當(dāng) MCU 功耗剛開(kāi)始成為重中之重時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)單地查看數(shù)據(jù)表來(lái)比較有功功率，希望它們都處于相同的頻率，并據(jù)此做出判斷。比較睡眠模式下的功耗并不是那么困難，盡管您必須確保它們都指定 RTC 開(kāi)啟、其他時(shí)鐘停止、數(shù)據(jù)保留、其他外設(shè)處于三態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)等等。即便如此，隨著 MCU 供應(yīng)商在幾何曲線(xiàn)上遵循摩爾定律，有功功率的節(jié)省被增加的漏電所抵消，這使得睡眠模式變得越來(lái)越?jīng)]有完全關(guān)閉芯片部分的吸引力。

　　今天，比較不同 MCU 之間的功率規(guī)格變得更加復(fù)雜，因?yàn)楣?yīng)商已經(jīng)實(shí)施了可能無(wú)法直接比較的各種低功耗模式。由于大多數(shù)應(yīng)用中的 MCU 通常將大部分時(shí)間花在一種或多種睡眠模式中，因此問(wèn)題就變成了 MCU 能否從這些模式中的每一種足夠快地返回到運(yùn)行模式以完成手頭的任務(wù)。本文將探討喚醒時(shí)間作為評(píng)估給定斷電模式是否適合給定應(yīng)用的重要變量。因此，喚醒時(shí)間已成為一項(xiàng)重要的低功耗規(guī)范。

　　醒來(lái)！

　　最新一代的 MCU 具有多種睡眠模式，每種模式都涉及關(guān)閉越來(lái)越多的功能。瑞薩電子 RX111具有三種掉電模式：休眠、深度休眠和軟件待機(jī)，如圖 1 所示。

　　圖 1：瑞薩電子 RX111 功耗和喚醒時(shí)間（瑞薩電子提供）。

　　RX111 有多種運(yùn)行速度，睡眠和深度睡眠模式下的功耗取決于外設(shè)時(shí)鐘的速度，因?yàn)?I/O 引腳和高速片上振蕩器 （HS OCO） 保持活動(dòng)狀態(tài)即使 CPU 時(shí)鐘已關(guān)閉。

　　在睡眠模式下，CPU 停止并保留數(shù)據(jù)。32 MHz 睡眠模式下的功耗通常為 6.4 mA，返回運(yùn)行模式需要 0.21 μs。

　　在深度睡眠模式下，CPU、RAM 和閃存停止并保留數(shù)據(jù)，但多個(gè)外設(shè)保持活動(dòng)狀態(tài)。在 32 MHz 時(shí)，RX111 消耗 4.6 mA 電流，需要 2.24 μs 喚醒并進(jìn)入運(yùn)行模式。

　　在軟件待機(jī)模式下，PLL 和除副時(shí)鐘和 IWDT 之外的所有振蕩器都停止；幾乎所有模塊都被關(guān)閉，但數(shù)據(jù)被保留。此模式下的電流消耗從 350 到 790 nA 不等，具體取決于是否使用 LVD 和 RTC 功能。在 32 MHz 時(shí)，CPU 需要 40 μs 才能返回運(yùn)行模式。

　　關(guān)閉的功能越多，芯片消耗的功率就越少，但喚醒并執(zhí)行有意義的工作所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。如果喚醒到慢速運(yùn)行模式，喚醒時(shí)間可以大大縮短。例如，如果 CPU 以 4 MHz 運(yùn)行，RX111 需要從軟件待機(jī)跳轉(zhuǎn)到運(yùn)行模式所需的 40 μs 縮短到 4.8 μs，這可能足夠快，可以定期檢查傳感器數(shù)據(jù)。

　　喚醒時(shí)間通常是決定設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用程序的任何給定點(diǎn)可以使用哪種斷電模式的限制因素。監(jiān)控電池電壓的 RX111 應(yīng)用程序（例如掉電檢測(cè)器）可能以 1 MHz 運(yùn)行，大部分時(shí)間處于軟件待機(jī)模式（消耗 0.9 mA）并在 15.8 μs 內(nèi)喚醒。另一方面，不斷輪詢(xún)的高速數(shù)據(jù)處理應(yīng)用程序可能只能斷電進(jìn)入睡眠模式（32 MHz 時(shí)為 6.4 mA），以便足夠快（在 0.21 μs 內(nèi)）喚醒以解析標(biāo)頭并確認(rèn)收到。

　　快速低功耗 32 位 MCU

　　選擇最適合給定應(yīng)用的低功耗 MCU 始終涉及“四個(gè) P”：功耗、性能、價(jià)格和外設(shè)。假設(shè)外圍設(shè)備足夠且價(jià)格可以接受，明智地調(diào)整喚醒時(shí)間可以減輕功耗和性能之間的權(quán)衡。結(jié)果將是特定于應(yīng)用程序的，但非常值得追求。它還涉及大量研究數(shù)據(jù)表和用戶(hù)手冊(cè)，或者在最壞的情況下，在評(píng)估板上分析您的代碼，因?yàn)橥ǔ２蝗菀渍业絾拘褧r(shí)間。下面的簡(jiǎn)短調(diào)查省略了大部分細(xì)節(jié)，以便盡可能對(duì)一些領(lǐng)先的低功耗 32 位 MCU 進(jìn)行比較。指示的最低功耗模式是數(shù)據(jù)保留和 RTC 開(kāi)啟。

　　恩智浦的 LPC110/04是一款低成本、50 MHz、32 位基于 ARM? Cortex?-M0 的 MCU，具有 32 KB 閃存、8 KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 11 個(gè) GPIO 引腳。LPC1102 具有活動(dòng)、睡眠和深度睡眠模式。它可以在 56 μs 內(nèi)從深度睡眠模式 （220 nA） 喚醒。主動(dòng)模式功耗約為 140 μA/MHz。

　　飛思卡爾的 Kinetis KL05是一款基于 48 MHz ARM Cortex-M0+ 的 MCU，具有高達(dá) 32 KB 的程序閃存和 4 KB 的 RAM。KL05 MCU 提供了相當(dāng)大的靈活性，具有九種低功耗模式和一個(gè)異步低泄漏喚醒控制器，可根據(jù)應(yīng)用要求實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化。有功功耗約為 89 μA/MHz，在最低功耗模式下降至 0.96 μA。從前一個(gè)模式喚醒的時(shí)間為 96 μs。

　　意法半導(dǎo)體‘ STM32L151C6U6是一款基于 32 MHz ARM Cortex-M3 的 MCU，具有高達(dá) 128 KB 的閃存、16 KB 的 RAM 和 93 個(gè)快速 I/O。運(yùn)行模式下的功耗為 214 μA/MHz。在其最低功耗模式下，它消耗 0.9 μA 電流，并且可以在不到 8 μs 的時(shí)間內(nèi)喚醒。

　　Silicon Labs 的 EFM32G210 MCU（之前的 Energy Micro Gecko）具有 32 MHz ARM Cortex-M3 內(nèi)核，在運(yùn)行模式下消耗 180 μA/MHz。EFM32 有四種低能耗模式（圖 2）；軟件啟動(dòng)從活動(dòng)模式 （EM0） 到低功耗模式的轉(zhuǎn)換，并中斷觸發(fā)轉(zhuǎn)換回 EM0。在其最低功耗模式下，EFM32G210 消耗 0.9 μA 電流，并可在 2 μs 內(nèi)喚醒。

　　圖 2：Silicon Labs EFM32G210 能量模式轉(zhuǎn)換（由 Silicon Labs 提供）。

　　圖 3 總結(jié)了上面給出的信息。它應(yīng)該被視為具有指導(dǎo)意義，但不是確定性的，因?yàn)槊總€(gè)芯片都有多種具有不同喚醒時(shí)間的斷電模式，每種模式都可能適用于應(yīng)用程序的不同點(diǎn)。目前，需要大量挖掘數(shù)據(jù)表和硬件手冊(cè)才能找到除最低功耗睡眠模式之外的所有模式的喚醒時(shí)間，如果速度足夠快，甚至可能出現(xiàn)在產(chǎn)品手冊(cè)中。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該鼓勵(lì)半導(dǎo)體供應(yīng)商分解這些信息并使其更容易獲得；因?yàn)樗堑凸脑O(shè)計(jì)中的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖 3：32 位 MCU 睡眠模式和喚醒時(shí)間的比較。

　　從紙到實(shí)踐

　　顯然，您需要查看預(yù)期應(yīng)用的功率曲線(xiàn)，以便準(zhǔn)確評(píng)估給定的 MCU 是否能夠滿(mǎn)足您的功率目標(biāo)，這通常歸結(jié)為便攜式應(yīng)用中可接受的電池壽命。為了準(zhǔn)確地做到這一點(diǎn)，您需要在圍繞目標(biāo)處理器構(gòu)建的評(píng)估板上編譯、下載和運(yùn)行您的代碼。如果您的供應(yīng)商的 IDE 包含電源分析器，請(qǐng)查看您的應(yīng)用程序在每種斷電模式下花費(fèi)了多少時(shí)間；如果沒(méi)有，請(qǐng)?jiān)谡{(diào)試器中設(shè)置斷點(diǎn)并自行查找。查看是否沒(méi)有可以在較低時(shí)鐘速率下運(yùn)行的代碼段；如果您要使用低功耗睡眠模式，還要檢查 CPU 是否可以足夠快地喚醒。更多的選擇帶來(lái)更多的復(fù)雜性，

　　總結(jié)

　　當(dāng)有多種 MCU 掉電模式可用時(shí)，每種模式的喚醒延遲將決定其對(duì)給定功能的適用性；只有確定了這一點(diǎn)，您才能開(kāi)始比較不同 MCU 的功率曲線(xiàn)。哪種 MCU 最適合特定設(shè)計(jì)最終將由應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)。有關(guān)此處討論的 MCU 的更多信息，請(qǐng)使用提供的鏈接訪問(wèn) Digi-Key 網(wǎng)站上的產(chǎn)品頁(yè)面。