微控制器以更低的功耗運行，以開啟智能照明和無線計量等新應用。新設備正在降低功耗，并為工程師提供更多設計選擇，從高級語言開發工具到各種外設。

智能電源的驅動力來自多個方向。能夠監控和控制接近負載點的功率消耗允許功率更均勻地分布在電網上并減少操作員的浪費功率。對于用戶而言，它可以提供更靈活的資費，更低的電力成本，并有助于降低總體電力使用，進一步降低成本。但是，設備必須具有成本效益，既包括資本成本，也包括維護成本。在數百萬智能電表中更換電池是電網運營商的主要運營成本，也是實施的潛在缺點。降低智能設備的功耗不僅可以降低功耗，還可以使電池運行多年。

通過有效的器件管理，新的低功耗設計架構和功耗敏感的制造工藝進一步降低功耗還可以將總功耗預算降低到不需要電池的程度。此時，能量可以從環境中獲取 - 通常來自工業環境中的振動或熱能 - 并存儲在本地電池中。這為微控制器提供電源，通常還有傳感器和網絡鏈路用于監控。節點和微控制器的架構選擇對于性能和電池壽命至關重要，并且有幾種不同的選擇。

設計權衡

集成和性能都與智能電源應用中使用的微控制器的功耗因素密切相關?？商峁┒喾N外設，可添加到控制器內核，以減少片外需求，從而降低功耗。然而，有時候，與無線鏈路一起使用小型8位控制器比嘗試將應用處理器與RF結合的完全集成系統更有效。雖然某些控制器，例如Energy Micro開發的EFM32（下圖），具有復雜的電源管理功能，可以關閉各個外圍模塊以將功耗降至最低，但是使用單獨的控制器可以提供隔離節點不同部分的方法因此只有在絕對必要時才使用電源。

圖1：Energy Micro的EFM32‘Gecko’低功耗內核。

在性能和功耗之間還有另一種權衡。能夠快速使用節能架構然后關閉設備可以比使用更慢，標稱更低功率的設備使用更少的能量更長的時間。但是，這取決于啟動和關閉時間，但更多設備包括這種快速響應以降低功耗。但有時候，電源管理的復雜性幾乎沒有影響，代碼大小也會產生更大的影響。存儲16位甚至8位代碼可以降低存儲器需求并提供更快的訪問速度，降低成本和功耗。但是，32位系統也能夠利用較小的字長和減少的指令集，例如ARM的16位Thumb 2.

在智能電源中，軟件并不是特別復雜，但它必須非常復雜可靠 - 必須更換或更新有問題的節點可能非常昂貴。這意味著現有的遺留代碼是寶貴的資源，代碼重用是設計需求的重要組成部分。同時，用于ARM MIPS和其他32位架構的新一代設計工具和集成開發環境（IDE）可實現更快的開發，更高質量的代碼和更高效的調試，從而更快，更可靠地將項目推向市場。這可能會影響微控制器架構的選擇。

所有這些都是設計人員在開發智能電源系統時所面臨的平衡，有多種方法可以實現智能電源，反映出功率和成本的嚴格設計限制。使用32位控制器的系統（通常圍繞ARM的功耗優化的Cortex-M3內核）越來越普遍。

挪威初創公司Energy Micro使用ARM Cortex M3內核開發市場上能耗最低的微控制器，可以長期使用電池，甚至可以通過能量收集獲得電力。

EFM32G210F128‘Gecko’采用低能耗設計，節能模式喚醒時間短，可選擇多種外設來控制智能功率器件。該系列控制器針對電池供電的應用，用于管理智能電網中的節點。

芯片的核心是能量管理單元（EMU），它處理所有低能耗模式，打開和關閉外圍設備，以及關閉未使用的SRAM模塊的電源以將功率降低到正常水平3 V關斷模式下為20 nA。有一個0.9μA深度休眠模式，支持實時時鐘，32.768 kHz振蕩器，上電復位，欠壓檢測器，RAM和CPU保持在3 V運行模式下上升至180μA/MHz，代碼由Flash執行。

EMU利用專門開發的時鐘管理單元（CMU），允許軟件管理外圍模塊上的各個時鐘，這些時鐘即使在不使用時也會消耗大量功率。

Energy Micro還開發了一種外圍反射系統（PRS），可以讓不同的外圍模塊直接通信，而不需要CPU。發送Reflex信號的外圍模塊稱為生產者，PRS將這些反射信號路由到消費者外圍設備，這些外圍設備根據收到的數據應用操作。它還將其Gecko微控制器與低能耗UART區分開來，該低能耗UART允許在嚴格的功率預算下從單個32.768 kHz時鐘以9600 bit/s的速度進行雙向UART通信。類似地，當大部分器件斷電時，可以使用低能量16位定時器（LETIMER），允許執行簡單的任務，同時將系統的功耗保持在絕對最小值。 LETIMER可用于輸出各種波形，只需最少的軟件干預。它還連接到實時計數器（RTC），并且可以配置為從RTC的比較匹配開始計數。

德州儀器（TI）還為其Stellaris 1000系列微控制器使用ARM Cortex M3內核，針對相同的電池供電，注重成本的嵌入式智能電源應用。 LM3S1000系列擴展了該系列，具有更大的片上存儲器，更好的電源管理以及更多的I/O和控制功能。

圖2：TI的智能電源實現。

LM3S1911微控制器面向工業應用，包括遠程監控，電子銷售點機器，測試和測量設備，網絡設備和交換機，工廠自動化，HVAC和樓宇控制，游戲設備，運動控制，醫療儀器，以及火災和安全。

它具有電池供電的休眠模塊，可在長時間不活動期間有效地將設備斷電至低功耗狀態。功能還包括上電/斷電序列器，連續時間計數器（RTC），一對匹配寄存器，系統總線的APB接口和專用非易失性存儲器。

圖3：TI的Stellaris 1000框圖。它使用ARM 16位Thumb-2指令集將內存需求降低到幾千字節，以及50 MHz內核和集成嵌套向量中斷控制器（NVIC），以提供確定性的中斷處理。除了具有8個優先級的29個中斷外，它還支持監控應用程序，而內存保護單元（MPU）為受保護的操作系統功能和原子位操作或位帶提供特權模式，提供最大的內存利用率和簡化的外圍設備控制，再次降低功率和成本。

為了連接到系統的其他部分，LM3S100提供三個完全可編程的16C550型UART，支持IrDA。它們具有獨立的16 x 8發送（TX）和接收（RX）FIFO，以減少CPU中斷服務負載和可編程波特率發生器，速度高達3.125 Mbit/s?？删幊蘁IFO包括1字節深度操作，以實現傳統的雙緩沖接口。

16位尚未消失

如ARM的Thumb-2 16位指令集所示，緊湊型代碼具有優勢，一些不同的架構方法可為智能電源設計帶來好處。 Microchip的16位DSPIC33EP256MU80微控制器為16位內核增加了一個專用DSP模塊，以達到60 MIPS性能的類似效果。

圖4： Microchip的16位內核帶有DSP加速器。

它具有經過修改的哈佛架構，與32位和Thumb-2代碼一樣，在其16位寬的數據路徑和24位寬的執行流水線上使用帶有優化指令集的C編譯器。有73個基本指令，大多數每個周期有一個指令的有效指令執行吞吐量，以提供額外的性能。單周期DSP MAC模塊支持11個附加指令，帶有兩個40位累加器，具有舍入和飽和選項以及附加模塊和位反轉尋址模式。

15通道直接內存訪問（DMA）引擎提供與任何數據存儲單元之間的數據傳輸，雙端口DMA緩沖區最大為4 KB，用于存儲通過DMA傳輸的數據。這提供了RAM和外設之間的快速數據傳輸，而CPU在執行代碼時無需使用來自執行內核的周期，從而提高了性能并降低了功耗。

通信模塊包括雙重角色USB v2.0 On-The-Go（OTG）模塊，可以是低速（1.5 Mbps）和全速（12 Mbps）模式下的主機或外設。用于USB的高精度PLL支持多達32個端點（16個雙向），USB模塊可以使用器件上的任何RAM位置作為片上USB收發器的USB端點緩沖器或作為片外接口收發器。

8位生命也是如此：即使8位內核仍在有效使用。 Silicon Labs的C8051F981-GM是一款8位流水線8051內核，針對極低功耗進行了優化，具有150μA/MHz有源電流，頻率范圍為1.8-3.6 V，25 MHz和25 MIPS。通過睡眠喚醒2μs和1.5μs模擬建立時間，器件可以快速準備好進行測量或鏈接到無線網絡。

圖5 ：Silicon Labs的C8051 8位流水線核心。

ADC提供75 Ksamples/s，12位分辨率或330 Ksamples/s，10個通道的8位分辨率。該設備還包括一個內置溫度傳感器。

縮小差距

飛思卡爾正在尋求通過一系列Flexis設備彌補8位和32位功能之間的差距，這些設備具有一組通用的外設和開發工具，可提供移植靈活性。 QE系列由引腳兼容的8位SO8和32位ColdFire V1器件組成，是Flexis系列中的第一個系列，包括功耗最低的MCU。這也是其他衍生低壓，低功耗（LVLP）器件的基礎。該系列產品特別針對需要較長電池壽命的消費和工業應用。

MCF51QE128LH是一款基于V1 ColdFire指令集的32位控制器，可擴展ColdFire嵌入式控制器系列的低端，具有高達128 KB的閃存和12位模數轉換器（ADC）。到二十四個頻道。 MCF51QE128包括高達3.6 V的電源電壓，50 MHz CPU內核和三個定時器，用于改進工業設備的電機控制，包括智能電源，網絡煙霧探測器和安全攝像頭。

32位MCF51QE128與8位S08QE128器件具有引腳，外設和工具兼容性，可在整個性能范圍內提供設計自由度。 ColdFire指令集修訂版C（ISA_C）提供了額外的指令，可以輕松處理8位和16位數據，并支持多達256個中斷/復位源，以實現軟件靈活性和實時應用程序的優化。

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圖6：飛思卡爾半導體的MC51QE128 32位控制器與8位版本兼容。

有兩種超低功耗（ULP）停止模式，一種允許有限使用外設，同時仍然以降低功耗狀態對應用進行采樣，從而延長電池壽命。還有一種新的ULP功率等待模式，典型喚醒時間為6μs，超低功耗OSC可在低功耗模式下實現精確的時基。

有兩個模擬比較器可以選擇與內部參考進行比較。這意味著輸出可以作為輸入捕捉觸發器路由到定時器/脈沖寬度調制器（PWM）模塊，只需要一個引腳用于輸入信號，并釋放額外的引腳用于其他用途。模擬數字轉換器（ADC）提供多達24通道，12位分辨率和2.5μs轉換時間，以及1.7 mV/°C的靈敏溫度傳感器。

這些功能來自低功耗工藝，利用晶體管增加溝道長度，減少漏電流，從而降低靜態功耗。用于構建控制器的標準單元庫包括一個功耗僅為500 nA的超低功耗（VLP）振蕩器，一個支持低功耗運行的低壓差待機穩壓器，以及僅需6μs的喚醒模式，從之前的110μs下降。這意味著應用程序可以喚醒，執行任務，并快速返回睡眠以節省額外的電量。

用戶可選的外設時鐘門控實現了時鐘樹的節能優化，可以消耗高達不同模塊使用功率的40％，而自超時塊（SATO）允許閃存通電時間足以執行讀取，結果鎖存，然后自動關閉。此過程自動以非常低的CPU速率啟動，并在低頻率下為閃存操作提供更好的電流。

結論

可用于智能電源等應用的各種微控制器看起來令人眼花繚亂。但是，通過在功率預算內選擇正確的外設和功能組合，可以為優化低功耗系統設計提供廣泛的機會。工藝技術和超低功耗電路設計的發展意味著現在許多設備可用于旨在實現10年電池壽命甚至使用能量收集以消除維護成本的設計。通過增加集成度來降低物料清單的總體成本，智能電源系統的實施變得可行，有助于從工廠到企業一直降低功耗。