擺脫功耗限制束縛，需要創(chuàng)新MCU技術

在飛速發(fā)展的集成電子等行業(yè)中，無法預見客戶需求巨大變化的供應商正處于丟失商機的風口浪尖；尤其當他們無法做出快速響應并提供恰當?shù)慕鉀Q方案的話，則更具風險。一段時間以來，半導體供應商已追隨著行業(yè)發(fā)展的腳步，推出了功耗更低、運行速度更快的器件。然而，目前行業(yè)的發(fā)展動向使得一些頗具前瞻性的制造商將目光投向這一長遠的目標。

集成處理器的出現(xiàn)使得諸如“您需要多強的處理性能？”這樣的問題，總是會得到“越強越好”這樣直截了當?shù)拇鸢?。但是，隨著處理技術的發(fā)展，在平衡處理能力和運行功耗上遇到了重大的難題。因此，上述問題的答案如今更傾向于“只要滿足功耗預算，處理能力越強越好。”

與許多其他預算相似，基于類似的原因，功耗預算也在不斷縮減。產(chǎn)出和消耗功率都需要花錢，因此對功耗進行限制并非新鮮事。 如今，設計電子產(chǎn)品時必須符合法規(guī)和商業(yè)的功耗預算，在電池供電設備中這樣的要求尤為突出。

目前，對設備運行功率的檢測日趨嚴格，人們的注意力正逐步轉向待機功耗；增加晶體管數(shù)目勢必會增大待機功耗。業(yè)界的另一個趨勢是，必須延長電池供電設備的工作壽命--有時應做到數(shù)年不必充電或更換電池。這就對器件提出了更高要求：不僅工作時功耗低，并且在不工作時也要幾乎沒有功耗。

這要求研發(fā)人員開發(fā)出專門針對功耗限制應用的解決方案，而且這種要求與日俱增?？沙潆婋姵氐匿N量每年上升約20%，而便攜式消費類電子設備的銷量以10%的增長率持續(xù)飆升。由于絕大多數(shù)便攜式設備均由某種類型的蓄電池供電，這又反映出對器件的另一種需求：不僅關注工作時的功耗，還要關注所有階段的整體功耗。

電池供電設備的一個不斷增長的應用領域是消費類電子產(chǎn)品，這類產(chǎn)品通常被設計成密封式，因而必須充一次電就能維持長時間工作。此外，還包括任何使用高靈敏度檢測設備的應用。例如，煙霧或一氧化碳檢測器以及新興的家用醫(yī)療診斷市場。其他的高級儀表測量或監(jiān)視設備，比如溫控器、 進出跟蹤或門禁系統(tǒng)也屬于此類應用。

上述應用都有一個突出的共性，即大多數(shù)時間都處于開機狀態(tài)但并不工作。這是區(qū)別于那些在不使用時呈關機狀態(tài)的應用的關鍵點。這也意味著這些設備在不工作時所消耗的功率成為決定設備使用壽命的最重要因素，當然也是延長設備壽命最需要關注的方面。

半導體制造商必須應對的一種趨勢是，從晶體管逐步發(fā)展起來的集成器件在待機條件下的功耗越低越好。例如，Microchip最新推出的nanoWatt XLP系列PIC單片機（MCU）就是針對此類應用。

nanoWatt XLP系列器件是目前世界上休眠模式下功耗最低的MCU，僅消耗20nA以下的電流。這意味著在工作周期的絕大多數(shù)時間里，其功耗小于當今任何其他的MCU，從而真正實現(xiàn)將功耗受限設備的使用壽命延長至20年以上。

實現(xiàn)低功耗運行的關鍵在于Microchip專門為此類器件開發(fā)的先進的nanoWatt XLP超低功耗技術。在這些復雜的器件中，額外引入了一個深度休眠模式，使得MCU架構中越來越多的部件在長時間停止工作時關閉。這樣做的作用是從物理上切斷集成電路中大部分部件的電源，從而消除了與集成晶體管有關的功耗泄漏或“靜態(tài)”功耗。這樣的泄漏或消耗會使現(xiàn)代集成器件的漏電流快速增加，從而使得那些不夠完善的架構無法將待機電流降至接近20nA。

Microchip的nanoWatt XLP技術最初應用在PIC MCU的30多款產(chǎn)品中，涵蓋了6個系列，包括8位器件和16位器件。 這就使得工程師在選擇適合其應用的器件時有了很大的空間，不必以犧牲超低功耗這一優(yōu)點為代價。Microchip還計劃將來要推出更多采用nanoWatt XLP技術的器件，包含各種封裝和存儲器配置。

nanoWatt XLP器件中還集成了一系列兼容外設，進一步擴充了此類器件的應用領域。這些外設包括對USB的完全支持以及Microchip的mTouch電容觸摸傳感技術，這一技術提供了低成本低功耗的用戶接口解決方案。

這些高級外設采用了Microchip的外設引腳選擇技術，允許在必要時將外設映射到不同的I/O引腳。有了這些外設的配合，nanoWatt XLP器件能夠用于大多數(shù)常見的低功耗應用，同時提供靈活的用戶接口選項。

設計功耗受限應用的工程師要考慮的重點是如何進入和退出低功耗模式，而nanoWatt XLP技術恰能極好地處理這個問題。通常，針對低功耗應用的MCU通過在休眠模式下禁止MCU的許多中斷特性來實現(xiàn)低待機電流。事實上，這使得許多應用根本無法使用休眠模式，這是因為器件必須依靠架構中某一必須始終保持工作的部件來退出休眠模式。

Microchip通過實現(xiàn)靈活的休眠模式克服了這一明顯的缺點，這些休眠模式有大量的喚醒源。工程師可根據(jù)具體應用采用能顯著降低待機電流的傳統(tǒng)休眠模式之一，或使用將待機電流降至僅為20 nA的業(yè)界最低值的新型深度休眠模式。這種休眠模式通過移除器件中幾乎所有功能模塊的電源來實現(xiàn)如此低的電流，在估計設備長時間不工作的場合最為合適，正如前面羅列的應用示例。

這一靈活性使得nanoWatt XLP技術的優(yōu)點發(fā)揮到了極致，而不會遭遇以往無法使用休眠模式的尷尬。通過進入深度休眠模式，從物理上切斷MCU大多數(shù)功能模塊的電源，徹底解決了與功耗泄漏有關的問題。實時時鐘/日歷在深度休眠模式下保持工作，使得對時間要求苛刻的應用保持同步。同樣處于工作狀態(tài)的還有深度休眠看門狗定時器和深度休眠欠壓復位電路，它們?yōu)镸CU提供了至關重要的喚醒源。已運用最新的低功耗技術和晶體管技術重新設計了這些功能模塊，以使其功耗需求最小。

其他休眠模式根據(jù)應用的具體需求，提供更多種類的喚醒源。使用現(xiàn)有的各種休眠模式，可以逐漸節(jié)省更多功耗，同時滿足應用的需求。

大多數(shù)半導體制造商都不得不面臨人們對超低功耗MCU的需求。Microchip采取了大膽而創(chuàng)新的舉措，重新定義了其基本技術來應對這樣的需求，由于人們越來越多地依賴于便攜式和功耗受限產(chǎn)品，因此這樣的需求正不斷增長。