MCU省電設(shè)計(jì)優(yōu)化LCD顯示

低能耗微控制器（MCU）現(xiàn)已成為許多便攜式系統(tǒng)的核心，但如何在拓寬功能范圍的同時(shí)延長(zhǎng)電池壽命，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。一個(gè)有效的保持長(zhǎng)壽命電池的方法是只在必要時(shí)才運(yùn)行處理器，這樣可避免用戶界面組件如顯示屏的功耗。然而，越來(lái)越多的MCU能在維持液晶顯示屏（LCD）圖像的同時(shí)，選擇性地關(guān)閉處理器。

低能耗設(shè)計(jì)的要素

比如水表，它需要時(shí)刻將讀數(shù)顯示在內(nèi)置的LCD上，但是，全天候?yàn)榱穗S時(shí)查看而保持MCU系統(tǒng)活躍是很耗電的。水表這類產(chǎn)品的需求是使LCD可以在不直接受處理器核心控制的情況下工作，能選擇性地關(guān)閉MCU的部分，同時(shí)保持LCD圖像。

任何活躍的CMOS電子電路的功耗都可以通過(guò)CV2f公式計(jì)算得出。其中C代表周期內(nèi)需要充放電的電路總電容，V為電源電壓，f為運(yùn)行頻率。因此，一個(gè)降低功耗的因素是供電電壓——電壓與能耗之間的平方關(guān)系提供了顯著的節(jié)能。

另一種節(jié)能來(lái)自降低操作頻率，雖然這可能只影響功率而不是能量。如果算法執(zhí)行所需的周期數(shù)量相同，但是分布在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，總體能耗可能會(huì)增加，這與漏電流有關(guān)。

漏電流的影響

用于低能耗MCU的半導(dǎo)體工藝傾向于顯示出低漏電流，但每個(gè)晶體管到硅基底的電子流仍會(huì)慢慢消耗電池電量。漏電流通常是恒定的，盡管隨著操作溫度的升高由于晶體管內(nèi)熱載子的增加而稍有增加。減少漏電功率的唯一方法，除了仔細(xì)的工藝設(shè)計(jì)之外，是切斷邏輯塊的電力供應(yīng)。

因此，MCU的省電設(shè)計(jì)需要在電路速度和電壓之間進(jìn)行精細(xì)的取舍。還有第三個(gè)因素——MCU在給定時(shí)間內(nèi)需要多頻繁地激活。大多數(shù)基于MCU的系統(tǒng)并不總是有工作要做。它們通常會(huì)周期性地完成一系列任務(wù)，然后停下來(lái)。為避免浪費(fèi)電能，MCU不會(huì)簡(jiǎn)單地在空轉(zhuǎn)循環(huán)中循環(huán)，而是會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，關(guān)閉大部分功能單元。

MCU活躍度管理

理想情況下，在計(jì)量和監(jiān)控應(yīng)用中，通過(guò)維持低占空比，最大化電池壽命，系統(tǒng)內(nèi)的處理器幾乎全部時(shí)間都在睡眠狀態(tài)。例如，一個(gè)公用事業(yè)表的MCU可能會(huì)在其生命周期中大部分時(shí)間都在睡眠狀態(tài)。它可能僅在1%的時(shí)間內(nèi)清醒，喚醒只是為了從傳感器輸入收集數(shù)據(jù)。MCU完成工作后，會(huì)設(shè)定一個(gè)定時(shí)器來(lái)在一段時(shí)間后觸發(fā)喚醒中斷，或簡(jiǎn)單地等待外部刺激觸發(fā)中斷，然后關(guān)閉電力。由于設(shè)備在其生命周期的99%以上時(shí)間都是未使用狀態(tài)，即便是微小的漏電功率也會(huì)消耗掉相當(dāng)多的電池電量。

為這些低占空比環(huán)境設(shè)計(jì)的MCU提供了多種睡眠模式，對(duì)功耗進(jìn)行細(xì)致控制。例如，“打盹”模式可能只是禁用了一些外設(shè)，但核心仍在極低的時(shí)鐘速率下運(yùn)行在空轉(zhuǎn)循環(huán)中。這比“深睡眠”狀態(tài)消耗更多電力，在深睡眠中，處理器核心和幾乎所有外設(shè)都已關(guān)閉，但通常能快速響應(yīng)中斷。

在電力方面，深睡眠與打盹模式之間的差異可能非常巨大。深睡眠狀態(tài)下的MCU可能僅消耗大約幾十納安的電流——這些能量?jī)H足以保持定時(shí)器和中斷控制器運(yùn)行——而較不強(qiáng)烈的睡眠模式可以繪制幾十或數(shù)百微安，甚至更多。顯然，睡眠模式的選擇對(duì)電池壽命有著顯著影響。

睡眠模式的選擇對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)也有重大影響，特別是用戶界面。如果LCD沒(méi)有背光，它的能耗不多，因此不一定需要關(guān)閉電源。對(duì)于如計(jì)量器這樣的應(yīng)用，用戶可能想要在不喚醒系統(tǒng)的情況下檢查讀數(shù)，因此持續(xù)顯示讀數(shù)非常重要。

獨(dú)立于處理器的LCD控制

很多傳統(tǒng)MCU在設(shè)備進(jìn)入深睡眠時(shí)會(huì)關(guān)閉LCD控制器，使顯示屏空白。但是，如今已經(jīng)有很多廠商已經(jīng)認(rèn)識(shí)到至少要保持靜態(tài)顯示的價(jià)值，并允許在幾乎所有其他MCU部分被禁用的情況下，繼續(xù)運(yùn)行LCD。有些甚至可以在處理器核心睡眠時(shí)修改顯示。

允許獨(dú)立于處理器核心驅(qū)動(dòng)LCD控制器。為了在睡眠模式下操作LCD，用戶只需選擇一個(gè)非主振蕩器的振蕩源——它在睡眠期間會(huì)被禁用——并清除一個(gè)控制位，以確定LCD是否應(yīng)該關(guān)閉電源。根據(jù)MCU型號(hào)，LCD的時(shí)鐘源可以是內(nèi)部RC振蕩器或計(jì)時(shí)器1的時(shí)鐘，這通常連接到外部32 kHz晶體，通常用于控制處理器核心下一次喚醒的時(shí)刻。

由于許多LCD顯示屏在3V以下無(wú)法工作，LCD驅(qū)動(dòng)器具有集成的電壓增壓功能。當(dāng)供電電壓降到3V以下時(shí)，可以動(dòng)態(tài)啟用電壓增壓器，將LCD顯示屏的輸出提升到3V以上。這允許即便是電池接近放電周期末端，電壓經(jīng)常降到3V以下時(shí)，也能繼續(xù)操作。

隨著系統(tǒng)中降低能耗的壓力增加，預(yù)計(jì)廠商會(huì)提供如LCD控制器之類的更多自主外設(shè)，無(wú)需調(diào)用處理器核心即可進(jìn)行更新，只有在主要變化時(shí)才需要。這將有助于持續(xù)降低占空比和功耗。

睡眠模式對(duì)于基于電池供電的MCU電源壽命至關(guān)重要，并且即使在處理器核心關(guān)閉電源時(shí)，保持清晰的用戶界面也同樣重要。市面上也已有MCU產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)即使在深度睡眠模式下依舊驅(qū)動(dòng)LCD顯示。