【经验】选择正确的芯片,软件和开发工具的组合实现低功耗系统

2019-03-12 Silicon Labs

简介

低能耗系统设计需要关注从芯片工艺技术到基于微控制器的嵌入式平台上运行的软件等非传统因素。在系统级别进行更仔细的检查发现决定微控制器(MCU)能效的三个关键参数:有功功率消耗,待机功耗和占空比,占空比决定了在任一状态下所花费的时间的比率,并且由软件的行为决定。

 

低能耗待机状态可以使MCU看起来非常节能,但只有在考虑了有效功耗的所有因素后,其真正的性能才会体现。由于这个原因和其他原因,如过程技术,IC架构和软件构建的权衡是许多具有微妙的,有时是意想不到的结果的决策中的一些。微控制器上功能块组合的方式对整体能效产生了巨大影响。即使看似微小且微妙的硬件实现变化也会导致系统寿命期间的总体能耗大幅波动。

 

低能耗应用

计量和报警系统通常由一节电池供电10年。传感器读数的电流消耗略有增加(在产品的整个寿命期间可能会产生数亿个),这可能导致产品实际的现场寿命损失数年。一个简单的烟雾报警器可以在一生中检测到空气中烟雾颗粒的存在,在其使用寿命期间将获得3.15亿个读数。

 

简单烟雾报警器的活动比率或工作周期相对较低。每个传感器读数可能需要不超过几百微秒才能完成,并且大部分时间用于校准和稳定,因为微控制器唤醒了模数转换器(ADC)和其他敏感的模拟元件并允许它们达到稳定的操作点。在这种情况下,占空比可能导致设计在大约99.98%的时间内处于非活动状态。

 

传统的烟雾报警器比较简单。考虑更复杂的RF设计,其中结果通过传感器网格中继到主机应用程序。传感器需要监听来自主节点的活动,以便它可以发信号通知它仍然存在于网状(mesh)网络中或者向路由器提供最近捕获的信息。但是,这种增加的活动可能不会影响整个工作周期。相反,可以使用更高性能的设备在每个激活时段期间执行更多功能。由于其处理速度的提高(通过更先进的架构和半导体技术实现),更快的设备可以提供比运行更多周期的较慢设备更高的能效。关键在于理解过程技术,MCU架构和软件实现之间的相互作用。

 

第一部分:芯片选择

CMOS能量简介

几乎所有的MCU都是使用CMOS技术实现的。任何有源逻辑电路的功耗由公式CV2f给出,其中:C是器件内开关电路路径的总电容,V是电源电压,f是工作频率。 (参见图1.)电压和电容是基础工艺技术的因素。在过去三十年中,随着晶体管尺寸缩小,CMOS逻辑的片上工作电压从12 V降至2 V以下。由于电压是有功功率方程中的二次函数,因此使用较低电压会产生重大影响。

图1. 开关期间的CMOS逻辑结构和能耗

 

尽管电容项是线性的,但导致其整体水平降低的因素也受到摩尔定律缩放的极大帮助。对于给定的逻辑功能,更新的过程将提供比其前辈更低的电容,并且随之而来的是更低的功耗。此外,先进的设计技术可以通过仅运行具有实际工作的电路来降低整体开关频率,这种技术称为时钟门控。

 

与其他技术相比,CMOS大大减少了浪费的能源;但是,漏电流仍然存在。与有功功率消耗相比,泄漏随着摩尔定律的增大而增加,并且由于低占空比系统处于非活动状态的时间比例,因此需要在任何低能量应用中予以考虑。然而,与有功功率消耗一样,电路设计对实际泄漏具有显着影响。类似于时钟门控,功率门控可以极大地改善泄漏的影响,并使更先进的工艺节点成为低占空比系统的更好选择,尽管较旧的工艺技术可能提供较低的理论泄漏数字。

 

适当的工艺技术

每种功能都有适当的工艺技术。答案不是仅仅因为设备将在睡眠模式下花费很长时间而仅仅依赖于具有最低理论泄漏的一种工艺技术。在睡眠模式期间,可以禁用MCU的大段电源,使漏电分量超出等式。当电路处于活动状态时,泄漏是一个更大的问题,但是更先进的晶体管可以更有效地切换,从而可以轻易地超越泄漏。

 

例如,90nm工艺的泄漏电流与专用低功率180nm工艺的泄漏电流大约高出五倍。有源模式功耗降低了四倍,但这是基于一个更大的数字。采用180纳米微控制器,有源电流消耗为40mA,深度睡眠模式功耗为60nA,并将这些功率水平与90nm实现的功率水平进行比较,该功能够将有源电流降至10mA,但睡眠模式的电流会更高,为300nA。

 

在前面的示例中,MCU必须在0.0008%的时间内处于活动状态,以使90nm实现更加节能。换句话说,如果系统每天活动一秒,则90纳米版本的能量效率约为其180纳米版本的1.5倍。结论是,在选择流程几何时,了解应用程序的占空比非常重要。 (见图2)

图2. 工艺技术和占空比权衡

 

一旦选择了适当的工艺技术,IC设计人员就可以选择进一步优化能源性能。首次引入时,时钟门控的概念应用于相对粗略的水平。时钟门控增加了设计的复杂性,因为电路设计人员需要知道哪个逻辑路径在任何给定时间都需要时钟信号。

 

时钟分配

大多数微控制器实现使用分层结构将时钟信号和适当的电压电平分配给IC的每个部分。功能单元,例如指令处理块和外围设备,被组织成组。这些组中的每一组将由单独的时钟树和电力网络馈电。每组的时钟信号由分频器或乘法器从公共时钟源获得。类似地,如果组需要不同的电压(这种方法变得越来越普遍),则传送到每组外围设备的电压将由一组功率晶体管和电压调节器控制。

 

为了最大限度地降低设计复杂性,MCU采用了一种相对简单的时钟门控方案,只要组内没有功能单元处于活动状态,整个时钟树就会被禁用;但是,这允许执行无效工作的逻辑在活动的组中计时。例如,即使当前指令是分支,CPU内核中的加法器单元也可能接收时钟。如前所述,由该加法器内的时钟信号触发的切换使功耗增加了CV2f系数。

 

设计工具和技术的改进使得可以将时钟门控的粒度增加到没有外围或功能单元接收时钟信号的程度,如果在该周期期间没有工作要做的话。

 

通过使得可以在需要时向特定功能单元组提供较低电压,电压缩放提供了进一步的潜在节能。向一组功能单元或外围设备提供适当电压的关键在于片上稳压器或DC-DC转换器的实现以及监控电路的使用,以确保IC在所需电压下工作。

 

供电电源考虑因素

片上稳压器为系统设计人员提供了更大的灵活性,可以从电池中提取更多电量。例如,片上开关降压转换器(如Silicon LabsSiM3L1xx系列产品中的那些)可用于获取3.6 V的工业电池,并将其转换为1.2 V,效率超过80%。许多MCU没有此功能,并且使用线性组件将电压降至正确的水平,浪费更大。在高级实现中,当电池放电到不再有意义执行转换时,可以关闭降压调节器。因此,电源可以在设备的整个使用寿命期间针对能效进行优化,所有这些都在软件控制下进行。

 

Silicon Labs新推出32位微控制器SiM3L1xx,采用创新性的架构设计,Flash容量可达256kB, 不仅拥有丰富的片上资源,并且配备重要的外设接口,成为小型化、低功耗应用的理想选择。

结论

低能量系统设计是一个整体过程,通过选择正确的芯片,软件和开发工具的组合来实现。通过掌握每个变量之间的关系,系统工程师可以开发出更高性能和更节能的嵌入式系统,从而扩展电池供电应用的极限。



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本文由yuanyuanyuan翻译自Silicon Labs,如若转载请注明出处。

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  • zlchen Lv4. 资深工程师 2019-12-09
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  • 159******05 Lv3. 高级工程师 2019-11-23
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  • DF302 Lv3. 高级工程师 2019-11-17
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