消费和工业应用中的低功耗考量:分析过度消费的危害
消费和工业市场要求在新产品设计中提高能源效率。便携产品需要新一代技术来延长电池使用寿命，而大型产品(如白色家电)则需要提高能源效率来保持竞争优势。很多情况下，利用电子组件替换机械组件可以降低板卡功耗，附加的软件控制能够精确调整应用的功率性能。
产品组件的不断进步让工程师能够使用新概念和新技术解决初期产品的功率使用限制问题。微控制器(MCU)是降低功耗的主要因素，这是基于以下两点原因：首先，MCU自身在消耗功率；其次，MCU负责控制同样会消耗功率的其他系统组件。因此，MCU制造商需要在他们的最新产品设计中结合一些低功耗特性。
本文将重点介绍目前有哪些举措可满足这一市场需求、已经使用了什么方法、以及需要增加哪些功能来减少功耗。同时，本文还对在应用设计中如何充分利用这些方法和功能进行了阐述。低功耗的MCU芯片
以Freescale为例，其Flexis系列MCU实现了消费电子和工业应用领域的低功耗设计。从RS08到飞思卡尔性能最出色的ColdFire v4处理设备，都是Controller Continuum利用兼容性能，提供性能频谱向上或向下轻松移植的路径。Controller Continuum上的连接点是S08和ColdFire v1微控制器，它们共用外围设备和开发工具，以实现最好的移植灵活性。许多Flexis微控制器设备之间具有引脚对引脚的兼容性，允许控制器交换，无须重新设计板卡，并让MC9S08QE128(S08)和MCF51QEl28(ColdFire V1)保持原来的样子。
功率与性能对比
系统设计人员必须平衡功耗(主要测量参数，单位A)和性能(单位MIPS)之间的关系，才能满足应用的需求。总之，组件计时越快，消耗的功率越高。在运行时间最长的应用中，最经济高效的解决方案就是将运行速度降到系统能够允许的最低速度。电机控制就是一个很好的例子。如果关键功能是通过ADC信道来转换信号，根据Nyquist定律，ADC的计时速度不可能低于最低频率，从而限制运行MCU的速度。在许多案例中，该应用会尽快执行预定任务，以便MCU快速转换到很低的功率状态，从而实现最低整体功耗。例如，烟感器只需要每5秒钟唤醒一次，读取数据、做出决策、然后回复睡眠状态。这种方法在使用电池的设备中非常普遍。这类系统有将近99％的时间都处于睡眠状态。
为了启用这类系统，将快速时钟开关和快速唤醒程序整合可帮助应用设计者达到他们的目标功耗要求。
烟感器案例分析
图1和图2分别是烟感器模块图和功率与时间对比图。MCU包括一个烟室主输入和两个输出――警报和发光二极管(LED)。MCU上的实时时钟(RTC)模块可以从“停止2”(StoP 2)模式上定期唤醒设备，支持运算放大器读取数据和处理数据，确定LED和警报状态。然后MCU重新进入停止2模式以节约能量。HCS08在停止2模式中需要的电流比ColdFire V1控制器相同部件所需电流略低，但S08 CPU具有的内置数据处理功能也更低。图2对两种设备的功率和时隙进行了对比，以帮助选择最适合具体应用情况的解决方案。在任务执行速度是最关键问题的应用中，MCF51QEl28 ColdFire V1微控制器设备可能是更好的解决方案。这两种产品的引脚兼容性意味着可以使用相同板卡、软件和工具，快速、轻松地从一种策略移植到另一种策略。
时钟选择
QEl28(包括S08和ColdFire v1微控制器产品)的核心是内部时钟源模块(ICS)，如图3所示。这个模块支持设计人员选择32kHz―16MHz的任意外部参考时钟(ERCLK)或者选择可在31.25～39.06kHz之间进行修整的任意内部参考时钟(IRCLK)。ICS的核心是锁频环(FLL)模块，该模块能将输入时钟提高数倍，最高可达50MHz。FLL的输入时钟也称FLL参考时钟。该时钟必须在31.25～39.06kHz频率范围才能让FLL运行正常。这对内部FLL参考时钟来说操作并不复杂，要做的全部事情就是将频率修整到正确范围。外部参考时钟频率高达16MHz，可以通过参考分配器(RDIV)分压，可编程数量为1～1024个。如果需要低频总线，还可以避开FLL。将时钟信号输入ICSOUT信号之前，可以使用另一个分配器模块即总线频率分配器(BDIV)将时钟信号除以1、2、4或8，所以MCU总线时钟是ICSOU了除以2。
ICS还控制一个独立的1kHz的低功率振荡器(LPO)，该设备可供RTC和看门狗(COP)使用。这种功能可以用于达到EN6O730标准的要求。EN60730标准专门针对家电及类似应用的自动电控。
实现MCU灵活性的关键是能够在不同模块上同时使用内部和外部振荡器源。这意味着一些模块的运行速度要低于另一些模块，从而可以降低功耗。
MCU的设计还结合了与时钟相关的另一种功率节约功能。系统时钟门控负责控制寄存器1和2(SCGCl和SCGC2)门处于开(1)或关(2)位置，时钟源控制计时器门控、ADC、内部集成电路(I2C)、串行通信接口(SCI)、调试解调器模块、闪存、外部中断请求(IRQ)、键盘中断模块(KBI)、模拟比较器、RTC和串行接口(SPI)。关闭未使用模块的时钟门控能够节约MCU运行和等待模式中原来消耗的微安培电流。这一功能对于QEl28这类设备非常重要，因为MCU结合了许多通信模块和计时器。
只有在需要时才打开门控模块，操作完毕时就关闭它们，这是一种很重要的节能技术。寄存器书写完毕后时钟就立即打开和关闭。不过，也要注意以下几点。
●所有时钟门控复位到打开位置之后，为了控制功耗，应当尽快关闭时钟门控；
●书写到门控关闭模块的寄存器无效；
●为避免操作错误，应当在关闭门控之前关闭模块，并且在打开门控之后才打开模块。
操作模式――时钟
正如上文的介绍，ICS被路由到所有功耗和组件控制外围设备上，因此设计人员能够选择他们需要的功率减少级别和性能级别。以下其他因素应当相同。
●使用低射程、低增益的外部振荡器比使用内部电路更节约功率；
●避开频锁环(FLL)或锁相环(PLL)降低频率，或通过绕开FLL电路节约功率；
●禁用MCU上的功能可能比避开FLL更能节约功率。
注意，在PLL和FLL之间选择时，FLL是功率最低的选项，但如果长期运行，它的准确度稍差一些。 以QEl28 MCU为例，其ICS具有6种运行模式：默认模式FLL EngagedInternal (FEI)、FLL EngagedExternal(FEE)、FLL BypassedInternal(FBI)、FLL BYPassedExternal(FBE)、FBI低功率(FBILP)和FBE低功率(FBELP)。所有模式都通过ICS控制寄存器2上的LP位激活。FBILP和FBELP减少振荡器轨道上的电压摆动，从而降低整体功耗。
操作模式―OPU
在系统设计的合适阶段选择适当模式，可能会实现或突破产品的功耗目标。选择运行和低功率模式之后，最新一代的MCU产品提供各种模式，并且分别有各自的优点和缺点。必须选择退出路径、唤醒次数和寄存器保持。以QEl28为例，除了常用运行模式，还有另外5种节能模式，其中的等待、“停止3”和“停止2”三种模式对S08内核来说不是新功能，这几种模式对其他内核来说也很普遍，只是采用的名称可能有所不同。
在等待模式中，关闭CPU纯粹是为了保存电源。这样能维持MCU系统模块和完整的电压调节，等待模式节省的电是运行模式的30％～60％，具体节约数量由总线频率决定。任何中断操作都可能立即退出等待模式。
停止模式使系统时钟停止，并且让稳压器处于备用状态。QEl28的“停止3”是两种停止模式中功耗最高的模式，但它只需6μs就能进入唤醒状态。这一模式又有3个版本：支持BDM的停止模式、使用稳压器的停止模式和不带任何其他功能的停止模式。
与等待模式不同的是，从停止3退出的操作只限于R7C、低电压检测／低电压警告(LVD/LVW)、ADC、带内部参考的模拟比较器(ACMP)、IRQ、SCI、KBI和复位。停止2是QE128MCU的最低功率模式，此时内部电路通电，但仍保持RAM内容和引脚状态。最主要的区�是现在只有3种方法退出这种模式：复位、IRQ和RTC。MCU在退出时复位，其方式与电源打开时的复位方式相同。
低功率运行(LPR)和低功率等待(LPW)是两种新的节能模式。与正常运行模式相比，LPR通过将稳压器置于备用状态来达到节能目的。不过，要进入这种模式，必须运行功率最低的ICS模式――FBELP模式。低电压保护系统必须停用，同时MCU内部带间隙和芯片电路仿真器／背景调试控制器(DBG/BDC)模块也都要停用。因为不管总线频率如何，这三个模块都会消耗大量功率。由于稳压器处于备用状态，建议在该模式中利用所有机会让功率保持较低。
低功率等待(LPW)模式只能从LPR切换过来，因为它们的LVD电路、调试和ICS模式等限制都相同，与LRP状态相比，MCU在LPW状态中通常能将功耗降低50％。其他有助于节能的MGU功能
其他一些功能也能有效降低功耗。以QEl28 MCU为例，它具有可重新编程为1.8V的闪存，这有助于延长便携式应用中的电池使用寿命。QE128设备上的3个端口具有设置(Set)、清除(Clear)和开关(Toggle)功能，这能加快引脚操作速度，减少代码执行时间，从而快速重新进入低功率模式。设备的所有输出引脚都带有回转速率控制，这样在驱动外部组件时，它能通过减缓瞬时现象来降低功率和驱动强度控制。
结论
如果已经对模块的时钟源、时钟分配和时钟模式进行了充分考虑，而且在正确时间、合理时长内使用了正确的CPU模式，这时可以通过MCU来满足现代消费和工业产品的严格功耗限制。总之，优化的MCU设计能够将系统的功耗降低一半。