【工业开发者论坛精彩笔录】Microchip XLP 超低功耗技术

中心议题：
     * 2011西部工业开发者论坛精彩笔录

本文整理自Microchip Technology 公司西安办事处的技术工程师殷俊国在2011西部工业开发者论坛上的演讲。

首先非常感谢主办方为我提供了这个机会，来和大家一起学习Microchip的一些低功耗技术，以及我们的新思想，即用嵌入式的系统来实现新能源。自我介绍一下，我是Microchip西安办事处的技术工程师，叫殷俊国。Microchip在西安已经设立了5年时间，我在西安举办的研讨会上演讲可能有5磁了，可能在座的有些人会认识我。演讲完之后，我会把名片放在这个地方，大家如果对Microchip的产品感兴趣的话，可以在会后打电话找我们的销售工程师。现在我们继续要讲的内容。Microchip  XLP超低功耗技术交流。现在大家在设计一个新的项目，尤其是对电源有要求的项目，比如电池供电的时候，首先选择的是低功耗。低功耗产品已经慢慢进入到我们的思维里面，也已经进入到我们的设计里面。大家想到低功耗可能首先想到的是核心处理器，就是CPU，如果CPU的功耗能降到很低，那么搭建起来的外围设备的功耗也比较低。基于这种需求，Microchip推出了超低功耗产品，我们看一下。

讲到低功耗，先来看一下功耗的定义。根据瓦特定律，功耗（瓦特）=V（伏特）×I（安培），即电压乘以电流。如果用电池作为能源，电池的能量是以焦耳来衡量的，焦耳和瓦数是什么关系呢？如果是一个恒定的功耗，功耗乘以时间的结果就是能量。电量的单位是库伦，电池里面存储的电子电荷的数量就出来了。这个大家可能都比较清楚。

 

在这种系统里面，大家讲到的功耗其实不是一个定态的，它分几个阶段，一个是动态的功耗。系统在全速的运行，或者是非全速的运行，是在工作之中的，这个时候的功耗我们称之为动态功耗。还有一种情况，在超低功耗系统里面，涉及更多的是静态功耗。比如，一个芯片的功耗是多少？一般讲的是静态功耗。在上档的时候，或者在Sleep的时候，真正的功耗是多少？在运行的时候，功耗是多少呢？有时候是没法界定的。因为功耗和频率有关系，和外围的一些设备有关系。

 

 

我们看一下动态功耗，动态功耗就是说这个系统是处于活动状态中的，这个时候的功耗称之为动态功耗。

 

我们看一下动态功耗所产生的来源，刚才我说了功耗是和频率有关系的。为什么和频率有关系？我们看一下内部的一些凹口，举一个凹口来说，上面一般是接VDD，里面通过两个MOS管，下面接VIS，中间可以做一个输出，当我们打开上面那个管子的时候，它就是高电平，当我们打开下面那个管子的时候，它就是低电平。在输入一个方波的时候，MOS管就不停的打开关断。因为MOS管在打开关断的时候一定会损失一些电荷，这时候功耗就产生了。

 

如果处于静止的状态，即MOS管打开以后处于不动的状态，这个管子就是高电平。这时候如果保持不动的话，后级电路没有电流或电流很小的时候，功耗是很低的。所以在有频率的时候功耗反而会很大。

 

动态功耗的来源，第一个是电容，芯片每个管脚可能都有基层电容，或者外部也加一些电容。第二个是电压，在相同阻抗的时候，电压高，电流自然就大。第三个是频率，系统时钟、代码效率，还有就是功耗的曲线，这些都是影响功耗的重要因素。

 

对于平均功耗，有时候我们会计算电池使用了多长时间，这时候可能会计算一下电池的平均功耗，也就是，在动态的时候，在高速运行的时候，运行的时间是多少；在Sleep的时候，运行的时间是多少，这样就可以算出平均功耗。这样就可根据能量来算出这个芯片工作或者休眠的时候，这个电池能给它提供多长时间的能量。平均功耗是计算电池寿命时会用到的一个参考值。

我们看了功耗，也知道功耗是怎么产生的，以及功耗在什么状态下比较大，什么状态下比较小。在设计的时候，就要计算和规划功耗了。芯片工作模式基本上分为这几种，最早的芯片工作模式只有两种，一种是工作，另外一种就是休眠。根据现在的系统的需求，芯片的工作模式越来越多。比如说有时候芯片不能休眠，因为要感知外面过来的一些信号，但是又不需要全速运行。因为这个信号过来的时候不是很快速，芯片响应的时候不需要非常的实时，那这时候怎么工作呢？我们可以用另外一种工作方式，打盹的方式或者是空闲的方式，这种也是超低功耗系统里面设计的一种状态。这里列出了5种，运行、打盹、空闲、休眠及深度休眠。深度休眠是Microchip给它定义的一个休眠方式，在很多年前大家就讲到微功耗，但是现在微功耗已经不满足我们的要求了，我们要达到深度休眠。

 

根据分析应用，可以将应用划分为多个阶段，计算在整个应用里面的平均功耗，最后确定最坏的情况下的平均功耗，画出功耗曲线，就可以算出建立、测量和确认功耗的时间。最终测出来的产品，就能满足在这个电池或者这一次更换能源的时候，它能工作的时间最长。

 

分析和应用里面，将应用划分成多个阶段，另外一个是模式的调试。调试包括唤醒、休眠、打盹、深休眠。最终要设计起来，就要选择一个合适的MCU以及合适的外围电路。

典型的应用框图就这几种。如果有通讯的话，可能还需要通讯。

 

这个图比较暗一点，画了一个曲线。这个是运行的时候，运行A、运行B的时候的功耗的曲线图。在Sleep、空闲的时候功耗多少，唤醒以后是一个上升的曲线，根据唤醒以后的频率开始工作，以及再执行B。这就是在各种模式下的功耗曲线图。

 

看一下nanoWatt，这是应用功耗管理的特性，第一个是比较灵活。如果一个系统能实现从深度休眠到运行，跨越5个状态的话，首先芯片一定要灵活。休眠唤醒的时间不能太长，如果太长，系统可能对一些实时的信号没法响应。这里设计了多种频率源，另外一个设置了多种唤醒的方式。还有一个讲到芯片一级，讲到每一个管脚的漏电流。因为芯片内部都是摩斯管以及一些保护电路，只要芯片上电，一定是有漏电流存在的。这个漏电流或多或少会影响功耗。

从技术指标上看，Microchip  XLP的功耗到底是多少？在休眠的时候它只有100nA，目前最好的可以实现13nA。我们的芯片MCU已经可以在1.8V的时候正常工作。在这个电压下，最低的静态功耗可以达到13nA，nA这个级别已经非常小了。实时系统是定时唤醒的时候必不可缺的一个环节，那么在设计的时候，系统还需要一个实时日历。这时候的功耗一般是在800nA。Microchip  XLP的芯片它可以达到500nA，也就是0.5微安，功耗非常低。还有一个非常关键的模块是看门狗，一旦系统不工作了，还可以用看门狗来唤醒，一旦时间溢出，看门狗就会唤醒芯片。看门狗这个模块的工作电流是多少？在2.0V的时候它只有200nA。如果把这三个加起来，就既可以实现看门狗保护，又可以实现定时的启动，这时候的系统功耗可以降到1个微安以下。

 

这里引入了深度休眠的几个概念，一个是深度休眠，深度休眠超出了以前的Sleep模式。另外，根据深度休眠还设计了深度休眠的看门狗，这和普通的看门狗也是不太一样的，因为它的功耗要大大的降低。除此之外，还有一个很关键的电量，就是电源VDD。如果在休眠的时候电源掉了怎么办？如果出现一个向下的陡降怎么办？这时候一般会对芯片造成不稳定的状态，MCU要把这种状态杜绝掉，怎么办？加入一个BOR，也就是嵌压复位。当电压掉到一定程度的时候，BOR就会保证芯片处于复位状态，等电压回升以后，它又可以使芯片重新工作，保证芯片可以复位而不进入一种逻辑不定状态。所以BOR也是在深度休眠的模式下设计的一个模块。另外一个就是低的输入泄露电流，也就是芯片越大，我们的凹口越大，每个凹口内部的一些保护电路以及摩斯管它漏电流也就会越多。所以我们针对这个，每个凹口的电流也非常小。

 

这里是节能模式的一个参数，后面的可能看不清楚，大体是这样的，全部工作的时候的典型电流是多少，用途；空闲的时候，即MCU的ALE在工作，可能外围的外设是处于不工作状态的。这时候系统就等待某些事情的触发，功耗也会降很多。接下来就是休眠的模式下，再用到深度休眠。我可以给大家指一两个参数，在典型电流的时候，休眠的时候是50-100nA，深度休眠的时候小于50nA，从这个参数上就可以看出深度休眠比一般的休眠它的功耗又降低了很多。

深度休眠是把功耗降到最低，这也是一个功耗的比较。深度休眠和普通的休眠稍微有点区别。休眠的时候，内部的所有的RAM都是保持上电的。这时候内部的数据是不变的。如果要保证深度休眠，一般要释放这些电压，所以只保持几个寄存器，让芯片知道休眠之前的某些状态，唤醒的时候，就把这些状态取出来，然后继续在这些状态下工作。所以深度休眠一定是舍弃一些东西，来保证一些东西的指标。这里有些RTCC是可以在休眠下工作的，而且在深度休眠的时候，它的状态是不变的。深度休眠的时候还有一些数据，一些RAM是不变的，一旦唤醒的时候，系统可以根据这些寄存器的数据恢复到休眠之前的一些参量以及状态。

 

 

 

深度休眠的应用大家都比较了解，凡是这种摇控器，像家里的电视遥控器、空调摇控器这些都可以用深度休眠。因为我们在一天中按的时间非常短，大部分时间都是在休眠。而且有些应用，像摇控器，唤醒的时候，完全可以不记任何状态，从复位的状态开始工作，我建议大家可以在这些地方用深度休眠。如果休眠的时候保持的状态和数据比较多，可以择情使用。

 

这是超低功耗的一些单片机。到目前为止，Microchip已经推出了几十种，甚至上百种的超低功耗芯片了。涵盖了8位、16位以及32位单片机，从最小的6个管脚的MCU到最大的144个管脚的MCU。而且这些MCU根据不同的应用包含了一些特殊的设置，比方说USB，可以做USB的从设备，也可以做USB的主设备。像芯片里面包含了以太网。

 

在下一节课里可能给大家阐述一下MCU的一些特点。现在只知道Microchip超低功耗，我们称之为XLP的芯片非常多，非常适合大家在设计时候选用。除此之外，这些网页里面给大家提供了很多的应用代码以及应笔记。在设计的时候，我们可以参照应用代码以及应用笔记来设计一些初级的产品。通过简短时间的20分钟时间，我给大家简略的说了一下Microchip XLP的超低功耗技术。 Microchip对超低功耗MCU付出了很多的精力和物力，研发出了非常多的产品，大家可以在以后的设计过程中选择、使用及了解。而且Microchip还为大家设计了很多的应用笔记以及资料。我们也会陆续把这些资料翻译成中文，以便大家学习。好，谢谢！

 

本文整理自 2011西部工业开发者论坛的演讲内容，欲了解更多详细信息请访问www.52solution.com/data/datainfo/id/5165