工作温度对能耗的影响

微控制器/片上系统 （MCU/SoC） 系统的能耗比较——一个基准就足够了，还是我们需要一个参数基准？

一个产品的选择、市场定位和成功的一个重要因素是整个系统的能耗。测量这一点的传统方法是以微安 （µA） 或每兆赫兹微瓦 （µW/MHz） 为单位来表示效率，但这已经不够了。储能系统既不存储 µA 也不存储 µW，而是存储焦耳，焦耳仅表示能量。因此，比较 MCU/SoC 设备的能源使用情况已成为用户的首要关注点。

一个基准是否足以选择 MCU、MCU 系列或整个 MCU 制造商？公开可用的技术文档是否足够？为您的应用选择合适的供应商有多容易？

第 1 部分：超低功耗基准：ULPBench-Core Profile

第 2 部分：ULPBench-Core 配置文件、EEMBC 文档和 MCU 数据表

第 3 部分：工作温度对能耗的影响

第 4 部分：MCU 数据表：操作模式、控制位、寄存器、电流和模式传输参数

在第三部分中，我们确切地了解了多少工作温度会影响能源消耗。

工作温度对能耗的影响

使用 SAM MCU 的数据表将有助于更详细地解释这一点。数据表显示了以下条件的温度信息，如图 10 和图 11 所示：

VDDIN = 3.3V（曲线右侧的值）和 1.8V（曲线左侧）

ULPVERG LPEFF 启用

运行在外部 32KHz 晶体上的 RTC

PD0、PD1、PD2处于保持状态

BOD33 被禁用

图 10. 02/2015 的数据基于模拟，而 06/2016 的数据来自表征。

图 11.这里的最大值大约是典型值的 2 – 2.6。（来源：Atmel-42402E-SAM L22G / L22J / L22N_Datasheet_Complete-07/2016，第 1152 页）

图 12 提供了温度对“待机睡眠模式”下 SAM MCU 能耗影响的直观表示。

图 12. RTC 模式下的电流在 20 ⁰C 时可能很小，但在 85 ⁰C 时显着。消耗的能量高出 14 倍！（来源：Atmel-42385J-SAM L21_Datasheet_Complete-06/2016，第 1188 页）

相同的数据表还说明了以下操作条件：

• VDDIN = 0V（曲线右侧的值）和 1.8V（曲线左侧）

• VBAT = 3，3V 或 1，8V

• RTC 在外部 32 KHz 晶体上运行

• BOD33 被禁用

该数据作为图 13 的基础，它定义了 SAM MCU 的“备份睡眠模式”。

图 13. 最大值大约是典型值的 1.5 – 2.5 倍。在 85 ⁰C 和 25 ⁰C 之间，流动比率约为 5 倍。85 ⁰C 时的电流值接近图 14 中的值。电源块结构显示在第 196 页的同一数据表中；PDBACKUP 包括一个 32 kHz 晶体和 RTC 计数器。第 38 页显示 VBAT 可以为晶体和 RTC 供电。（来源：Atmel-42385J-SAM L21_Datasheet_Complete-06/2016，第 1152 页）

图 14 提供了温度对“备用睡眠模式”下 SAM MCU 能耗影响的直观表示。

图 14. RTC 模式下的电流在 20 ⁰C 时很小，但在 85⁰C 时又是很大的。能源需求高出五倍！（来源：Atmel-42385J-SAM L21_Datasheet_Complete-06/2016，第 1189 页）

从 0 ⁰C 到 50 ⁰C 和 80 ⁰C 到 85⁰C 的温度变化之间的能量增加相当。但是，如果没有可用的温度数据，或者没有更高温度的数据，您如何估计有关电流或能源消耗的数据？

对照基准衡量

ULPBench-CP 包含两个（甚至三个）阶段：操作模式（代码执行）和睡眠模式（RTC、时钟）。此外，模式之间的转换也会有损失。为了在没有供应商数据的情况下估计工作温度对能耗或电池寿命的影响，我们评估了 ULPBench-CP 的现有公共数据（图 15）。

图 15. ULPBench-CP 的公开数据显示，温度对 MCU 能耗的影响不同。（来源：Design und Elektronik）

EEMark-CP 基准的值随温度变化很大。表中的数据还表明，图 12 和图 14 中的值不能转移到其他 MCU/SoC 中——25 ⁰C 和 85 ⁰C 之间的系数范围为 1.16 到 10.73。需要供应商数据来正确评估温度对操作条件的影响。

根据图 14（SAML21，Rev. B）和图 15（EEMark-CP：SAML21 Rev.B，LPEff on – 137，33）的数据，我们可以验证 EEMark 基准值的变化幅度（图 16）。根据计算，我们采用 3.72 µJ 的工作能量和 3.69 µJ 的睡眠模式能量。我们假设睡眠模式电流 （RTC） 取决于温度，如图 14 所示。我们进一步假设工作模式下的能量需求与温度无关。

图16. 能耗测量值和计算值的比较证实了温度影响与工作电流无关的假设。

这些数据使我们可以得出结论，如果您应用真实的温度曲线，能源需求会增加。

温度曲线，用户示例

对散热器的非常基本的评论可以为我们提供一个很好的用户示例。为简单起见，我们假设一年中有三种供暖情况，两个过渡阶段（春季、秋季）和冬季持续供暖期。

加热曲线显示超过 24 小时，适用于 90 天（四分之一）。在过渡阶段（春季/秋季）期间，我们假设一个加热阶段、加热阶段和加热暂停一夜之间的循环。在夏季，假定不加热，MCU 工作温度约为 25 ⁰C。在冬季，我们假设持续供暖，但在某些时间温度不同（图 17）。

图 17. 三个简化的温度曲线显示了示例散热器应用的加热循环。

这为评估各种温度曲线如何影响 SAM L21 MCU 的运行时间或 EEMark 值提供了一个很好的基准，因为该器件可以使用各种温度范围内的 RTC 值。

绝对能耗将根据热成本分配器的技术规格而有所不同。但是你可以计算出单片机的增量消耗。它比提供 25 ⁰C 恒定温度的比较值高出大约 32%。当计算中包括应用中的其他能源消耗者时，可以估计寿命缩短。

图 19.以 SAM L21 MCU 为例说明了不同温度曲线下的能耗。能源消耗以一天中每小时的平均值显示为全年的平均值。

这些计算表明，各种温度温度曲线对 MCU 的能耗有显着影响。RTC 模式的温度依赖性及其对总能耗的影响证实了这一点。

结论

温度对 MCU 能耗的影响会对应用的预期寿命产生重大影响，尤其是在电池等能源有限的系统中。在使用具有有限峰值能量能力的能源时，也应考虑这一点，例如在能量收集系统或 USB 端口中。

这篇文章已经证明了对合适的能量分布的需求。一天结束时，您获得一焦耳的能量才是最重要的。

作者：Horst Diewald ，Uwe Mengelkamp

审核编辑：郭婷