低功率MCU设计--创新技术实现

嵌入式市场迫切要求以更低的功耗实现更高的性能，这一需求现已扩展到大量便携式和墙上电源供电的应用中。为满足该需求，飞思卡尔始终致力于将低功耗设计扩展到更广的领域。最新推出的Kinetis(动力学)系列ARM Cortex-M4微控制器就是最新突破。2010年第四季度的数据抽样表明，Kinetis代表着基于ARM Cortex-M4新内核的首款适合广泛市场的混合信号MCU组合，同时也是业界扩展性能最强的ARM Cortex-M4 MCU的产品之一。多种硬件和软件兼容的MCU产品系列将提供卓越的性能和内存容量，其扩展性强，从采用超小QFN封装的50MHz、32KB闪存器件到带1MB闪存和工业用丰富外设集的150MHz器件均包括在内。低功耗在Kinetis MCU设计中发挥着核心作用。这从采用了飞思卡尔最新90纳米SG-TFS(分裂栅-薄膜存储器)工艺技术，以及大量具有省电功能的通用、专用外设上都可以反映出来。

　　创新的低功率技术

　　工艺技术是任何半导体产品的基本构建模块和决定MCU功耗的关键因素。除了能够提供超快访问速度、防止充电损失外，Kinetis MCU还是首款利用了飞思卡尔SG-TFS闪存技术优势的产品，该技术专门设计用来解决功耗敏感应用的需求。在设计SG-TFS位存储单元时，飞思卡尔在读取路径上使用快速、低电压的晶体管，从而将工作电压降到1.71V至3.6V这一较低的范围。在采用两个1.5V电池的应用中，一旦电压达到0.9V，电池寿命就会迅速缩短。这意味着与过去通常限制在2V甚至更高的MCU产品相比，1.71V的更低电压限制可以大大延长电池寿命。扩展的电压范围不仅适用于片上存储器：闪存、SRAM和飞思卡尔新的FlexMemory(可配置，耐用性强的EEPROM)，同时也适用于模拟外设，因而即使在功率曲线的较低端也能实现连续的信号测量和调节。允许高速切换的信号工作在较低电压(通常为1.2V)下，TFS的电压特性还有助于降低运行电流。由于运行电流与C*V2*f成比例，电压下降对有效电流的闪存组件非常有利。

　　必须具备的功率模式

　　在电池供电的大部分应用中，CPU将大部分时间用于功率降低或休眠模式。因此，非常关键的一点是微控制器提供了极具吸引力的电源模式、唤醒源和启动时间选择，以便设计人员能够优化外设活动和恢复时间来满足应用需求，并最大限度地使用现有的可用能源。飞思卡尔的处理方式是在Kinetis MCU中配置不少于10种的运行、等待和停止模式，同时还配有多个唤醒源(见图1和2)。每个运行模式都配有对应的等待和停止模式。飞思卡尔还推出了几款低漏电模式和新的低漏电唤醒单元(LLWU)，以满足最严格的功率预算。

　　

 

　　工作在运行模式下时，CPU全速执行代码，可以实现低至200μA/MHz的功耗。对于不需要最大总线频率的时段，可以使用极低功率运行(VLPR)模式。这就把CPU频率限制在2MHz内，并将内部稳压器置于待机模式，同时还保持外设和低电压检测(LVD)的全部功能实现。在这种模式下，使用600μA至1mA范围的VLPR LDD可以节省大量功耗，具体情况则取决于MCU的性能、内存和外设配置。

　　

等待模式和极低功率等待(VLPW)模式与它们对应的运行模式类似，但CPU会暂停，且闪存及FlexMemory编程不可用。外设中断启动后，MCU能够退出等待模式，执行预定的任务，然后迅速恢复为低功率状态。这最大限度地减少了那些常在活动状态和减少功率状态之间切换的应用的平均功耗。根据总线频率的不同，运行模式Idd可以节省30至60%的功耗。

　　许多停止模式提供状态保持和某些逻辑和/或内存的部分或全部断电。低漏电停止(LLS)模式是恢复时间为4μS的最低功率模式，可降低内部逻辑的电压，最大限度减少未使用的内部电路的漏电，并且IDD通常保持在1.2μA到7μA的范围内。极低漏电停止(VLLS)模式则更进了一步，它能切断内在逻辑以及有选择地切断RAM内存，从而减少未使用电路的漏电。每个VLLS模式的之间差异与RAM保留级别有关。在VLLS3模式中，保留全部RAM;在VLLS2模式中，保留部分RAM;在VLLS2模式中，则不会保留RAM，但有一个32字节的寄存器文件可以用于关键应用数据的保存。

　　Kinetis MCU的一个关键低功率组件是低漏电唤醒单元(LLWU)，它在所有低漏电停止模式中充当唤醒监控器。LLWU支持多达16个外部输入引脚(如下降沿、上升沿或任何转换都可以编程)和8个可由用户配置为唤醒事件的内部外设。在最低功率模式下，有几个唤醒源可供选择：如低功耗定时器、实时时钟、模拟比较器、触摸感应接口(TSI)和几个引脚中断。唤醒输入处于激活状态时，只要MCU进入LLS模式或任何VLLS模式它就会启动。

　　由于时钟消耗多达40%的 有效功率，Kinetis MCU给所有模块都采用可编程门控时钟。这样可以关闭运行和等待模式中未使用的外设时钟，同时还能保持相同的性能和功能。如果Kinetis器件具有大量通信模块和定时器，这一点显得尤为重要。此外，还可以用电源门控来关断未使用的内存和逻辑，进一步降低漏电流。

　　Kinetis MCU包括一个低功率定时器，它通过在功率降低状态启动连续的系统运作来提高灵活性。这既可以作为通用定时器使用，也可以用来与片上比较器一起对比较器输入脉冲进行计数。最后，低电压检测(LVD)单元支持两个低电压检测触发点，每触发点上有四个警告级。它可以被配置为在电源电压变化时生成复位或中断信号，从而保证内存内容和MCU系统状态的安全。

　　低功率触摸感应

　　所有Kinetis MCU都采用了飞思卡尔新推出的Xtrinsic触摸感应技术。通过创建触摸启动按钮、滑动和旋转式用户界面，Xtrinsic提供了可以替代传统机械式按键开关的现代产品。同时从美观的角度考虑，触摸感应接口还具有设计灵活、所需维护少，能支持不同感应级别和覆盖表面的功能。以上优势使得该技术不但被用于最新消费电子产品，在家电、医疗设备和工业控制面板等都得到了广泛使用。触摸感应输入(TSI)模块还能提供更多好处，该模块在启动后只需要使用最小电流加法器，就能在所有低功率模式中正常运作。这使得大量电池供电应用都可以采用触摸感应技术，而这在以前是无法实现的。

　　TSI模块中包括一个内部定期扫描单元，它针对低功率和运行模式提供独立的扫描间歇。这使得用户可以设置较长的扫描间歇以最大限度降低功耗。而在运行模式中可以将扫描间歇缩短，以加快触摸响应。

　　如图3所示，TSI模块提供可编程的高电容和低电容阈值，并且在检测到TSI事件之前CPU在该范围一直会保持休眠模式。发生触摸操作时，瞬时电极电容被检测到超出阈值定义的范围，这反过来就会触发TSI中断，并快速唤醒CPU。一旦触摸感应输入处理完毕，MCU就可以自由恢复低功率状态。TSI模块最多可以支持16个电极/按键，每个电极使用单个引脚，无需外部元件，从而降低系统成本。当电容测量分辨率降低到0.02fF时，它还可以与厚玻璃、塑料和弹性玻璃表面一起使用。此外，电极取样集成和故障检测硬件增强了系统可靠性，在嘈杂的工业环境中这是一个需重点考虑的因素。

　　

 

　　多种应用要求采用键盘、旋转和滑动用户界面。为满足这些需求，飞思卡尔提供了触摸感应软件(TSS)库，它完全兼容CodeWarrior集成开发环境(IDE)。TSS库的特性包括智能自动校准机制(可预防环境问题)，噪声抑制算法，优化的缓冲结构(支持任何电极排列)和用于电极表征(辅以演示和应用实例)的PC GUI应用。
低功率分段LCD

 

 

　　分段LCD显示器常用于一些对功率敏感的应用，用于提供指令、监控系统状态以及显示操作/功能处理或提供结果。在大多数系统中，LCD可以一直供电(即使在低功耗模式中)，以便显示状态、电池使用状况或每日时段信息。因此，LCD消耗的功率不得对电池寿命产生不良影响非常重要。Kinetis K30和K40 MCU系列包括灵活的分段LCD控制器(该控制器支持大量多达320个分段的3V和5V LCD面板)，主要设计用于低功率系统。这些MCU系列支持64KB～512KB的闪存。

　　LCD控制器在所有CPU运行模式下运行，包括极低漏电停止模式。除非芯片在复位状态，否则屏幕将显示信息，而无需关注MCU其余部分。一个重要特性就是它能够支持闪烁模式运作，该模式允许以1/8秒、1/4秒、1/2秒、1秒、2秒、4秒和8秒的间歇打开和关闭分段，以提醒注意显示器的这一部分或仅在循环关闭一半时保留电源。由于闪烁是在LCD模块的一小部分中进行的，因此不必唤醒CPU、总线或MCU的其余部分，该MCU也能运行。?辽了富峁乇账?蟹侄危??诳膳渲玫纳了钙诩洌?赣闷聊簧了冈蚩梢韵允静煌?氖?荨＠?谜飧龉δ埽琈CU无需推出低功耗模式，就可以通过支持LCD闪烁实现较低的平均功耗，如图4所示。

　　最大限度减少外部元件数量还有助于提高系统的电池寿命，并且LCD控制器通过电荷泵生成前面板和背板显示信号，此时电荷泵仅需要4个外部电容器。

　　

 

　　LCD的数据还保留在距离LCD最近的位置(在面板单元上)。与LCD数据保存在芯片内部的寄存器不同，短数据路径去除了克服中央寄存器和I/O引脚之间加载所必需的驱动，这使得LCD驱动器电压域得以减小。

　　综合起来，这些低功耗特性可以延长许多消费电子、工业和无线LCD终端产品的使用寿命。LCD控制器的其他功能包括：能够通过软件将任意LCD引脚配置为前面板或背板，因而无需成本高昂的硬件重设计就能对LCD设计进行修改;能够防止错误显示器读数的创新分段故障检测功能;支持背板、前面板或GPIO功能的多功能LCD引脚。

　　支持低功率解决方案

　　借助Kinetis系列产品，飞思卡尔致力于低功率MCU的不断创新。这不仅适用于MCU本身，同时也适用于支持它的开发工具和设计资源。Kinetis MCU获得广泛的整套应用笔记、参考设计和培训材料支持。同时还有强大的第三方工具系列加以完善，如IAR系统的Embedded Workbench IDE，该IDE集成了创新的电源调试和分析工具。这些功能使得软件开发商能够将程序执行的关键事件与功耗相映射，进而修改其源代码以满足功率曲线的要求。

　　如今的应用程序不仅仅要求低功率。在越来越多的情形下，它还要求大量性能、内存和外设选项，因为低功耗成为更多终端产品的关键需求。Kinetis MCU具有业界最新的低功率技术，多种低功率工作模式(可根据应用优化)，一组丰富的低功率人机接口外设以及完善的支持，因而是满足该需求的理想之选。