了解瑞萨RE01 MCU系列如何在使用较小电池的同时延长产品寿命，以及使用RE01“窃取时间”的好处
作者：Graeme Clark，首席工程师，Renesas Electronics
 
物联网的惊人增长推动了开发新型电池供电传感器件的需求，这些器件更智能、更快，并且可以用更小、更便宜的电池使用更长时间。为了满足对更高性能的需求，我们必须从许多其他系统组件中窃取时间，将所需的时间和能量重新分配给关键系统组件。
瑞萨基于其独特的薄埋氧化硅（SOTB）工艺技术，开发了一种超高效微控制器电源管理架构。
微控制器有两种主要的耗电方式。

• 动态功耗

• 开关电源在负载电容充放电过程中消耗
• CMOS短路情况下流过器件的电流内部功耗

• 静态功耗

• 操作模拟逻辑（如内部振荡器和调节器）引起的功耗
• 泄漏电流引起的功耗

 

图1：功耗模型
 
降低动态功耗是降低功耗的关键，我们必须尽可能降低时钟频率，并平衡功耗和更高性能。
静态功耗取决于器件和环境条件，不能因应用而降低。
动态功耗取决于器件内部的开关速率。当PMOS和NMOS同时“开启”时，电流流动，对布线的寄生电容和下一级栅极电容进行充电或放电。这些，连同电源电压都是恒定的，所以动态功耗和频率成正比。降低频率可降低功耗。
 

图2：动态功耗电流路径
 
静态功耗是由模拟功能引起的，例如内部稳压器，其功耗与频率无关。停止操作或改变模式可以降低功耗。静态功耗也是由制造过程本身引起的泄漏电流产生的，因此我们需要保持适当的电压和温度以防止这种增加。
SOTB工艺技术可降低有功和静态功耗。器件的数字功能，例如SRAM、CPU和外围功能，由调节的内部电压提供，并在具有无掺杂沟道结构的SOTB晶体管上实现。这可以抑制晶体管阈值电压的变化，并以较低的电压工作，降低动态电流。平面双栅极结构能够控制背面栅极的偏置电压，从而降低低速操作和待机模式下的泄漏电流。
 

图3：SOTB结构
 
RE具有一系列电源模式，以优化任何特定工作条件下的功耗。使用这些，可以在高达64MHz的运行和32.768kHz的运行和待机期间抑制动态电流。
微控制器分为4个电源域，每个电源域可与电源隔离。可以从以下位置选择这些域的电源：

• ALLPWON模式

在此模式下，MCU中的所有功能都可用。

• EXFPWON模式

闪存电源域关闭，因此电流减小。

• MINPWON 模式

电源仅提供给需要的功能，以减少未使用功能的电流。
通过根据频率优化电源，可以在操作模式（OPE）、睡眠模式（SLEEP）、软件待机模式（SSTBY）和休眠模式（SNOOZE）下降低功耗。

• BOOST模式 ... 最大64 MHz

低功率高速运行       

• NORMAL模式…最大 32 MHz

功耗降低，内部调节电压降低。
选择以下模式可优化内部稳压器。

• 高速模式                          最大32 MHz
• 低速模式                          最大2MHz
• Subosc速度模式                  最大32.768 kHz
•  

• 低泄漏电流模式（VBB模式) 最大32.768 kHz

当向每个晶体管施加反向偏置电压时，漏电流减小。
 
停止CPU或外围功能的时钟可以进一步降低功耗。

• SLEEP模式

停止CPU操作

• SNOOZE模式

当CPU停止时，一些外围功能可以运行。

• 软件待机模式 （SSTBY模式）

只有32 kHz时钟或使用此时钟的外围功能可以工作。
在这个模式，MCU以最小功率运行，使用VBB可以减少泄漏电流。

• 深度软件待机模式 （DSTBY模式）

提供给有限功能的电源。
复位后，在软件控制下MCU以正常方式唤醒高速模式并且可以切换到BOOST模式或VBB模式。电源模式可以进一步降低电流消耗。
 

图4：相对功耗
 
用户可以在不同的电源之间切换模式，并在不需要时关闭不同的域。当电源被切断时，该域不消耗动态功耗，静态功耗也会降低。图5显示了可用的功能。
 

图5：每个域中可用的函数
 
在ALLPWON模式，向所有域供电，所有功能均可使用。MCU可以在32MHz下运行，通过从NORMAL切换到BOOST，MCU可以将速度提高到64MHz。在EXFPWON模式，闪存关闭，因此代码从SRAM执行。通过结合电源控制模式和频率控制设置，MCU可以高性能和低功耗运行。在MINIPWON模式, 电源仅提供给器件上的几个关键低功耗功能。就像在EXFPWON一样模式，代码从SRAM执行。
在Normal模式，MCU的工作频率高达32 MHz，可通过选择模式适合所需的工作频率。

•  高速模式：最大工作频率为32 MHz
•  低速模式：最大工作频率为2 MHz
•  Subosc速度模式：最大工作频率为32.768 kHz

 

图6：电源控制模式工作频率
 
VBB模式是RE微控制器中的最低的功率模式，支持在32.768 kHz下运行。在这个模式，我们控制反向偏置电压的应用，减少泄漏电流。这对于长时间运行处于待机状态模式的应用非常有用，CPU只是偶尔处于活动状态。诸如A/D转换器之类的外围设备仍然可用，因此可以在消耗很少电流的情况下采集模拟数据。
低功耗模式可根据所需功能选择，选择最佳模式意味着电流最小化。这些模式包括睡眠、打盹、软件待机和深度待机，每种都在低功耗设计方面提供了特定的优势。睡眠模式暂停CPU运行，临时停止CPU时钟，非常适合在需要反应时间和处理速度时运行。由于CPU、闪存和某些外围设备功能被禁用，软件待机模式功耗较低。深度待机功耗最低，仅需100µA。
打盹模式允许一些外围设备（如A/D或USART）在不唤醒CPU的情况下运行。图7显示了在SNOOZE中使用定时器和A/D转换器进行的模拟输入测量模式。
 

图7：使用SNOOZE模式测量模拟电压
 
RE微控制器允许应用节省时间并延长产品寿命。该系列器件在运行时可实现低至12µA/MHz的功耗，在待机时可实现低至100µA的功耗模式。这些功耗水平与高速 RE系列的性能使我们能够在EEMBC的ULPMark CP基准测试中获得任何当前通用微控制器的最高基准分数，其值为705（见www.EEMBC.org/ULPMark/scores.php）。这是通过使用RE针对每个特定应用和功能进行优化的能力来实现的，从而降低了运行时的功耗，最大化模拟应用每个部分的性能。
 
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