微控制器小型化给系统设计带来的挑战

小型化正在推动微控制器变得越来越小，性能越来越高。随着控制器内核使用先进的硅制造工艺变得更小，有更多机会添加外设并减小设备的尺寸。与此同时，功耗越来越高，性能越来越高，外围设备越来越多，泄漏电流越来越大，从而推高了散热需求。

所有这些都创造了时钟速度，电压和封装技术的完美平衡。为微型系统中的微控制器提供最佳性能。管理微控制器中的电源是将系统保持在散热范围内的关键因素，而不必使用主动冷却，例如降低嵌入式系统可靠性的风扇。

虽然热管等被动冷却可以用于将热量从散热器传递到散热片，这增加了系统的尺寸并且抵消了处理的小型化。因此，控制器中电源的管理和处理是整个系统小型化的关键因素。

控制器越小，越重视封装和系统的热特性。转向芯片级封装允许使用新的热管理技术，例如热涂层。这更加必要，因为硅芯片通常做得更薄以减少漏电流和电容，但这会减少可用的热容器，并且可能使芯片更容易因热不平衡而破裂。

美国ARPA研究机构有一项热管理技术（TMT）计划，该计划正在探索和优化纳米结构材料，以便它们可用于热管理系统。它致力于热接地平面（TGP）技术和高性能散热器，使用热管的两相冷却来取代传统系统中的铜合金吊具，以提高冷却效率，而无需改变系统的设计。

该计划还希望通过降低通过散热器到周围环境的热阻来增强风冷式交换器，增加通过系统的对流，改善散热片的导热性，优化和/或重新设计免费的散热器鼓风机，并提高整个系统的性能系数。

与此同时，纳米热界面（NTI）项目正在研究能够显着降低热阻的新材料和结构。电子设备背面和封装的下一层之间的热界面层，可以是散热器或散热器。

这是为了避免需要散热诸如陶瓷材料之类的基板可能很昂贵。

有许多技术可以在微控制器中实现，以将功率保持在系统的热封套内。降低系统电压会降低功耗，并且在不使用时关闭设备中各个模块的能力有助于降低热活动。同样地，降低时钟频率以匹配处理要求并添加时钟门控以关闭外设模块也有助于管理功耗。

这在恩智浦最新的微控制器LCP54102中有所体现，它解决了电源问题。处理器的组合。超低功耗32位ARM 100 MHz Cortex-M0 +内核的功耗为55μW/MHz，用于管理外设和监控系统，采用更大的100 MHz ARM Cortex-M4处理器，可实现复杂的算法处理。 3.3 x 3.3 mm芯片采用90 nm工艺，256 KB闪存和104 KB SRAM，ADC，定时器和数字接口。

图1：恩智浦Espresso开发板，带有LCP54102微控制器。

所有这一切都旨在降低电池供电的传感器融合应用的总体功耗，因为电压会自动调整在0.85 V和1.35 V之间，以匹配每个处理器内核设置的不同频率，具体取决于电源配置文件。这些电源配置文件位于带有API的ROM中，可以轻松管理芯片上的所有外设以及内核的频率和睡眠模式，尽管这些也可以直接调整。可以通过Espresso开发板访问设置和API。但是，封装和系统设计必须考虑器件的最大功耗。虽然可以降低平均功率，并且在空闲模式下使用的功率也较低，但峰值功率必须通过散热器和将热量从核心处理器移开的方式来适应。

一个例子是飞思卡尔半导体为其Kinetis KL03处理器开发的晶圆级芯片级封装（CSP），其尺寸仅为1.6 x 2.0 mm。

图2 ：飞思卡尔针对Kinetis KL03微控制器的芯片级封装。

KL03 CSP（MKL03Z32CAF4R）减少了电路板空间，同时集成了低功耗（LP）UART接口，SPI，I²C，模拟等功能。 - 数字转换器（ADC）和LP定时器，支持低功耗模式操作，无需将内核与ARM的Cortex-M0 +内核一起唤醒。

单周期快速I/O访问端口可实现高效的位冲击和软件协议仿真，在保持功耗降低的同时保持8位“外观和感觉”，以及多种灵活的低功耗模式包括一个新的计算时钟选项，通过将外设置于异步停止模式来降低动态功耗。

图3：Kinetis KL03的框图 - 可以单独控制外围模块，以最大限度地减少热分布。

因此，Kinetis KL03 CSP的PCB面积减少了35％，但GPIO比其他器件少60％。这使设计人员能够大幅减小电路板尺寸，同时不会影响最终产品的性能，功能集成和功耗，但仍然强调了良好热管理的必要性。

图4：带有KL03控制器的飞思卡尔Freedom开发板。

通过收购Energy Micro，Silicon Labs现在拥有一系列高能耗的微控制器。 EFM32ZG微控制器结合了32位ARM Cortex-M0 +内核，创新的低能耗技术，节能模式的短唤醒时间以及多种外设选择，旨在实现低能耗设计。

微控制器中的关键元件是能量管理单元（EMU），它管理微控制器中的所有低能量模式（EM）。每种能量模式管理CPU和各种外围设备是否可用。该块还可用于关闭未使用的SRAM块的电源。这链接到时钟管理单元（CMU），它控制芯片上的振荡器和时钟，除了启用/禁用和配置可用的振荡器外，还可以单独打开和关闭所有外设模块的时钟。高度的灵活性使软件能够通过不浪费外围设备和不活动的振荡器来降低任何特定应用的能耗。

图5： Silicon Labs的EFM32ZG低功耗微控制器。

使用ARM Cortex-M0内核的另一系列微控制器是英飞凌科技的XMC1000。这是采用65纳米制造工艺来克服当今8位设计的局限性，闪存从8 KB扩展到200 KB。 XMC1200系列具有用于LED照明和人机界面设计的外围设备，XMC1300系列可满足电机控制或数字电源转换应用的实时控制需求。由于该系列旨在取代8位设计中的控制器，因此采用16引脚和38引脚塑料TSSOP封装，因此需要考虑更多热量因素。这些可以通过深度睡眠模式解决，在不使用时关闭芯片。

图6：英飞凌的32位XMC1000替换设计中的8位控制器并且必须考虑热问题。

图7：英飞凌的XMC1000开发系统。

结论

系统小型化的动力给微控制器子系统的热设计和管理带来了挑战。这可以通过新的热管和封装技术来实现，以补偿增加的功耗，并且还可以采用更复杂的电源管理技术。能够使用系统软件来控制各个外围模块以及控制器内核的时钟信号和电压也有助于降低功耗，从而使硅能够在现有的甚至更小的芯片级封装中有效运行。这有助于平衡减小核心和封装尺寸的竞争需求与系统的散热要求。