“超省电”设备的电源管理之一：选对 MCU
导语：最近，针对电池供电的无线传感器节点如何实现能耗节约、如何进行电源管理，SILICON LABS微控制器和无线产品区域市场营销总监Matt Saunders先生特撰写了一篇题为“‘超省电’设备中的电源管理”的技术文章，从MCU的选择、无线协议选择、数据加密设计、传感器内置信号调节功能、简化系统本身供电，以及采用电源管理集成电路（PMIC）等多个方面，详细分析了如何为无线传感器节点应用实现能耗节约，从而为“超省电”设备的设计人员提供全方位的电源管理策略。今天世强要向大家分享的是“‘超省电’设备中的电源管理”系列文章四篇中的第一篇“省电的首要关键MCU”。
长期以来，在所有行业和市场中，我们一直都能够看到对于能够长期运行的高能效、电池供电型设备的需求。随着物联网（IoT）的兴起，嵌入式设计人员正在以很大的精力关注“超省电”设备的电源管理。当考虑到需要某种形式无线连接的电池供电型设备时，无论在简单的点对点无线网络配置还是更复杂的星型或网状网络中，这都尤为真实。有许多被认为非常适合采用超省电设备类型的应用，其中一个典型的例子是无线传感器节点，从功能上看，它是一个需要长期运行（在某些情况下长达几年）同时采用电池供电的相对简单的设备。
要为这类应用构建成功的产品，开发人员必须考虑整个设计的诸多方面。这些设计考虑不仅包括微控制器（MCU）和它的能效等级，而且也包括系统中的其他元素，例如无线接口（不仅仅是物理实现，也包括使用的无线协议）、系统级电源管理（例如，集成到MCU中的低压差调节器或者专用电源管理IC）、传感器，以及需要收集和处理传感器数据的模拟功能。
图1显示了无线传感器节点的关键组成部分。让我们首先从MCU开始讨论，这是设计的核心。
图1：典型的无线传感器节点架构
MCU为省电的首要关键
对于电池供电的无线传感器节点来说，MCU必须具有超高的能效。RF协议和数据处理的需求（可能用于信号调节和数字信号处理）将可能决定32位或者8位MCU的选择，尽管如此，无论MCU如何选择，许多低能耗需求依然是必要的。例如，把MCU从超低功耗模式唤醒到全速运行模式的时间长度（例如2μs）将对电池电量节省产生显著的差异。在这种情形下，MCU唤醒时间越短越好。在MCU进行功耗模式转换期间，它不能做任何有意义的事情。
其他两个也对系统级能耗具有显著影响的参数是：低功耗模式下的能耗（应当<1µA）和活动模式期间的能耗（这依赖于使用的MCU内核以及MCU自身的处理技术节点，通常应当在150μA/MHz或以下）。也有其他因素影响能效，但是这三种因素（计算需求、低功耗模式时的能耗和活动模式时的能耗）是最基本的架构考虑因素，将极大影响应用中MCU的选择。
系统设计人员也应仔细考虑所选择的MCU有多少能力不依赖于CPU内核本身。例如，通过传感器接口的自治处理能力能够显著的节省能耗。自治型传感器接口通过MCU为传感器提供激励信号（或者电源），能够读回和解释结果，直到获得“有用”数据以后才唤醒MCU，这对于最大化系统电池寿命大有帮助。例如，如图2所示，Silicon Labs的EFM32 MCU架构结合了自治型低能耗传感器接口（又称为LESENSE）以及片上比较器，能够从外设传感器收集数据并且仅仅在有正确或者有用数据后才唤醒CPU，实现所有功能所需的超低功耗预算仅仅1.5μA。
图2：32位的EFM32 MCU中的低能耗传感器接口（LESENSE）技术
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