超低耗嵌入式应用：五种电源模式详解.docx

Word版本下载可任意编辑】 超低耗嵌入式应用：五种电源模式详解 通常说来，SoC相对于传统MCU而言能支持更多低功耗模式其原因在于SoC集成度高，有更多片上组件和多种电源配置，以支持不同的工作需求电源模式的数量与每种模式下的可用资源根据器件会有所不同举例来说，在某种低功耗模式下，某个器件能在仅保持存放器和RAM内容的情况下给所有其它组件断电，而另一种器件则只是给CPU断电，而让其它资源继续运行不同制造商会对这些模式采取不同的命名方法在本文中，我们将以赛普拉斯的PSoC 4器件为例来详细介绍各种电源模式 以下电源模式也得到其它制造商的大多数设备的支持： ●工作模式 ●休眠模式 ●深度休眠模式 ●冬眠模式 ●停止模式 下面我们来看看这些电源模式的具体情况： 1.工作模式：在此模式下，CPU和所有片上其它资源都正常工作运行该模式是系统整体功耗的主要组成部分在此模式下，如果不使用的话，可将芯片上的各种外设分别断电 2.休眠：这是控制器另一种常见的电源模式该模式主要与CPU有关当CPU进入休眠状态后，其时钟移除CPU这时对总功耗的影响就是静态功耗，因为这时已经没有时钟开关切换工作，也就不会有动态功耗。

ADC和比较器等其它外设在此模式下可用 3. 深度休眠：此电源模式下即便是系统时钟也被禁用，所以在此模式下所有高频资源都不可用不过，这些资源的当前状态不受影响，也就是说CPU存放器、 SRAM等的当前状态不受影响由于高频时钟被禁用，因此能节约开关消耗的功率通常情况下，深度休眠模式提供低频时钟运行的选项，低频时钟可用来驱动定时器等低频资源此外，该模式也允许开发人员使用I2C从设备等通信协议块，其无需器件自身生成时钟由于进入此模式的主要方法就是禁用系统主时钟，因此这是可以实现的然而，模块仍然可通电该模式对功耗的影响主要在于片上所有时钟的静态功耗 4.冬眠：在此模式下，所有时钟都关闭，包括低速振荡器片上所有资源，除了用于外部事件触发唤醒的资源以外全都断电由于本模式下几乎所有组件都断电，因此该模式能减少静态和动态功耗组件，从而实现功耗 5.停止：顾名思义，停止模式就是所有外设断电，即使是RAM和CPU存放器的内容也不保持在PSoC 4等类似器件中，这种模式下仅保持IO引脚的状态从这种模式下唤醒会进入芯片重启动 当分析一款应用的功耗时，必须查看所有电源模式下的功耗情况。

必须明确某种模式下能提供唤醒源举例来说，需要某种中断才能从休眠模式唤醒，在冬眠模式下则需要I2C地址匹配中断以唤醒器件需要了解每种模式下有哪些资源工作，能提供什么唤醒资源举例来说，系统中可用比较器中断作为唤醒源，在超出设定阈值情况下可用模拟输入唤醒系统就图1所示的应用而言，唤醒需要采用GPIO中断或者甚至硬复位，因为RTC会随时运行，而且控制器不需要保持此前的状态 冬眠和停止模式下，功耗可低至100nA对于RTC本身而言，您会很容易找到功耗很低的RTC（仅消耗100-200nA）假设控制器直接驱动LCD，我们可认为LCD的关闭状态功耗为零 这就使得图1所示系统中的平均功耗在300nA的范围内如果我们假设设计方案采用CR2032作为电源，电池容量约为225mAh.就300nA的电流来说，电池仅在器件始终处于断电模式下能支持70到80年的工作 每次按下按键，控制器都会唤醒这会将控制器的功耗提升到500μA-1mA的范围假设功耗为1mA左右，控制器从RTC获取数据并显示在LCD 上控制器执行这项工作只需很短的时间，但显示屏要保持较长工作时间（假设说显示屏亮起10秒钟确保用户看到数据）。

作为直接驱动LCD，控制器必须保持较长的工作时间，也就是要消耗更多电荷在此情况下，赛普拉斯的PSoC4等器件可提供低功耗模式，能让设备关闭所有其它外设，仅运行驱动LCD所需的模块在这种器件中，LCD驱动运行在特定的低功耗模式下，这种模式被称为数字关联模式其结果就是大幅减少电流消耗 各种状态下的电流消耗 每次按键都会经历如图2所示的电流曲线曲线下方区域是单次按键的典型功耗消耗的电荷计算如下： Q=（1mA*1ms）+（20μA*10s） 根据上面的数据，我们可计算出给定电源能支持多少次按键 工作模式下所花的时长非常重要，因为这种模式下耗电一个选项是让MCU保持工作模式，但CPU时钟速度较低，从而降低工作模式下的耗电不过，这会导致更高的平均功耗，因为工作模式所花的时间取决于时钟频率此时由于MCU必须处于工作模式，因此功耗取决于MCU处理数据所花的时间更快速的 MCU能很快完成任务，从而延长处于低功耗模式下的时间，也就能让系统减少功耗系统设计人员可根据系统要求明确配置 在本系列文章的下一部分，我们将以更大型系统为例作讲解，并介绍如何降低平均功耗。

此外，我们还将探讨一些降低平均功耗的系统级技巧 4 / 4。