小型化正在推動微控制器變得越來越小，性能越來越高。隨著控制器內核使用先進的硅制造工藝變得更小，有更多機會添加外設并減小設備的尺寸。與此同時，功耗越來越高，性能越來越高，外圍設備越來越多，泄漏電流越來越大，從而推高了散熱需求。

所有這些都創(chuàng)造了時鐘速度，電壓和封裝技術的完美平衡。為微型系統(tǒng)中的微控制器提供最佳性能。管理微控制器中的電源是將系統(tǒng)保持在散熱范圍內的關鍵因素，而不必使用主動冷卻，例如降低嵌入式系統(tǒng)可靠性的風扇。

雖然熱管等被動冷卻可以用于將熱量從散熱器傳遞到散熱片，這增加了系統(tǒng)的尺寸并且抵消了處理的小型化。因此，控制器中電源的管理和處理是整個系統(tǒng)小型化的關鍵因素。

控制器越小，越重視封裝和系統(tǒng)的熱特性。轉向芯片級封裝允許使用新的熱管理技術，例如熱涂層。這更加必要，因為硅芯片通常做得更薄以減少漏電流和電容，但這會減少可用的熱容器，并且可能使芯片更容易因熱不平衡而破裂。

美國ARPA研究機構有一項熱管理技術（TMT）計劃，該計劃正在探索和優(yōu)化納米結構材料，以便它們可用于熱管理系統(tǒng)。它致力于熱接地平面（TGP）技術和高性能散熱器，使用熱管的兩相冷卻來取代傳統(tǒng)系統(tǒng)中的銅合金吊具，以提高冷卻效率，而無需改變系統(tǒng)的設計。

該計劃還希望通過降低通過散熱器到周圍環(huán)境的熱阻來增強風冷式交換器，增加通過系統(tǒng)的對流，改善散熱片的導熱性，優(yōu)化和/或重新設計免費的散熱器鼓風機，并提高整個系統(tǒng)的性能系數(shù)。

與此同時，納米熱界面（NTI）項目正在研究能夠顯著降低熱阻的新材料和結構。電子設備背面和封裝的下一層之間的熱界面層，可以是散熱器或散熱器。

這是為了避免需要散熱諸如陶瓷材料之類的基板可能很昂貴。

有許多技術可以在微控制器中實現(xiàn)，以將功率保持在系統(tǒng)的熱封套內。降低系統(tǒng)電壓會降低功耗，并且在不使用時關閉設備中各個模塊的能力有助于降低熱活動。同樣地，降低時鐘頻率以匹配處理要求并添加時鐘門控以關閉外設模塊也有助于管理功耗。

這在恩智浦最新的微控制器LCP54102中有所體現(xiàn)，它解決了電源問題。處理器的組合。超低功耗32位ARM 100 MHz Cortex-M0 +內核的功耗為55μW/MHz，用于管理外設和監(jiān)控系統(tǒng)，采用更大的100 MHz ARM Cortex-M4處理器，可實現(xiàn)復雜的算法處理。 3.3 x 3.3 mm芯片采用90 nm工藝，256 KB閃存和104 KB SRAM，ADC，定時器和數(shù)字接口。

圖1：恩智浦Espresso開發(fā)板，帶有LCP54102微控制器。

所有這一切都旨在降低電池供電的傳感器融合應用的總體功耗，因為電壓會自動調整在0.85 V和1.35 V之間，以匹配每個處理器內核設置的不同頻率，具體取決于電源配置文件。這些電源配置文件位于帶有API的ROM中，可以輕松管理芯片上的所有外設以及內核的頻率和睡眠模式，盡管這些也可以直接調整。可以通過Espresso開發(fā)板訪問設置和API。但是，封裝和系統(tǒng)設計必須考慮器件的最大功耗。雖然可以降低平均功率，并且在空閑模式下使用的功率也較低，但峰值功率必須通過散熱器和將熱量從核心處理器移開的方式來適應。

一個例子是飛思卡爾半導體為其Kinetis KL03處理器開發(fā)的晶圓級芯片級封裝（CSP），其尺寸僅為1.6 x 2.0 mm。

圖2 ：飛思卡爾針對Kinetis KL03微控制器的芯片級封裝。

KL03 CSP（MKL03Z32CAF4R）減少了電路板空間，同時集成了低功耗（LP）UART接口，SPI，I2C，模擬等功能。 - 數(shù)字轉換器（ADC）和LP定時器，支持低功耗模式操作，無需將內核與ARM的Cortex-M0 +內核一起喚醒。

單周期快速I/O訪問端口可實現(xiàn)高效的位沖擊和軟件協(xié)議仿真，在保持功耗降低的同時保持8位“外觀和感覺”，以及多種靈活的低功耗模式包括一個新的計算時鐘選項，通過將外設置于異步停止模式來降低動態(tài)功耗。

圖3：Kinetis KL03的框圖 - 可以單獨控制外圍模塊，以最大限度地減少熱分布。

因此，Kinetis KL03 CSP的PCB面積減少了35％，但GPIO比其他器件少60％。這使設計人員能夠大幅減小電路板尺寸，同時不會影響最終產品的性能，功能集成和功耗，但仍然強調了良好熱管理的必要性。

圖4：帶有KL03控制器的飛思卡爾Freedom開發(fā)板。

通過收購Energy Micro，Silicon Labs現(xiàn)在擁有一系列高能耗的微控制器。 EFM32ZG微控制器結合了32位ARM Cortex-M0 +內核，創(chuàng)新的低能耗技術，節(jié)能模式的短喚醒時間以及多種外設選擇，旨在實現(xiàn)低能耗設計。

微控制器中的關鍵元件是能量管理單元（EMU），它管理微控制器中的所有低能量模式（EM）。每種能量模式管理CPU和各種外圍設備是否可用。該塊還可用于關閉未使用的SRAM塊的電源。這鏈接到時鐘管理單元（CMU），它控制芯片上的振蕩器和時鐘，除了啟用/禁用和配置可用的振蕩器外，還可以單獨打開和關閉所有外設模塊的時鐘。高度的靈活性使軟件能夠通過不浪費外圍設備和不活動的振蕩器來降低任何特定應用的能耗。

圖5： Silicon Labs的EFM32ZG低功耗微控制器。

使用ARM Cortex-M0內核的另一系列微控制器是英飛凌科技的XMC1000。這是采用65納米制造工藝來克服當今8位設計的局限性，閃存從8 KB擴展到200 KB。 XMC1200系列具有用于LED照明和人機界面設計的外圍設備，XMC1300系列可滿足電機控制或數(shù)字電源轉換應用的實時控制需求。由于該系列旨在取代8位設計中的控制器，因此采用16引腳和38引腳塑料TSSOP封裝，因此需要考慮更多熱量因素。這些可以通過深度睡眠模式解決，在不使用時關閉芯片。

圖6：英飛凌的32位XMC1000替換設計中的8位控制器并且必須考慮熱問題。

圖7：英飛凌的XMC1000開發(fā)系統(tǒng)。

結論

系統(tǒng)小型化的動力給微控制器子系統(tǒng)的熱設計和管理帶來了挑戰(zhàn)。這可以通過新的熱管和封裝技術來實現(xiàn)，以補償增加的功耗，并且還可以采用更復雜的電源管理技術。能夠使用系統(tǒng)軟件來控制各個外圍模塊以及控制器內核的時鐘信號和電壓也有助于降低功耗，從而使硅能夠在現(xiàn)有的甚至更小的芯片級封裝中有效運行。這有助于平衡減小核心和封裝尺寸的競爭需求與系統(tǒng)的散熱要求。