picoPower 技术

 

多时钟域

picopower_clocks.jpg 众所周知,微控制器可以按不同的速度运行。功耗将随频率的减少而降低,同样也是众所周知的。在设计一件产品时,为了尽可能降低系统功耗而将微控制器各个部件的时钟全都锁定于同一频率毫无意义。

基于 Atmel® AVR® 和 Atmel® ǀ SMART ARM® 的微控制器采用多时钟域,可对微控制器的不同部件 — 核心、内部总线、各外围设备 — 实施独立的时钟控制,以节省电力。如果某一应用程序并不要求外设的最大吞吐量,则可以降低时钟频率。各个时钟可用于控制不同的外设,以便它们能够按指令充分优化功耗。当功耗被降低时,仍可满足应用的吞吐量或功能需求。

这是能够单独设置时钟的一项优势。然而,通过 AVR 和 SMART 架构,暂时不使用的外设还可被逐个完全关闭,然后在运行期间再次启用,这样可以进一步降低功耗却不影响系统的运行。多时钟域让应用的性能和功能同时得到优化。Atmel AVR® 和 Atmel ǀ SMART 微控制器,满足您的期望。

 

DMA 控制器与事件系统

对外设或存储器输入或输出数据历来是 CPU 的任务。数据从 A 至 B 的转移量越大,所需的 CPU 周期就越多。不过,还有替代的方法。通过 Atmel picoPower® 技术,直接存储器存取 (DMA) 控制器可以让 CPU 进入休眠状态以节省电力,从而以更为节能的方式来执行这一任务。

凭借 DMA 控制器,在无需使用 CPU 的情况下即可把 Atmel AVR 或 Atmel ǀ SMART 微控制器中的数据从 A 转移到 B。转移数据时,CPU 可进入休眠模式以节省电力,或用于处理计算之类的其他任务。这将带来更高的系统性能,可让微控制器更易于进入休眠模式,以节省更多的电力。

Atmel AVR® 或 Atmel ǀ SMART 微控制器的事件系统可让外围设备通过智能化管理而将数据直接传递到其他外围设备中。专用路由网络可用来传输数据,并且完全不必依赖 CPU。该网络卸除了 CPU 的负载,而且可在休眠模式下进行利用。系统性能得到提高的同时还降低了功耗。此外,这项技术百分之百地确定它是完全适合实时应用的理想选择。

DMA 控制器可以使用硬件 CRC 引擎自动计算检查和,帮助进行完整性检查,节省唤醒后的额外 CPU 功耗,从而进一步降低系统功耗。通过 DMA 控制器与事件系统,可缩短转移数据的时间并延长休眠模式的时间,从而让 Atmel | SMART AVR 微控制器的低功耗特性更加频繁地发挥作用。

 

低功耗的设计

picoPower_chip.jpg Atmel picoPower 设备的过人之处不单单体现在将各类 picoPower 特性纳入在内。设计方法、工艺几何特征,甚至所用的各类晶体管均为 Atmel picoPower 设备节省电力必不可少的组成部分。所有 picoPower 设备都是专为低功耗而设计,利用 Atmel 专有的低漏电工艺流程,通过活动模式和所有的休眠模式提供业界领先的低功耗特性。

为了更加方便软件开发人员使用,Atmel 在各类低功耗微控制器上引入了若干低功耗特性:

  • 临近备用设备用户可以选择的性能水平
  • 有多个运行模式的自动稳压器切换
  • 有自动闸控的多个电源域
  • 可以选择禁用的自动低功耗 SRAM 切换
  • 低功耗电池备份模式

为了让开发人员能够在性能和功耗之间实现平衡,低功耗设备可以提供临近备用设备用户可以进行选择的性能水平。通过这些性能水平,用户可以将设备调至支持特定运行频率的最低核心电压。

Atmel 的低功耗设备有具备不同运行模式的内部稳压器,用户可以手动或自动调节运行模式,具体要取决于性能水平、选择的睡眠模式或 SleepWalking™状态。以下示例展示的是自动稳压器在不同睡眠模式的切换。


通过多个电源域,用户可以自动或手动控制各类外围设备和系统特性的功耗。自动电源域闸控包括开关各类电源域电压,以便在保持要求电源域活动的同时省电。当自动电源域闸控禁用电源域后,所有外围设备的逻辑状态保留不变,而且流程对于应用/用户完全透明,但静态功耗则降到了最低。

picoPower 设备具有各类低功耗 SRAM 选项,包括在睡眠期间自动切换至低功耗模式,还可以选择禁用深度睡眠模式中部分 SRAM。

选择 picoPower 设备时可以使用的另一个特性就是电池备份睡眠模式。在此模式中,所有外围设备、内存、时钟和振荡器都会断电,只有备份域仍然处于活动状态。备份域由 RTC、32KHz 时钟源和从外部 PIN 中唤醒。

 

真正的 1.62V 工作电压

picoPower_1_6.jpg 在各类设计中,降低工作电压是用于降低功耗的一个捷径。但如果模拟性能受到影响,这将在很多情况下没有用。picoPower 技术的核心是精心设计的模拟功能,在电压降至 1.62V 时它仍可以继续工作。

传统上,微控制器的各种功能会因不同的电压水平而不稳定,甚至无法使用。模拟外设的不精确性、限制操作或无法写入非易失性存储器造成了低电压运行的设计瓶颈。这将导致电池寿命缩短,增加电池体积与费用,或为某些问题而花费大量时间以试图找到解决方法,而这些都应该在设计之初就通过微控制器予以解决。

Atmel picoPower 微控制器为所有的模拟模块、振荡器和闪存及 EEPROM 程序单元提供真正的 1.62 伏工作电压。那么,这在实际应用中意味着什么呢?这意味着微控制器的各项功能不会因电压的下降而逐一失灵。您可以在不同电压下运行同一应用程序,无需进行组合。不管电源电压如何,所有的外设都可以工作。例如,ADC 可被用来测量电源电压,一旦检测到临近截止电压时,它将启动应用程序以存储重要信息并确保安全关机,在更换电池后实现无故障重启。

功耗与电源电压成正比,所以应尽可能以低电压运行来节省电力。对于电池供电设备,当电池电压水平较低时,Atmel 的微控制器仍可利用剩余可用的电力,直至电池耗尽为止。

 

SleepWalking

picoPower_magnified.jpg 作为 picoPower 技术的一部分,Atmel 提升了 AVR 外围设备的智能化。这项技术可让外设对输入数据进行判断,以确定是否需要使用 CPU。我们把这一技术称为 SleepWalking™,因为它可让 CPU 在重要事件发生之前平稳地保持休眠状态,消除了上万次的不必要唤醒。

监控设备外部环境的传统方式是采用内部定时器,定期唤醒微控制器来检查是否需要注意某些存在的条件。CPU 和 RAM 历来都需消耗主动模式下的大部分电力,所以唤醒 CPU 来检查这些条件将在长期运行中消耗大量的电力。在某些情况下,若反应时间过短,CPU 甚至根本无法返回休眠模式。

Atmel AVR® 和 Atmel ǀ SMART 微控制器通过 SleepWalking 外围设备解决这一问题。SleepWalking 功能可让微控制器进入深层休眠模式,仅在事件通过资格预审后方才苏醒。CPU 不再需要检查是否存在特定的条件,如 TWI 地址匹配条件 (I2C) 接口,或者与超过特定阈值的 ADC 连接的传感器。通过 SleepWalking 功能,完全可由外设自行完成这项任务。在条件被证实之前,CPU 和 RAM 都不会被唤醒。

这对许多应用来说,节省了大量的系统功耗。通过 SleepWalking,硬件外围设备触摸控制器可以借助触摸或者接近来唤醒系统,从而可以在电池供电的应用中采用电容触摸电源按钮。SleepWalking 支持通过整合运算放大器或者 ADC 进行 CPU 空闲时的模拟信号采集和测量,大大延长模拟和数字传感器应用的电池寿命。串行通信和 DMA 传输可以使用 SleepWalking 启用超低功率模式下的通信和数据流。可以由用户配置的组合与顺序逻辑锁 — 在许多 picoPower 设备上都可以获取 — 甚至可以结合 SleepWalking 组合并筛选信号,阻止更多不必要的 CPU 唤醒。任何功率敏感型应用 — 从可穿戴医疗传感器到便携气体探测器,再到无线通信模式 — 都可以使用 Atmel SleepWalking 技术降低系统功耗。

动态 SleepWalking 可以通过启动功率域转变,不唤醒 CPU,进一步优化功耗。这样一来,MCU 就能够以最低功率模式待机,如果需要使用其他系统或者外围资源,还可以自主增高至更高的功率域,在事件处理后,即恢复至低功率模式。

在所有 Atmel AVR 和 Atmel ǀ SMART 微控制器中,可为您的应用降低系统总功耗的 SleepWalking 只是众多创新技术之一。

 

更快速唤醒

进入休眠模式后,微控制器的部件也相应关闭以节省电力。振荡器与时钟在使用时可消耗大量的电力,而当其从休眠模式中苏醒时,这些时钟则必须在使用之前恢复稳定。长时间等待时钟准备就绪并保持稳定,将导致浪费电力。

Atmel AVR 和 Atmel ǀ SMART 微控制器设计用于以极快速度苏醒 — 从内部 RC 振荡器唤醒时,只需要八个时钟循环。此外,取代传统型锁相回路 (PLL) 的数字频率锁定环 (DFLL) 集成了一个可编程的内部振荡器,大幅提升了时效与精确性。而且还无需外接元器件,从而更加显著地降低系统总功耗。当同步时钟在休眠模式下关闭时,微控制器仍可通过异步事件被唤醒,例如管脚状态更改,接收到数据,甚至 I2C 总线地址匹配。即使是最深度的休眠模式,也可通过启用的多个唤醒源唤醒。Atmel AVR 和 Atmel ǀ SMART 微控制器唤醒耗时短暂,因而电量可以尽可能地都消耗在最需要的地方。

 

Atmel 产品

基于 Atmel® ǀ SMART ARM®的 MCU

  • SAM L21 – 基于 ARM Cortex®-M0+ 的 MCU 在使用了 AES、电容触摸传感和全速 USB 设备与主机的情况下,活动状态功耗可低至 35 µA/MHz。
  • SAM L22 – 搭配段式 LCD (SLCD) 控制器后,基于 ARM Cortex®-M0+ 的 MCU 在使用了 AES、电容触摸传感、篡改检测和全速 USB 设备的情况下,活动状态功耗可低至 39 µA/MHz。
  • SAM4L – 基于 ARM Cortex-M4 的 MCU 在活动模式中可低至 90µA/MHzin,同时还可以进行功率信号处理与高速通信外围设备。

Atmel AVR® MCU

  • XMEGA – 所有 Atmel XMEGA MCU 都采用了 picoPower 技术,具备极高性能,安全可靠,在 8 位软件包中功耗依然极低。
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  • megaAVR – 设备内存尺寸、管脚数目、外围设备选项选择多样,创新 picoPower 降低功耗。
    • ATmega168PB 8 位 AVR 微控制器,16 KB 闪存,32 管脚
    • ATmega48P 8 位 picoPower AVR 微控制器,4KB 闪存,28/32 管脚
    • ATmega48PA 8 位 picoPower AVR 微控制器,8KB 闪存,28/32 管脚
    • 所有设备名称末尾为“P”的 megaAVR 设备都以 picoPower 技术为特色。
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  • tinyAVR – 将微型化、处理功率、模拟性能和系统级别整合融于一体,高度优化功率。
    • ATtiny441 8 位 picoPower AVR 微控制器,4 KB 闪存,14/20 管脚
    • ATtiny841 8 位 picoPower AVR 微控制器,8 KB 闪存,14/20 管脚
    • ATtiny1634 8 位 picoPower AVR 微控制器,16 KB 闪存,20 管脚
    • 有更多以 picoPower 为特点的 tinyAVR 设备
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