创新技术实现低功率MCU设计

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创新技术实现低功率MCU设计

嵌入式市场迫切要求以更低的功耗实现更高的性能,这一需求现已扩展到大量便携式和墙上电源供电的应用中。为满足该需求,飞思卡尔始终致力于将低功耗设计扩展到更广的领域。最新推出的Kinetis(动力学)系列ARM Cortex-M4微控制器就是最新突破。2010年第四季度的数据抽样表明,Kinetis代表着基于ARM Cortex-M4新内核的首款适合广泛市场的混合信号MCU组合,同时也是业界扩展性能最强的ARM Cortex-M4 MCU的产品之一。多种硬件和软件兼容的MCU产品系列将提供卓越的性能和内存容量,其扩展性强,从采用超小QFN封装的50MHz、32KB闪存器件到带1MB闪存和工业用丰富外设集的150MHz器件均包括在内。低功耗在Kinetis MCU设计中发挥着核心作用。这从采用了飞思卡尔最新90纳米SG-TFS(分裂栅-薄膜存储器)工艺技术,以及大量具有省电功能的通用、专用外设上都可以反映出来。

  创新的低功率技术

  工艺技术是任何半导体产品的基本构建模块和决定MCU功耗的关键因素。除了能够提供超快访问速度、防止充电损失外,Kinetis MCU还是首款利用了飞思卡尔SG-TFS闪存技术优势的产品,该技术专门设计用来解决功耗敏感应用的需求。在设计SG-TFS位存储单元时,飞思卡尔在读取路径上使用快速、低电压的晶体管,从而将工作电压降到1.71V至3.6V这一较低的范围。在采用两个1.5V电池的应用中,一旦电压达到0.9V,电池寿命就会迅速缩短。这意味着与过去通常限制在2V甚至更高的MCU产品相比,1.71V的更低电压限制可以大大延长电池寿命。扩展的电压范围不仅适用于片上存储器:闪存、SRAM和飞思卡尔新的FlexMemory(可配置,耐用性强的EEPROM),同时也适用于模拟外设,因而即使在功率曲线的较低端也能实现连续的信号测量和调节。允许高速切换的信号工作在较低电压(通常为1.2V)下,TFS的电压特性还有助于降低运行电流。由于运行电流与C*V2*f成比例,电压下降对有效电流的闪存组件非常有利。

  必须具备的功率模式

  在电池供电的大部分应用中,CPU将大部分时间用于功率降低或休眠模式。因此,非常关键的一点是微控制器提供了极具吸引力的电源模式、唤醒源和启动时间选择,以便设计人员能够优化外设活动和恢复时间来满足应用需求,并最大限度地使用现有的可用能源。飞思卡尔的处理方式是在Kinetis MCU中配置不少于10种的运行、等待和停止模式,同时还配有多个唤醒源(见图1和2)。每个运行模式都配有对应的等待和停止模式。飞思卡尔还推出了几款低漏电模式和新的低漏电唤醒单元(LLWU),以满足最严格的功率预算。

  

《电子系统设计》

  工作在运行模式下时,CPU全速执行代码,可以实现低至200μA/MHz的功耗。对于不需要最大总线频率的时段,可以使用极低功率运行(VLPR)模式。这就把CPU频率限制在2MHz内,并将内部稳压器置于待机模式,同时还保持外设和低电压检测(LVD)的全部功能实现。在这种模式下,使用600μA至1mA范围的VLPR LDD可以节省大量功耗,具体情况则取决于MCU的性能、内存和外设配置。

  

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