架构为低功率操作的设计目的提供了广泛的外围设备功能模块。例如，4 × 40段LCD控制器的运行仅需要550nA。

　　EFM32总共使用6个定制设计的振荡器，提供快速的唤醒时间，使内核从睡眠模式中更快开始处理。它通过使用仅有0.5微秒启动时间的内部RC振荡器来达到这个目的。这使得内核可以更快地从睡眠中唤醒、评估和执行任务 - 因此电源效率比其它设备高。

　　在开发设备时如果脑中有这样的想法，睡眠模式的功能就会有最佳组合，在应用开发过程中为用户提供最大的灵活性。一个更有能力的内核比不那么强大的解决方案需要的处理时间更短，这样总电源才会降低。具有睡眠模式之间快速有效移动的能力，其结果其电源曲线大大低于竞争对手的。

　　为了使开发者能够最好使用最佳睡眠状态，EFM32的开发工具包采用一个先进的能源监控系统来完成，这一设施使用一个从模拟到数字的转换器来测量系列晶体管的下降电压, 从而不断测量电源轨上的电流。这种测量方法被综合起来运用，准确地描绘用了一段时间的电源，使实际使用例子的低功率运行得到了优化。

　　

　　图5. Energy Micro的EFM32 Gecko MCU系列开发工具包为用户提供了一个独特的先进能源监控(AEM)系统。通过大量的内置LCD屏幕和预配置的GUI，AEM使用户可以精确地查看一个原型应用的实时电流消耗数据，从而及早发现和清除不良的能量排放。

　　Cortex - M3内核能够执行软件中的众多任务，其低功耗运行决定了某些功能仍可以处理更多的硬件电源效率。为EFM32开发的外围设备用于自主运作，无需内核的干预。使用一个复杂的互连矩阵--'外围设备反射系统'，EFM32的外围设备能够执行不唤醒睡眠模式下内核的相对复杂的功能。 在典型应用中，例如它可能经常使用ADC来进行测量。EFM32具有低水平驱动程序库的特点，支持Cortex - M3配置自主操作的外围设备。这样，一旦配置好了，它们就可以执行许多任务，无需唤醒内核。

　　

　　图6使用Energy Micro的'外围设备反射系统—一个复杂的互联矩阵—就可以执行简单的任务如开始数据转换和存储结果，完全无需唤醒32位处理器内核。

　　使用硬件加速也支持其它处理器密集型功能的卸载，从而加深睡眠状态。例如，EFM32实现了硬连线的AES加密块，这个功能越来越多地被用来保护最普通的数据。尽管AES加密算法不是Cortex - M3的一个具有挑战性的任务，把它交给一个硬件加速块还是可以节省更多的处理器周期，因此，无需名义上的弥补，就能代表更多的晶体管数量。

　　对超低功耗器件的要求，加上有同类领先的节能特性的超级处理器性能的指数速度在不断提高，预计各种应用中将会继续使用它们，增加它们的特性。随着ARM架构的普及，Cortex - M3的效率和Thumb2指令集的性能产生出令人瞩目的解决方案和理想的平台，用于未来超低功耗解决方案的开发。Energy Micro开发低功率解决方案的整体方法将继续下去，基于ARM架构和自己在超低功耗设计方面的专业知识。