【经验】如何降低一体式远程可燃气体报警器MCU的静态功耗？

时间： 2019-07-15 来源：世强作者：John

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【摘要】一个成熟的可燃气体报警器需保证其使用寿命在10年以上，这就使得设计产品时如何选择低功耗器件并设计出低功耗产品成为了至关重要的因素。本文报警器中的MCU的选择及如何降低MCU的静态功耗设计展开了讨论。

可燃气体报警器也称气体泄露检测报警仪器，是一种可对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。由于近年生产安全事故频发，人们对生产、生活的安全重视度越来越高，可燃气体报警器的应用也越来越广泛。

可燃气体报警器的供电采用的是电池供电，一个成熟的可燃气体报警器一般需保证使用寿命达10年以上，所以在设计产品时如何选择低功耗的器件并设计出低功耗的产品是非常重要的。本文就针对报警器中微控制器的选择及低功耗设计展开讨论。

首先，我们看一下可燃气体报警器的结构框图（如图1），它主要由数据采集单元、处理运算单元、执行单元、通信单元和电源管理单元五大部分组成。其中处理运算单元指的就是微控制器，这个是产品的核心部件，对产品的性能起到决定性的作用。

图1：可燃气体报警器结构框图

微控制器我们推荐使用SILICON LABS公司的EFM32HG系列的芯片，EFM32HG芯片是基于ARM Cortex-M0+内核的32位微控制器，运算处理能力上完全可以满足产品的需求。这是一款针对低功耗应用推出的微控制器，芯片内部集成有功耗管理单元，共分为EM0~EM4共5种低功耗模式。

EM0是活动模式，芯片的所有功能都处于活动状态，这种状态下的功耗为：132μA/MHz @ 3V。

EM1是休眠模式，CPU处于休眠状态，其它外设都处于活动状态，这种状态下的功耗为：53μA/MHz @ 3V。

EM2是深度休眠模式，CPU与高频外设处于休眠状态，所有低频外设处于活动状态，这种状态下的功耗为：0.9μA @ 3V。

EM3是停机模式，CPU、高频外设，低频外设处于休眠状态，只有部分低频外设可以在ULFRCO时钟下工作，这种状态下的功耗为：0.6μA @ 3V。

EM4是关断模式，CPU及所有的外设都停止工作，这种状态下的功耗为：20nA @ 3V。

从以上的参数我们可以知道，EFM32HG芯片确实是一款功耗很低的微控制器，很适合可燃气体报警器的应用。但是否选择了这样的微控制器就可以了呢？当然不是的，选择了低功耗的器件可以让我们的设计工作事半功倍，但在设计中我们仍然要使用一些技巧，让系统的功耗实现最低。

接下来，介绍如何降低微控制器的静态功耗。

首先是降低GPIO的漏电流。对于不用的I、O端口，要配置GPIO->P[X].MODEL/MODEH为0 ，这会禁止输入的施密特触发器和输出驱动。设计为输入的数字I/O，要通过内部或外部的上拉电阻驱动到固定的电平。对于设计为模拟的I/O，要禁止对应I/O的数字输入功能。通过这些设置可以将GPIO的漏电流降低到最小。

其次是模拟偏置的设置。DAC，ACMP包括有偏置电流设置功能，减小这两个外设的偏置电流可以降低功耗，但要注意，这样的设置也会影响到模拟外设的性能，比如，响应时间变慢。另外，ACMP还有降低内部参考功耗的选项（设置ACMPn_INPUTSEL寄存器的LPREF位），但这也会牺牲模拟的精度。如果模拟外设已经使能，设置偏置电流和参考电压将会影响到外设的功耗。

最后是供电电压。基于CMOS工艺的芯片的功耗是与外加电压成正比的，EFM32HG芯片是通过内部的电压调节器提供的1.8V电源工作的，当外部的供电电压大于1.8V时，EFM32HG芯片的功耗随外部电压的变化是很小的。但需注意供电电压不要小于1.8V。

好了，关于如何降低微控制器的静态功耗的技巧就介绍这么多了，后续会为大家分享如何降低微控制器的动态功耗。

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