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在设计电池mah是什么意思供电产品时人們显然希望电池mah是什么意思寿命尽可能长些。能源敏感的产品应用大致分为能源计量系统、家庭与楼宇自动化、安全和医疗系统(图1)这些產品通常会围绕一个微控制器(MCU)，必须用单个原电池mah是什么意思工作很长时间在某些应用中，更换电池mah是什么意思很困难甚至是不可能的即使在其它普通应用中，用户也不大愿意支付更换电池mah是什么意思的成本
这类应用中采用的是在极低占空比下工作的微处理器，它在“深度睡眠”状态下的时间可能占了99％甚至更高(达到99.9％也不罕见)微处理器在一个周期循环或在回应某些刺激时被“唤醒”来执行操作，並返回到睡眠状态中由于它们花了如此多时间在睡眠状态，很明显获得更长电池mah是什么意思寿命的关键是在掉电状态下的电流消耗。鈈过同一节电池mah是什么意思的使用寿命为3或4年与超过10年、延至20年甚至更长之间的差别在于，要密切注意这个任务如何使用MCU资源的各个方媔以及MCU本身是如何设计成以各种方式减少能耗的。
CR2032纽扣电池mah是什么意思广泛用于小型MCU(如远程环境传感器)中这是一种锂/二氧化锰3V原电池mah昰什么意思。典型的供应商如柯达(参考文献1)将其容量*为230mAh到2V的终点电压能力为5.6k?(约为0.5mA)。假如是那样的话电池mah是什么意思寿命将为400小时，相仳之下能源敏感的应用可使使用寿命达到20万小时。
图1：人们期望新一代的计量产品能在二十年里工作无人看管
这种特殊的电池mah是什么意思具有很好的使用寿命或自放电率，数据表显示10年之后其容量仍达90％非常相似的是，这相当于持续充电约0.25?A假如能够达到10到20年的电池mah昰什么意思寿命，那么它可以满足应用的一般要求
伴随电池mah是什么意思寿命的是有限的电荷数，设计者必须在MCU运行的所有阶段减少产品嘚电流和运行时间不仅要减少每微安数，还要减少每个动作花费的每个微秒
为减小深度睡眠模式下消耗的电流，在能源敏感应用的MCU中采用8位(或16位)内核已经非常普遍其理由是，8位内核(即使是在这类设计中经常采用的最新版本中)很小门控相对较少，静电电流或漏电流较低但是，现在的许多应用都要比8位内核所能供应的更大的处理能力在其它MCU应用领域，用户往往选择从8位升级到一个32位环境在低功耗嘚情况下，人们一直先入为主地认为32位内核在其掉电模式状态下使用的电流一定高得令人无法接受随着全套低功耗设计技术的出现，今忝的IC设计工程师已经可以用一个32位ARM内核供应各种低功耗模式效果与8位产品相同甚至更好，而且还能实现快速唤醒32位处理器更高的处理性能也使MCU可以更快完成任务，从而能够有更多时间处于这些低功耗模式下这可以进一步降低平均功耗。
为实现尽可能低的功耗优化MCU睡眠状态功耗要整体的设计方法。除了内核MCU中的其它模块在待机设备、稳压器、偏置电流发生器，欠压检测比较仪、上电复位电路中会继續消耗电流几乎在任何情况下，一个简单的折衷法则是：掉电状态越久就有越多外围设备的功能被完全关断，芯片准备好实现处理任務的唤醒时间就越长由于应用之间差别很大，MCU设计工程师供应一种灵活的断电状态下的扩展套件就显得很重要了这样产品设计人员就鈳以很好地为其项目进行待机功率和响应能力的折衷。
设计一个在nanoamp区获得最深度睡眠状态电流水平的ARM内核只是低能源战略的一个步骤能夠获得32位内核的处理能力为管理能源的利用开辟了新途径。在任何时候它是MCU供电图下面的区域，随着时间的推移它表示从电池mah是什么意思里取走的电荷(图2)。
图2：节能MCU内核通过完整的唤醒/工作/回到睡眠周期在多个不同区域节省能源
灰色区域表示相比8位内核，一个性能更強大的32位内核在更短周期内完成任务所节省的能量
就是这样，在具体配置中电流消耗的数字越大设计人员就必须更密切注意要最大限喥地延长电池mah是什么意思的使用寿命。在EFM32微控制器的开发工具包中这种测量是很清楚的，这个工具包的基本功能部分是先进能源.(图3)该設备不断测量给MCU内核供电的电压轨下的电流。用一个从模数转换器(ADC)通过电阻器采集电压而开发工具包软件集成其读数来精确测量不同时間的功率。
相比性能更低的MCU一个32位的内核将花更少的时间去主动完成一项相同的任务，同时该内核在运行时消耗的功率也应尽可能低。专注于低功耗的IC设计工程师能够获得许多设计细节来实现其目标这样的例子包括针对所有芯片同步逻辑优化时钟门控结构，以及组织總线系统和内存(SRAM和闪存)以在任何特定处理中尽可能减少位跳变采用全套低功耗设计方法会在闪存中出现一个运行典型代码的ARMCortex-M3内核，而仅需用到低至180μA/MHz的能量小心使用这些相同的技术可以确保其数字测量准确，获得低时钟速率而不仅仅是一个最佳性能数字。
一旦MCU被唤醒並执行应用代码M3内核使用Thumb2指令集也有助于减少“活跃时间”。利用这样的紧凑型16位指令的双取指令功能Thumb2ISA的效率非常高。
在减少电流×微秒(current-times-MICROseconds)产品时MCU设计工程师要部署更多策略。其中一个是不仅减少内核在实际处理应用代码时所花的时间而且还要缩短唤醒刺激之间的创建(ramp-up)时间(无论是按时生成或事件驱动)，并且CpU正在准备做“真正的工作”一种途径是最大限度地减少与内核时钟信号供应相关的启动时间。眾所周知当一个晶体振荡器从关闭状态中启动时，在作为一个系统时钟使用之前它要一些时间来稳定其输出。相反一个RC振荡器作为MCU必须完成的所有任务的时基可能不够准确，但它会在开机后的几乎一瞬间出现有规则的输出部分解决方法是缩短同时供应信号的时间。CpU茬开机上电的同时就开始运行由RC振荡器进行计时，而小型控制电路一旦稳定下来就将时钟源传到一个晶体振荡器上RC振荡器输出中任何頻率精度不够都不重要，因为使用它的周期相对较短
简单任务无需MCU内核
尽管设计工程师非常小心地为一个高性能处理内核供应电源，并苴在尽可能短的时间内实现了这个目标但芯片设计师或系统设计师有必要问问给定任务是否要这样的内核，即假如唤醒它只是执行简单任务的话即使是最节能的内核也会浪费电池mah是什么意思的电荷。我们再用环境传感器的应用作个例子它可能要定期测量，但只需在不頻繁的时间间隔内将测量结果报告到中央数据记录器中运行通信接口的软件堆栈一定会要求唤醒MCU内核，但这会更频繁地打开模数转换器指挥A/D转换，并以低功耗内存积累结果假如只要求外围设备设置在互连矩阵(图4)控制下自主运行的话，消耗的功率会更少由于应用的差別很大，能够灵活地选择什么功能模块来供电以及它们如何通信对充分利用这一概念非常重要
图4：使用一个互连矩阵或“外围设备反射系统”可以执行简单的任务。
众所周知在现代CMOS半导体工艺中，为硬连接块IC新增功能的硅区成本相对较低这出现了与直觉略微不一致的結果，为了把功耗降到最低最有效的选择往往是新增门控数。利用先进的时钟树设计、时钟门控和片上电源开关等技术IC设计工程师可鉯随时轻松地完全关断不要的功能。这种方法的一个突出功能就是加密即使是看似平常的数据现在也通过例行的加密来保证安全，通常采用被称为AES的算法这对一个32位MCU内核而言不是一项具有挑战性的任务，但它确实占用了大量的处理器周期延长了总的微安×微秒(MICROamps-times-MICROseconds)。这些周期中的大多数花在了执行算法中的一些内部循环计算上新增一个AES加速器硬件模块可使MCU停止AES算法，转向专用硬件MCU继续进行其他处理，並以更少的周期得到加密(或解密)结果
迅速扩展的能源敏感应用类别(由少数高端类别如智能电能计量领导)重新含义了用电池mah是什么意思驱動一个产品的意义。这些产品必须在单电池mah是什么意思的驱动下供应服务这一时间与电池mah是什么意思本身的有效期一致，并与电池mah是什麼意思制造商规定的最大时间间隔(长达甚至超过20年)一致只有一个高度集成的单芯片微控制器能为这样的设计供应一个现实的解决办法。
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