嵌入式市場迫切要求以更低的功耗實現(xiàn)更高的性能,，這一需求現(xiàn)已擴展到大量便攜式和墻上電源供電的應用中,。為滿足該需求,，飛思卡爾始終致力于將低功耗設計擴展到更廣的領域,。最新推出的Kinetis（動力學）系列ARM Cortex-M4微控制器就是最新突破。2010年第四季度的數(shù)據(jù)抽樣表明,，Kinetis代表著基于ARM Cortex-M4新內核的首款適合廣泛市場的混合信號MCU組合,，同時也是業(yè)界擴展性能最強的ARM Cortex-M4 MCU的產品之一。多種硬件和軟件兼容的MCU產品系列將提供卓越的性能和內存容量,，其擴展性強,，從采用超小QFN封裝的50MHz、32KB閃存器件到帶1MB閃存和工業(yè)用豐富外設集的150MHz器件均包括在內,。低功耗在Kinetis MCU設計中發(fā)揮著核心作用,。這從采用了飛思卡爾最新90納米SG-TFS（分裂柵-薄膜存儲器）工藝技術，以及大量具有省電功能的通用,、專用外設上都可以反映出來,。
創(chuàng)新的低功率技術
工藝技術是任何半導體產品的基本構建模塊和決定MCU功耗的關鍵因素。除了能夠提供超快訪問速度,、防止充電損失外,，Kinetis MCU還是首款利用了飛思卡爾SG-TFS閃存技術優(yōu)勢的產品，該技術專門設計用來解決功耗敏感應用的需求,。在設計SG-TFS位存儲單元時,，飛思卡爾在讀取路徑上使用快速,、低電壓的晶體管,，從而將工作電壓降到1.71V至3.6V這一較低的范圍。在采用兩個1.5V電池的應用中,，一旦電壓達到0.9V,，電池壽命就會迅速縮短。這意味著與過去通常限制在2V甚至更高的MCU產品相比,，1.71V的更低電壓限制可以大大延長電池壽命,。擴展的電壓范圍不僅適用于片上存儲器：閃存、SRAM和飛思卡爾新的FlexMemory（可配置,，耐用性強的EEPROM）,，同時也適用于模擬外設，因而即使在功率曲線的較低端也能實現(xiàn)連續(xù)的信號測量和調節(jié),。允許高速切換的信號工作在較低電壓（通常為1.2V）下,，TFS的電壓特性還有助于降低運行電流。由于運行電流與C*V2*f成比例,，電壓下降對有效電流的閃存組件非常有利,。
必須具備的功率模式
在電池供電的大部分應用中，CPU將大部分時間用于功率降低或休眠模式,。因此,，非常關鍵的一點是微控制器提供了極具吸引力的電源模式,、喚醒源和啟動時間選擇，以便設計人員能夠優(yōu)化外設活動和恢復時間來滿足應用需求,，并最大限度地使用現(xiàn)有的可用能源,。飛思卡爾的處理方式是在Kinetis MCU中配置不少于10種的運行、等待和停止模式,，同時還配有多個喚醒源（見圖1和2）,。每個運行模式都配有對應的等待和停止模式。飛思卡爾還推出了幾款低漏電模式和新的低漏電喚醒單元（LLWU）,，以滿足最嚴格的功率預算,。
工作在運行模式下時，CPU全速執(zhí)行代碼,，可以實現(xiàn)低至200μA/MHz的功耗,。對于不需要最大總線頻率的時段，可以使用極低功率運行（VLPR）模式,。這就把CPU頻率限制在2MHz內,，并將內部穩(wěn)壓器置于待機模式，同時還保持外設和低電壓檢測（LVD）的全部功能實現(xiàn),。在這種模式下,，使用600μA至1mA范圍的VLPR LDD可以節(jié)省大量功耗，具體情況則取決于MCU的性能,、內存和外設配置,。
等待模式和極低功率等待（VLPW）模式與它們對應的運行模式類似，但CPU會暫停,，且閃存及FlexMemory編程不可用,。外設中斷啟動后，MCU能夠退出等待模式,，執(zhí)行預定的任務,，然后迅速恢復為低功率狀態(tài)。這最大限度地減少了那些常在活動狀態(tài)和減少功率狀態(tài)之間切換的應用的平均功耗,。根據(jù)總線頻率的不同,，運行模式Idd可以節(jié)省30至60％的功耗。
許多停止模式提供狀態(tài)保持和某些邏輯和/或內存的部分或全部斷電,。低漏電停止（LLS）模式是恢復時間為4μS的最低功率模式,，可降低內部邏輯的電壓，最大限度減少未使用的內部電路的漏電,，并且IDD通常保持在1.2μA到7μA的范圍內,。極低漏電停止（VLLS）模式則更進了一步，它能切斷內在邏輯以及有選擇地切斷RAM內存，從而減少未使用電路的漏電,。每個VLLS模式的之間差異與RAM保留級別有關,。在VLLS3模式中，保留全部RAM,；在VLLS2模式中,，保留部分RAM；在VLLS2模式中,，則不會保留RAM,，但有一個32字節(jié)的寄存器文件可以用于關鍵應用數(shù)據(jù)的保存。
Kinetis MCU的一個關鍵低功率組件是低漏電喚醒單元（LLWU）,，它在所有低漏電停止模式中充當喚醒監(jiān)控器,。LLWU支持多達16個外部輸入引腳（如下降沿、上升沿或任何轉換都可以編程）和8個可由用戶配置為喚醒事件的內部外設,。在最低功率模式下,，有幾個喚醒源可供選擇：如低功耗定時器、實時時鐘,、模擬比較器,、觸摸感應接口（TSI）和幾個引腳中斷。喚醒輸入處于激活狀態(tài)時,，只要MCU進入LLS模式或任何VLLS模式它就會啟動,。
由于時鐘消耗多達40%的 有效功率，Kinetis MCU給所有模塊都采用可編程門控時鐘,。這樣可以關閉運行和等待模式中未使用的外設時鐘,，同時還能保持相同的性能和功能。如果Kinetis器件具有大量通信模塊和定時器,，這一點顯得尤為重要,。此外,，還可以用電源門控來關斷未使用的內存和邏輯,，進一步降低漏電流。
Kinetis MCU包括一個低功率定時器,，它通過在功率降低狀態(tài)啟動連續(xù)的系統(tǒng)運作來提高靈活性,。這既可以作為通用定時器使用，也可以用來與片上比較器一起對比較器輸入脈沖進行計數(shù),。最后,，低電壓檢測（LVD）單元支持兩個低電壓檢測觸發(fā)點，每觸發(fā)點上有四個警告級,。它可以被配置為在電源電壓變化時生成復位或中斷信號,，從而保證內存內容和MCU系統(tǒng)狀態(tài)的安全。
嵌入式市場迫切要求以更低的功耗實現(xiàn)更高的性能，這一需求現(xiàn)已擴展到大量便攜式和墻上電源供電的應用中,。為滿足該需求,，飛思卡爾始終致力于將低功耗設計擴展到更廣的領域。最新推出的Kinetis（動力學）系列ARM Cortex-M4微控制器就是最新突破,。2010年第四季度的數(shù)據(jù)抽樣表明,，Kinetis代表著基于ARM Cortex-M4新內核的首款適合廣泛市場的混合信號MCU組合，同時也是業(yè)界擴展性能最強的ARM Cortex-M4 MCU的產品之一,。多種硬件和軟件兼容的MCU產品系列將提供卓越的性能和內存容量,，其擴展性強，從采用超小QFN封裝的50MHz,、32KB閃存器件到帶1MB閃存和工業(yè)用豐富外設集的150MHz器件均包括在內,。低功耗在Kinetis MCU設計中發(fā)揮著核心作用。這從采用了飛思卡爾最新90納米SG-TFS（分裂柵-薄膜存儲器）工藝技術,，以及大量具有省電功能的通用,、專用外設上都可以反映出來。
創(chuàng)新的低功率技術
工藝技術是任何半導體產品的基本構建模塊和決定MCU功耗的關鍵因素,。除了能夠提供超快訪問速度,、防止充電損失外，Kinetis MCU還是首款利用了飛思卡爾SG-TFS閃存技術優(yōu)勢的產品,，該技術專門設計用來解決功耗敏感應用的需求,。在設計SG-TFS位存儲單元時，飛思卡爾在讀取路徑上使用快速,、低電壓的晶體管,，從而將工作電壓降到1.71V至3.6V這一較低的范圍。在采用兩個1.5V電池的應用中,，一旦電壓達到0.9V,，電池壽命就會迅速縮短。這意味著與過去通常限制在2V甚至更高的MCU產品相比,，1.71V的更低電壓限制可以大大延長電池壽命,。擴展的電壓范圍不僅適用于片上存儲器：閃存、SRAM和飛思卡爾新的FlexMemory（可配置,，耐用性強的EEPROM）,，同時也適用于模擬外設，因而即使在功率曲線的較低端也能實現(xiàn)連續(xù)的信號測量和調節(jié),。允許高速切換的信號工作在較低電壓（通常為1.2V）下,，TFS的電壓特性還有助于降低運行電流。由于運行電流與C*V2*f成比例,，電壓下降對有效電流的閃存組件非常有利,。
必須具備的功率模式
在電池供電的大部分應用中,，CPU將大部分時間用于功率降低或休眠模式。因此,，非常關鍵的一點是微控制器提供了極具吸引力的電源模式,、喚醒源和啟動時間選擇，以便設計人員能夠優(yōu)化外設活動和恢復時間來滿足應用需求,，并最大限度地使用現(xiàn)有的可用能源,。飛思卡爾的處理方式是在Kinetis MCU中配置不少于10種的運行、等待和停止模式,，同時還配有多個喚醒源（見圖1和2）,。每個運行模式都配有對應的等待和停止模式。飛思卡爾還推出了幾款低漏電模式和新的低漏電喚醒單元（LLWU）,，以滿足最嚴格的功率預算,。
工作在運行模式下時，CPU全速執(zhí)行代碼,，可以實現(xiàn)低至200μA/MHz的功耗,。對于不需要最大總線頻率的時段，可以使用極低功率運行（VLPR）模式,。這就把CPU頻率限制在2MHz內,，并將內部穩(wěn)壓器置于待機模式，同時還保持外設和低電壓檢測（LVD）的全部功能實現(xiàn),。在這種模式下,，使用600μA至1mA范圍的VLPR LDD可以節(jié)省大量功耗，具體情況則取決于MCU的性能,、內存和外設配置,。
等待模式和極低功率等待（VLPW）模式與它們對應的運行模式類似，但CPU會暫停,，且閃存及FlexMemory編程不可用,。外設中斷啟動后，MCU能夠退出等待模式,，執(zhí)行預定的任務,，然后迅速恢復為低功率狀態(tài)。這最大限度地減少了那些常在活動狀態(tài)和減少功率狀態(tài)之間切換的應用的平均功耗,。根據(jù)總線頻率的不同,，運行模式Idd可以節(jié)省30至60％的功耗。
許多停止模式提供狀態(tài)保持和某些邏輯和/或內存的部分或全部斷電,。低漏電停止（LLS）模式是恢復時間為4μS的最低功率模式，可降低內部邏輯的電壓,，最大限度減少未使用的內部電路的漏電,，并且IDD通常保持在1.2μA到7μA的范圍內,。極低漏電停止（VLLS）模式則更進了一步，它能切斷內在邏輯以及有選擇地切斷RAM內存,，從而減少未使用電路的漏電,。每個VLLS模式的之間差異與RAM保留級別有關。在VLLS3模式中,，保留全部RAM,；在VLLS2模式中，保留部分RAM,；在VLLS2模式中,，則不會保留RAM，但有一個32字節(jié)的寄存器文件可以用于關鍵應用數(shù)據(jù)的保存,。
Kinetis MCU的一個關鍵低功率組件是低漏電喚醒單元（LLWU）,，它在所有低漏電停止模式中充當喚醒監(jiān)控器。LLWU支持多達16個外部輸入引腳（如下降沿,、上升沿或任何轉換都可以編程）和8個可由用戶配置為喚醒事件的內部外設,。在最低功率模式下，有幾個喚醒源可供選擇：如低功耗定時器,、實時時鐘,、模擬比較器、觸摸感應接口（TSI）和幾個引腳中斷,。喚醒輸入處于激活狀態(tài)時,，只要MCU進入LLS模式或任何VLLS模式它就會啟動。
由于時鐘消耗多達40%的 有效功率,，Kinetis MCU給所有模塊都采用可編程門控時鐘,。這樣可以關閉運行和等待模式中未使用的外設時鐘，同時還能保持相同的性能和功能,。如果Kinetis器件具有大量通信模塊和定時器,，這一點顯得尤為重要。此外,，還可以用電源門控來關斷未使用的內存和邏輯,，進一步降低漏電流。
Kinetis MCU包括一個低功率定時器,，它通過在功率降低狀態(tài)啟動連續(xù)的系統(tǒng)運作來提高靈活性,。這既可以作為通用定時器使用，也可以用來與片上比較器一起對比較器輸入脈沖進行計數(shù),。最后,，低電壓檢測（LVD）單元支持兩個低電壓檢測觸發(fā)點，每觸發(fā)點上有四個警告級,。它可以被配置為在電源電壓變化時生成復位或中斷信號,，從而保證內存內容和MCU系統(tǒng)狀態(tài)的安全,。
低功率觸摸感應
所有Kinetis MCU都采用了飛思卡爾新推出的Xtrinsic觸摸感應技術。通過創(chuàng)建觸摸啟動按鈕,、滑動和旋轉式用戶界面,，Xtrinsic提供了可以替代傳統(tǒng)機械式按鍵開關的現(xiàn)代產品。同時從美觀的角度考慮,，觸摸感應接口還具有設計靈活,、所需維護少，能支持不同感應級別和覆蓋表面的功能,。以上優(yōu)勢使得該技術不但被用于最新消費電子產品,，在家電、醫(yī)療設備和工業(yè)控制面板等都得到了廣泛使用,。觸摸感應輸入（TSI）模塊還能提供更多好處,，該模塊在啟動后只需要使用最小電流加法器，就能在所有低功率模式中正常運作,。這使得大量電池供電應用都可以采用觸摸感應技術,，而這在以前是無法實現(xiàn)的。
TSI模塊中包括一個內部定期掃描單元,，它針對低功率和運行模式提供獨立的掃描間歇,。這使得用戶可以設置較長的掃描間歇以最大限度降低功耗。而在運行模式中可以將掃描間歇縮短,，以加快觸摸響應,。
如圖3所示，TSI模塊提供可編程的高電容和低電容閾值,，并且在檢測到TSI事件之前CPU在該范圍一直會保持休眠模式,。發(fā)生觸摸操作時，瞬時電極電容被檢測到超出閾值定義的范圍,，這反過來就會觸發(fā)TSI中斷,，并快速喚醒CPU。一旦觸摸感應輸入處理完畢,，MCU就可以自由恢復低功率狀態(tài),。TSI模塊最多可以支持16個電極/按鍵，每個電極使用單個引腳,，無需外部元件,，從而降低系統(tǒng)成本。當電容測量分辨率降低到0.02fF時,，它還可以與厚玻璃,、塑料和彈性玻璃表面一起使用。此外,，電極取樣集成和故障檢測硬件增強了系統(tǒng)可靠性,，在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中這是一個需重點考慮的因素,。
多種應用要求采用鍵盤,、旋轉和滑動用戶界面,。為滿足這些需求，飛思卡爾提供了觸摸感應軟件（TSS）庫,，它完全兼容CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境（IDE）,。TSS庫的特性包括智能自動校準機制（可預防環(huán)境問題），噪聲抑制算法,，優(yōu)化的緩沖結構（支持任何電極排列）和用于電極表征（輔以演示和應用實例）的PC GUI應用,。
低功率分段LCD
分段LCD顯示器常用于一些對功率敏感的應用，用于提供指令,、監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)以及顯示操作/功能處理或提供結果,。在大多數(shù)系統(tǒng)中，LCD可以一直供電（即使在低功耗模式中）,，以便顯示狀態(tài),、電池使用狀況或每日時段信息。因此,，LCD消耗的功率不得對電池壽命產生不良影響非常重要,。Kinetis K30和K40 MCU系列包括靈活的分段LCD控制器（該控制器支持大量多達320個分段的3V和5V LCD面板），主要設計用于低功率系統(tǒng),。這些MCU系列支持64KB～512KB的閃存,。
LCD控制器在所有CPU運行模式下運行，包括極低漏電停止模式,。除非芯片在復位狀態(tài),，否則屏幕將顯示信息，而無需關注MCU其余部分,。一個重要特性就是它能夠支持閃爍模式運作,，該模式允許以1/8秒、1/4秒,、1/2秒,、1秒、2秒,、4秒和8秒的間歇打開和關閉分段,，以提醒注意顯示器的這一部分或僅在循環(huán)關閉一半時保留電源。由于閃爍是在LCD模塊的一小部分中進行的,，因此不必喚醒CPU,、總線或MCU的其余部分，該MCU也能運行,。黒屏閃爍會關閉所有分段,，而在可配置的閃爍期間,，備用屏幕閃爍則可以顯示不同的數(shù)據(jù)。利用這個功能,，MCU無需推出低功耗模式,，就可以通過支持LCD閃爍實現(xiàn)較低的平均功耗，如圖4所示,。
最大限度減少外部元件數(shù)量還有助于提高系統(tǒng)的電池壽命,，并且LCD控制器通過電荷泵生成前面板和背板顯示信號，此時電荷泵僅需要4個外部電容器,。
LCD的數(shù)據(jù)還保留在距離LCD最近的位置（在面板單元上）,。與LCD數(shù)據(jù)保存在芯片內部的寄存器不同，短數(shù)據(jù)路徑去除了克服中央寄存器和I/O引腳之間加載所必需的驅動,，這使得LCD驅動器電壓域得以減小,。
綜合起來，這些低功耗特性可以延長許多消費電子,、工業(yè)和無線LCD終端產品的使用壽命,。LCD控制器的其他功能包括：能夠通過軟件將任意LCD引腳配置為前面板或背板，因而無需成本高昂的硬件重設計就能對LCD設計進行修改,；能夠防止錯誤顯示器讀數(shù)的創(chuàng)新分段故障檢測功能,；支持背板、前面板或GPIO功能的多功能LCD引腳,。
支持低功率解決方案
借助Kinetis系列產品,，飛思卡爾致力于低功率MCU的不斷創(chuàng)新。這不僅適用于MCU本身,，同時也適用于支持它的開發(fā)工具和設計資源,。Kinetis MCU獲得廣泛的整套應用筆記、參考設計和培訓材料支持,。同時還有強大的第三方工具系列加以完善,，如IAR系統(tǒng)的Embedded Workbench IDE，該IDE集成了創(chuàng)新的電源調試和分析工具,。這些功能使得軟件開發(fā)商能夠將程序執(zhí)行的關鍵事件與功耗相映射,，進而修改其源代碼以滿足功率曲線的要求。
如今的應用程序不僅僅要求低功率,。在越來越多的情形下,，它還要求大量性能、內存和外設選項,，因為低功耗成為更多終端產品的關鍵需求,。Kinetis MCU具有業(yè)界最新的低功率技術，多種低功率工作模式（可根據(jù)應用優(yōu)化），一組豐富的低功率人機接口外設以及完善的支持,，因而是滿足該需求的理想之選,。
作者：Paulo Knirsch / Donnie Garcia / Danny Basler
飛思卡爾半導體