設計超低功耗的嵌入式使用：五種電源模式詳解

通常說來，SoC相關于傳統MCU而言能支持更多低功耗模式。其原由在于SoC集成度高，有更多片上組件和多種電源配置，以支持不同的工作需求。電源模式的數量與每種模式下的可用資源依據器件會有所不同。舉例來說，在某種低功耗模式下，某個器件能在僅保持寄存器和RAM內容的情況下給所有其它組件斷電，而另一種器件則只是給CpU斷電，而讓其它資源持續運行。不同制造商會對這些模式采取不同的命名辦法。在本文中，我們將以賽普拉斯的pSoC4器件為例來具體解析各種電源模式。

以下電源模式也得到其它制造商的大多數設備的支持：

●工作模式

●休眠模式

●深度休眠模式

●冬眠模式

●停止模式

下面我們來看看這些電源模式的詳盡情況：

1.工作模式：在此模式下，CpU和所有片上其它資源都正常工作運行。該模式是系統整體功耗的最緊要組成部分。在此模式下，倘若不使用的話，可將芯片上的各種外設分別斷電。

2.休眠：這是控制器另一種常見的電源模式。該模式緊要與CpU有關。當CpU進入休眠狀態后，其時鐘移除。CpU這時對總功耗的唯一影響就是靜態功耗，因為這時已經沒有時鐘開關愛換工作，也就不會有動態功耗。ADC和比較器等其它外設在此模式下可用。

3.深度休眠：此電源模式下即便是系統時鐘也被禁用，所以在此模式下所有高頻資源都不可用。不過，這些資源的當前狀態不受影響，也就是說CpU寄存器、SRAM等的當前狀態不受影響。由于高頻時鐘被禁用，因此能節約開關消耗的功率。通常情況下，深度休眠模式供應低頻時鐘運行的選項，低頻時鐘可用來驅動按時器等低頻資源。此外，該模式也準許開發人員使用I2C從設備等通信協議塊，其無需器件自身生成時鐘。由于進入此模式的緊要辦法就是禁用系統主時鐘，因此這是可以實現的。然而，模塊依然可通電。該模式對功耗的影響緊要在于片上所有時鐘的靜態功耗。

4.冬眠：在此模式下，所有時鐘都封閉，包括低速振蕩器。片上所有資源，除了用于外部事件觸發喚醒的資源以外全都斷電。由于本模式下幾乎所有組件都斷電，因此該模式能減少靜態和動態功耗組件，從而實現最低功耗。

5.停止：顧名思義，停止模式就是所有外設斷電，即使是RAM和CpU寄存器的內容也不保持。在pSoC4等類似器件中，這種模式下僅保持IO引腳的狀態。從這種模式下喚醒會進入芯片重啟動。

當分解一款使用的功耗時，非得查看所有電源模式下的功耗情況。

非得明確某種模式下能供應喚醒源。舉例來說，要某種中斷才能從休眠模式喚醒，在冬眠模式下則要I2C地址匹配中斷以喚醒器件。要知道每種模式下有哪些資源工作，能供應什么喚醒資源。舉例來說，系統中可用比較器中斷作為喚醒源，在超出設定閾值情況下可用模擬輸入喚醒系統。就圖1所示的使用而言，喚醒要采用GpIO中斷或者甚至硬復位，因為RTC會隨時運行，而且控制器不要保持此前的狀態。

冬眠和停止模式下，功耗可低至100nA。關于RTC本身而言，您會很容易找到功耗很低的RTC(僅消耗100-200nA)。假設控制器筆直驅動LCD，我們可認為LCD的封閉狀態功耗為零。

這就使得圖1所示系統中的均勻功耗在300nA的范圍內。倘若我們假設設計辦法采用CR2032作為電源，電池容量約為225mAh。就300nA的電流來說，電池僅在器件始終處于斷電模式下能支持70到80年的工作。

每次按下按鍵，控制器都會喚醒。這會將控制器的功耗提升到500A-1mA的范圍。假設功耗為1mA左右，控制器從RTC獲取數據并顯示在LCD上。控制器執行這項工作只需很短的時間，但顯示屏要保持較長工作時間(假設說顯示屏亮起10秒鐘確保用戶看到數據)。作為筆直驅動LCD，控制器非得保持較長的工作時間，也就是要消耗更多電荷。在此情況下，賽普拉斯的pSoC4等器件可供應低功耗模式，能讓設備封閉所有其它外設，僅運行驅動LCD所需的模塊。在這種器件中，LCD驅動運行在特定的低功耗模式下，這種模式被稱為數字關聯模式。其結果就是大幅減少電流消耗。

圖2：各種狀態下的電流消耗

每次按鍵都會經歷如圖2所示的電流曲線。曲線下方區域是單次按鍵的典型功耗。消耗的電荷計算如下：

Q=(1mA*1ms)+(20A*10s)

依據上面的數據，我們可計算出給定電源能支持多少次按鍵。

工作模式下所花的時長非常緊要，因為這種模式下耗電最大。一個選項是讓MCU保持工作模式，但CpU時鐘速度較低，從而降低工作模式下的耗電。不過，這會導致更高的均勻功耗，因為工作模式所花的時間取決于時鐘頻率。此時由于MCU非得處于工作模式，因此功耗取決于MCU解決數據所花的時間。更快速的MCU能很快完成任務，從而延長處于低功耗模式下的時間，也就能讓系統減少功耗。系統設計人員可依據系統要求明確最佳配置。

在本系列文章的下一部分，我們將以更大型系統為例作講解，并解析要怎么樣降低均勻功耗。此外，我們還將探討一些降低均勻功耗的系統級技巧。

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