可以在1.8V电压下工作的8位微控制器的性能分析

通用微控制器中的休眠模式和空闲模式使嵌入式处理器能够降低实时能耗，并解决许多电池和低功耗设计问题。然而，随着嵌入式系统变得越来越复杂，实现更密集，更复杂的微核以及我们期望在今天看到的更高端外设需要额外的逻辑。因此，即使在待机模式下，在尝试降低能量时静态功耗也是一个问题，尤其是在需要长时间睡眠时。

降低能量和延长运行时间的一个因素是工作电压。虽然许多5 V系统仍在使用和支持，但目前大多数设计已迁移到3.3，2.5和1.8 V竞技场。由于电压与功耗成正比，您可以看到静态5 V系统的功率几乎是1.8 V系统的三倍。开关电路的情况更是如此，因为功率消耗也与开关频率成比例。

本文探讨了8位微控制器，它具有更简单的架构和低于平均值的电压核心，可以在1.8 V以下工作。虽然这些电平可能无法与大多数外部设备配合使用，但它确实可以实现更低功耗，长期睡眠/休眠模式可以将电池寿命延长到极限。当电池接近完全放电状态时，它还允许微型电池保持更长时间。

架构辩论

精心设计的核心与外围设备专门用于减少能源使用可以对您的设计产生重大影响。您使用的是通用微型机还是选择了其中一种低功耗架构设备？有一些巧妙设计的8至32位微处理器，具有令人印象深刻的低能耗模式。

对于总线宽度参数的双方都可以进行很好的辩论。一方面，您可以说更大的32位架构可以更快地处理。正因为如此，更广泛的架构不需要保持清醒，并且最终可以节省电力（即使它保持更广泛的架构）。

另一方面，较窄的架构，如8位机器，可以完成所需的所有处理，虽然需要更长时间，但在静态状态下将以更低的功耗睡眠。寄存器，存储器，指针等等，总线宽度都较窄，这意味着静态功耗较小。当你看一些具有丰富外设和功能，混合信号功能和大量I/O的低压8位器件时，这场辩论会变得很有趣。一个完美的例子来自ROHM及其Lapis系列ML610低功耗处理器。

虽然在某些方面相对较少，但这些具有低压内核的部件具有令人钦佩的外设和口味组合，包括一些典型配置，如120引脚TQFP ML610Q422P，32K闪存和2K RAM以及144-引脚LQFP ML610Q431具有64 K闪存和3K RAM。

ROHM系列由高性能CMOS 8位微控制器组成，内置Lapis Semiconductor的原始RISC 8位CPU“U8核心”。 CPU内核能够通过每个周期时钟操作一个指令执行高效的指令。 “610”系列产品广泛应用于各种领域的电池驱动，手持式应用。

请注意，这些部件不能以高兆赫时钟运行。它们通过以低频（通常为4 MHz）运行处理器并使用RISC内核执行244μs的大多数指令来节省功耗。与其他低能耗处理器一样，这些处理器也可以使用实时时钟的32.768 kHz进行操作。虽然较慢（每个指令周期为30.5μs），但它们可以相应地消耗更少的电流。

关键是这些内核具有低至1.1 V的保证工作范围。这允许一些巧妙的自适应电源设计技术，特别是如果您的处理器将要关闭并长时间休眠。例如，当通过串行端口或标准3.3 V外设与外部接口时，I/O线可以使用I/O驱动晶体管或偏置D/A电平将VCC设置为3.3 V（图1）。如果没有低功耗模式，外围芯片可以以相同的方式上电和下电。当不需要外部活动时，VCC可以设置为1.8甚至1.1 V.这种动态电源电压方法可以应用于任何可以在1.8 V阈值以下可靠工作的内核。

图1：对于没有单独I/O VCC控制的处理器，处理器VCC线的动态控制使其能够与需要标准电压的外部外设保持兼容，然后将自身置于低电压模式，以便在长时间休眠期间节省功耗周期。实际电压电平将根据所用晶体管的正向压降或RDS（on）而变化。

除了基本的UART，I²C和SPI连接外，还提供各种高端选项，如LCD接口，与GPIO接口的外部总线以及其他不常用的外设，如旋律发生器。对于低功率分布式传感器应用特别感兴趣的是这些部件包含两个16位A/D转换器和24位D/A转换器。

ROHM ML610QX演示板使用插入式子板容纳各个ML610系列成员（图2）。主板包含一个LCD，串行端口，按钮和一个发声器，可帮助测试基本编码和设计。 UEASE W/COMPILER也可用于编译器和仿真器/调试支持。 Rohm还在Digi-Key网站上提供了有关其低功耗微型和A/D使用的产品培训模块。

图2：由于Lapis系列中有如此多的系列成员，开发系统使用子板来设计每个部件自身的外围设备和功能组合。

另一个有趣的部分来自意法半导体;他们的STM8L101G2U6A工作电压低至1.62 V.该器件是ST的EnergyLite系列之一，具有高达68个I/O和高达64 K的闪存和8K的RAM。 8位内核基于CISC架构，内部采用16 MHz R/C振荡器，在Halt模式下吸收300 nA，在Active-Halt模式下吸收800 nA（保留所有内部构件）。

这些不是超快速，超密集的部件，但它们并不打算打破任何速度记录。支持的外设类似于针对低功耗设计的其他处理器，具有SPI，IIC和UART等基本功能。这些器件针对成本敏感的低功耗应用，可以使用ST的STM8L15LPBOARD进行应用测试和开发，支持该公司的STM8L EnergyLite处理器（图3）。开发板的原理图¹也可用，这些处理器由Segger Flasher系列生产工具提供支持。

图3：支持ST的低压内核包括一个低功耗演示/开发板，具有基本的通用通信和外设以及所有模式下的电流消耗测量。

这里应该注意的是，虽然功耗可以达到1.62 V与1.8 V没有显着差异，但它确实意味着处理器可以在电池或超级电容器放电时运行更长时间，特别是在低频运行时。

低至0.5 V

众多先进的8051内核中的一款产品来自赛普拉斯，其CY8C32xx系列可编程系统芯片3（PSoC3）。这是一系列系统级芯片，在单芯片上集成了模拟，数字，外设，存储器和CPU。

与其他高度精炼的8051内核一样，PSoC3基于熟悉的架构，具有现代单周期速度（本例中为50 MHz）和高端外设（如LCD，DMA，USB 2.0和Touch Sense），以及超越任何遗留部分。在这种情况下，一个特别突出。

虽然额定运行的最低电压为1.71 V，但这些器件实际上可以在低至0.5 V的电压下运行（是的，您可以正确读取）。内部高效升压调节器将低输入电压（0.5至1.8 V）升压至5 V，为片上系统及其外设供电（图4）。

图4：内部升压调节器在极低电压下会失效，但会为PSoC的VCC提供低至0.5 V的输入电压。

还支持混合信号功能。这些器件有两个12位A/D转换器。具有8位分辨率的D/A可能会受到限制，但有大量I/O（最多62个）和外围总线（包括IIC，SPI，UART，LIN和USB） - 用于挂起外部D/A.另一个不错的功能是它的片上EEPROM（高达2K x 8），可以在软件控制下写入非易失性参数。

典型的中间示例是100引脚LQFP CY8C3245，具有32K闪存，1K RAM和1K EEPROM。该器件具有大量I/O（62），可以实现外部总线接口以扩展存储器范围或添加并行外设。

总结

低功耗和能量敏感设计可以通过降低核心电压来降低实时功耗。一些制造商意识到这一点并通过提供在其他人耗尽电池时仍能运行的部件来满足需求。虽然8位器件可以从这种方法中受益，但工程师们不应忽视这样一个事实，即16位和32位低压内核也提供自己的省电技术。因此，在为下一个项目选择MCU时要保持开放的态度。