低功耗MCU的選擇

威海職業學院 孔憲青

引言

產品設計的重要一環就是單片機的低功耗模式，是可穿戴設備、醫療設備、手持設備等電池供電的產品中的重要性能指標。現階段，很多廠商提供了多樣的MCU低功耗處理方法。本文以低功耗為切入，闡述對MCU的選擇。

1 低功耗模式

低功耗模式是指設備正常工作的前提下，通過關閉外設和內核部分，使MCU在總體電量不變的條件下能更長時間的工作。1996年出現的16位MSP430系列通過關閉CPU、倍頻環、數字時鐘發生器、振蕩器而組合出五種低功耗模式，LPM4模式下供電電流可以低到0.1uA。但隨著產品性能的日益要求，32位MCU出現并進入低功耗領域，出現了ARM架構的Cortex-M0的低功耗內核。圖1是MSP30G2553和STM32F011的部分時鐘樹的對比。

圖1 MSP430G2553和STM32L011的部分時鐘樹

可以看出，后者對外設的頻率控制更精細，既能獲得32位性能又能獲得更好的功耗控制。其Cortex-M0+系列的外部高速時鐘晶振預分頻為AHB，然后再分解為APBx，對于外設的控制比MSP430系列有更多選擇。時鐘是啟動外設和給電的源頭，因此通過APBx有更多不同分頻以供不同外設而達到最優的功耗。而MSP430G2553只有MCLK分解的SMCLK和ACLK可用，也就是達不到精準控制外設時鐘的目的，也不能精準控制外設功耗。總之，低功耗模式就是精準的控制時鐘及其分頻，以達到降低外設功耗的目的。

2 MCU的選擇

現階段，低功耗 MCU百花齊放。TI、ST、NXP、Atmel等公司都提供了大量的可供選擇的芯片。從低功耗方面，通過幾種類型的芯片進行對比，部分參數見表1。

對比發現，ARM架構三內核性能的排序為CM3＞CM0+＞CM0，運行功耗的排序為CM3＞CM0＞CM0+，即CM0+內核的能效高于CM0，運算性能僅次于CM3，但CM0+比CM3價格低，中斷響應卻更快，故CM0+更適合應用于低成本低功耗的產品。那些對功耗要求苛刻、運算處理復雜、且需控制成本的設備選擇Cortex-M0+內核的MCU最為合適。這樣的主流芯片有ST公司的L0系列，NXP公司的LPC800系列，Atmel公司的SAML2系列等。其中STM32L0系列有三條主要的產品線，差異在于不同的外設模塊，如USB控制器、LCD控制器和DAC。恰當地選用有助于減少外部芯片的數量，降低系統成本和功耗。因此，片上集成資源的數量、種類、性能和功耗，也是決定MCU選型的重要參考因素。

3 低功耗設計的其他注意及總結

除了選擇合適的低功耗MCU之外，還要考慮影響功耗的其他方面：（1）盡量選擇32位高線寬MCU，高密度指令可能是低位寬的幾條指令之和，可有效降低指令能耗；（2）隨時關頻及時掐死外設，這是低功耗實現主要方式；（3）時鐘不要倍頻，盡管高頻運行可降低任務執行時間，但頻率越高能耗越高；（4）針對特定的任務合理搭配時鐘頻率，迅速完成以爭取更多的休眠時間；（5）恰當的休眠模式和休眠時間；（6）中斷的喚醒和低功耗的回歸都應迅速，休眠保證了低功耗，但也務求迅速喚醒，以最低功耗完成工作后，再以最快速度回歸休眠狀態；（7）優化任務的時間片，將平均功耗降到最低，使用事件觸發狀態機模式編程；（8）內外部上下拉IO口可能造成涓涓細流，仔細檢查IO口高阻態以避免能耗浪費；（9）如果不能避免IO設置為上下拉，就要避免IO與外設形成持續的電流回環，最差也在進入MCU睡眠模式之前，根據外設情況設置最小電流回路。

表1 典型低功耗MCU的指標對比

總之，考慮以上的注意事項并選擇具有Cortex-M0+內核的MCU是現階段低功耗的保證。低功耗MCU也將在手持設備、可穿戴設備和醫療設備的應用中具有廣闊前景。

[1]佚名.智能硬件開發如何選擇低功耗MCU[J].電子產品世界.