考慮到我們今天所生活的時代，嵌入式系統(tǒng)的便攜性是十分關鍵的設計考慮因素。便攜式系統(tǒng)通常用電池供電，而電池使用壽命取決于系統(tǒng)的功耗。在提倡“綠色環(huán)?！庇媱澋慕裉?，即便是市電供電的應用也要把功耗作為一項重要的產品選擇標準。
便攜式設備通常分為使用充電電池供電的設備和使用非充電電池供電的設備。如果應用使用的是非充電電池，那么電池使用壽命將是至關重要的規(guī)范要求。對于任何應用而言，電池使用壽命取決于：
●所用電池的可用電荷量
●應用的平均電流消耗
使用充電電池的應用還要考慮到另一個參數，那就是電池充電的頻率和每次充電所花的時間。從最簡單的角度說，延長電池使用壽命可通過提高電池容量或降低應用的平均電流消耗來實現。由于電池重量過大會影響系統(tǒng)的機械約束和成本，因此系統(tǒng)設計人員只能將電池電量提高到一個限值。在電池化學技術的全新發(fā)展不斷提高電池電荷密度的同時，我們還亟需想辦法繼續(xù)降低平均功耗。
應用的平均功耗取決于：
●每個電路組件的功耗
●應用的供電方案以及電力如何通過柵極輸送到設計的各個部分
●設計中的各個組件是如何在不同的工作條件下工作的
每個組件的功耗可從各組件的器件數據表獲得。了解每個組件的功耗拆分信息非常重要，這有助于設計出色的系統(tǒng)，實現低功耗優(yōu)化。
不妨來設想一個簡單的小型電池供電數字時鐘。該設備可用于計時，并在按下按鍵時能顯示當前時間。設備通常處于斷電模式以節(jié)電，只有在檢測到按鍵動作時才會被喚醒并刷新顯示屏。顯示屏和主電路在工作一段時間后會返回斷電模式以節(jié)電。該系統(tǒng)的高層次方框圖參見圖1。
圖1:小型數字時鐘的高層次方框圖
電路采用RTC計時，用主控制器芯片與RTC通信，并管理顯示屏界面。整個系統(tǒng)大部分時間處于斷電狀態(tài)，顯示屏關閉，主控制器也處于斷電模式，這樣電流消耗可降到最低，所有外設都關閉。按鍵則作為喚醒設備的觸發(fā)器，以獲取RTC數據并在顯示屏（通常為LCD）上進行顯示。
要分析這種系統(tǒng)的功耗，要看的第一個數據就是設備和顯示屏都處在斷電模式下的典型平均電流是多少。應查看每個外設和控制器的數據表，以了解功耗數據。為了最大限度地降低功耗并延長電池使用壽命，應做到給所有不使用的外設斷電。在本應用中，這個不使用的外設就是顯示屏。與顯示屏形成對比的是，RTC需要始終進行供電，以實現計時功能。
MCU通常是大多數系統(tǒng)中總功耗的主要來源。這一點同樣適用于本案例中的應用，如果不能選擇并適當使用正確的MCU時尤為如此。有很多辦法可降低MCU的功耗，包括但不限于：
1.降低工作頻率
2.以更低的工作電壓運行
3.使用低功耗工作模式
MCU能在各種工作頻率上運行。然而，不同器件支持的頻率各不相同。MCU的功耗與工作頻率成正比，隨著頻率的升高，動態(tài)功耗也會升高。因此，MCU應該以盡可能低的頻率運行，同時能夠可靠地滿足系統(tǒng)的需求。
此外，頻率也與時鐘源有關。設備支持各種時鐘源選項，包括內部高速振蕩器、內部低速振蕩器、外部晶體振蕩器等。在大多數情況下，外部晶體可提高精確度，但代價是功耗較高。選擇低功耗時鐘源，往往要權衡速度和精確度。為選擇適當的時鐘源，確保系統(tǒng)性能和功耗的完美平衡，應該認真研究系統(tǒng)要求。
大多數MCU支持低功耗工作模式，從而滿足低功耗系統(tǒng)設計的要求。同樣，支持模式的數量以及每種模式的特性根據器件會有所不同。應適當使用低功耗模式，以降低平均功耗。常見的模式包括：
●工作模式：MCU正常運行。
●較低功耗模式：時鐘經門控后送至MCU,保持各種寄存器和RAM的狀態(tài)。
●最低功耗模式：包括MCU在內的所有外設都斷電。
當時鐘經門控后送至MCU時，功耗就是靜態(tài)功耗。靜態(tài)功耗取決于幾個因素，包括亞閾值條件和FET中的隧道電流等。此外，隧道電流在小型芯片設計的FET縮減時會成為主要因素（即尺寸減小使得氧化物的厚度減?。?/FONT>
今天，我們已經擁有在單芯片上實現完整系統(tǒng)/子系統(tǒng)高度集成的SoC.除了集成度之外，就功耗而言，這些SoC也有助于降低平均功耗，使其低于采用獨立MCU和分立外設的情況。
五種電源模式的詳細介紹
以下部分主要是介紹SoC以及如何提高其效率，從而有利于系統(tǒng)設計，降低功耗。
通常說來，SoC相對于傳統(tǒng)MCU而言能支持更多低功耗模式。其原因在于SoC集成度高，有更多片上組件和多種電源配置，以支持不同的工作需求。電源模式的數量與每種模式下的可用資源根據器件會有所不同。舉例來說，在某種低功耗模式下，某個器件能在僅保持寄存器和RAM內容的情況下給所有其它組件斷電，而另一種器件則只是給CPU斷電，而讓其它資源繼續(xù)運行。不同制造商會對這些模式采取不同的命名方法。在本文中，我們將以賽普拉斯的PSoC 4器件為例來詳細介紹各種電源模式。
以下電源模式也得到其它制造商的大多數設備的支持：
●工作模式
●休眠模式
●深度休眠模式
●冬眠模式
●停止模式
下面我們來看看這些電源模式的具體情況：
1.工作模式：在此模式下，CPU和所有片上其它資源都正常工作運行。該模式是系統(tǒng)整體功耗的最主要組成部分。在此模式下，如果不使用的話，可將芯片上的各種外設分別斷電。
2.休眠：這是控制器另一種常見的電源模式。該模式主要與CPU有關。當CPU進入休眠狀態(tài)后，其時鐘移除。CPU這時對總功耗的唯一影響就是靜態(tài)功耗，因為這時已經沒有時鐘開關切換工作，也就不會有動態(tài)功耗。ADC和比較器等其它外設在此模式下可用。
3.深度休眠：此電源模式下即便是系統(tǒng)時鐘也被禁用，所以在此模式下所有高頻資源都不可用。不過，這些資源的當前狀態(tài)不受影響，也就是說CPU寄存器、SRAM等的當前狀態(tài)不受影響。由于高頻時鐘被禁用，因此能節(jié)約開關消耗的功率。通常情況下，深度休眠模式提供低頻時鐘運行的選項，低頻時鐘可用來驅動定時器等低頻資源。此外，該模式也允許開發(fā)人員使用I2C從設備等通信協(xié)議塊，其無需器件自身生成時鐘。由于進入此模式的主要方法就是禁用系統(tǒng)主時鐘，因此這是可以實現的。然而，模塊仍然可通電。該模式對功耗的影響主要在于片上所有時鐘的靜態(tài)功耗。
4.冬眠：在此模式下，所有時鐘都關閉，包括低速振蕩器。片上所有資源，除了用于外部事件觸發(fā)喚醒的資源以外全都斷電。由于本模式下幾乎所有組件都斷電，因此該模式能減少靜態(tài)和動態(tài)功耗組件，從而實現最低功耗。
5.停止：顧名思義，停止模式就是所有外設斷電，即使是RAM和CPU寄存器的內容也不保持。在PSoC 4等類似器件中，這種模式下僅保持IO引腳的狀態(tài)。從這種模式下喚醒會進入芯片重啟動。
當分析一款應用的功耗時，必須查看所有電源模式下的功耗情況。
必須明確某種模式下能提供喚醒源。舉例來說，需要某種中斷才能從休眠模式喚醒，在冬眠模式下則需要I2C地址匹配中斷以喚醒器件。需要了解每種模式下有哪些資源工作，能提供什么喚醒資源。舉例來說，系統(tǒng)中可用比較器中斷作為喚醒源，在超出設定閾值情況下可用模擬輸入喚醒系統(tǒng)。就圖1所示的應用而言，喚醒需要采用GPIO中斷或者甚至硬復位，因為RTC會隨時運行，而且控制器不需要保持此前的狀態(tài)。
冬眠和停止模式下，功耗可低至100nA.對于RTC本身而言，您會很容易找到功耗很低的RTC（僅消耗100-200nA）。假設控制器直接驅動LCD,我們可認為LCD的關閉狀態(tài)功耗為零。
這就使得圖1所示系統(tǒng)中的平均功耗在300nA的范圍內。如果我們假設設計方案采用CR2032作為電源，電池容量約為225mAh.就300nA的電流來說，電池僅在器件始終處于斷電模式下能支持70到80年的工作。
每次按下按鍵，控制器都會喚醒。這會將控制器的功耗提升到500μA-1mA的范圍。假設功耗為1mA左右，控制器從RTC獲取數據并顯示在LCD上。控制器執(zhí)行這項工作只需很短的時間，但顯示屏要保持較長工作時間（假設說顯示屏亮起10秒鐘確保用戶看到數據）。作為直接驅動LCD,控制器必須保持較長的工作時間，也就是要消耗更多電荷。在此情況下，賽普拉斯的PSoC4等器件可提供低功耗模式，能讓設備關閉所有其它外設，僅運行驅動LCD所需的模塊。在這種器件中，LCD驅動運行在特定的低功耗模式下，這種模式被稱為數字關聯(lián)模式。其結果就是大幅減少電流消耗。
圖2:各種狀態(tài)下的電流消耗
每次按鍵都會經歷如圖2所示的電流曲線。曲線下方區(qū)域是單次按鍵的典型功耗。消耗的電荷計算如下：
Q = （1mA*1ms） + （20μA*10s）
根據上面的數據，我們可計算出給定電源能支持多少次按鍵。
工作模式下所花的時長非常重要，因為這種模式下耗電最大。一個選項是讓MCU保持工作模式，但CPU時鐘速度較低，從而降低工作模式下的耗電。不過，這會導致更高的平均功耗，因為工作模式所花的時間取決于時鐘頻率。此時由于MCU必須處于工作模式，因此功耗取決于MCU處理數據所花的時間。更快速的MCU能很快完成任務，從而延長處于低功耗模式下的時間，也就能讓系統(tǒng)減少功耗。系統(tǒng)設計人員可根據系統(tǒng)要求明確最佳配置。
在本系列文章的下一部分，我們將以更大型系統(tǒng)為例作講解，并介紹如何降低平均功耗。此外，我們還將探討一些降低平均功耗的系統(tǒng)級技巧。
作者：Sachin Gupta、Kannan Sadasivam
賽普拉斯
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