嵌入式市場迫切要求以更低的功耗實現更高的性能，這一需求現已擴展到大量便攜式和墻上電源供電的應用中。為滿足該需求，飛思卡爾始終致力于將低功耗設計擴展到更廣的領域。最新推出的Kinetis（動力學）系列ARM Cortex-M4微控制器就是最新突破。2010年第四季度的數據抽樣表明，Kinetis代表著基于ARM Cortex-M4新內核的首款適合廣泛市場的混合信號MCU組合，同時也是業界擴展性能最強的ARM Cortex-M4 MCU的產品之一。多種硬件和軟件兼容的MCU產品系列將提供卓越的性能和內存容量，其擴展性強，從采用超小QFN封裝的50MHz、32KB閃存器件到帶1MB閃存和工業用豐富外設集的150MHz器件均包括在內。低功耗在Kinetis MCU設計中發揮著核心作用。這從采用了飛思卡爾最新90納米SG-TFS（分裂柵-薄膜存儲器）工藝技術，以及大量具有省電功能的通用、專用外設上都可以反映出來。

　　創新的低功率技術

　　工藝技術是任何半導體產品的基本構建模塊和決定MCU功耗的關鍵因素。除了能夠提供超快訪問速度、防止充電損失外，Kinetis MCU還是首款利用了飛思卡爾SG-TFS閃存技術優勢的產品，該技術專門設計用來解決功耗敏感應用的需求。在設計SG-TFS位存儲單元時，飛思卡爾在讀取路徑上使用快速、低電壓的晶體管，從而將工作電壓降到1.71V至3.6V這一較低的范圍。在采用兩個1.5V電池的應用中，一旦電壓達到0.9V，電池壽命就會迅速縮短。這意味著與過去通常限制在2V甚至更高的MCU產品相比，1.71V的更低電壓限制可以大大延長電池壽命。擴展的電壓范圍不僅適用于片上存儲器：閃存、SRAM和飛思卡爾新的FlexMemory（可配置，耐用性強的EEPROM），同時也適用于模擬外設，因而即使在功率曲線的較低端也能實現連續的信號測量和調節。允許高速切換的信號工作在較低電壓（通常為1.2V）下，TFS的電壓特性還有助于降低運行電流。由于運行電流與C*V2*f成比例，電壓下降對有效電流的閃存組件非常有利。

　　必須具備的功率模式

　　在電池供電的大部分應用中，CPU將大部分時間用于功率降低或休眠模式。因此，非常關鍵的一點是微控制器提供了極具吸引力的電源模式、喚醒源和啟動時間選擇，以便設計人員能夠優化外設活動和恢復時間來滿足應用需求，并最大限度地使用現有的可用能源。飛思卡爾的處理方式是在Kinetis MCU中配置不少于10種的運行、等待和停止模式，同時還配有多個喚醒源（見圖1和2）。每個運行模式都配有對應的等待和停止模式。飛思卡爾還推出了幾款低漏電模式和新的低漏電喚醒單元（LLWU），以滿足最嚴格的功率預算。

　　工作在運行模式下時，CPU全速執行代碼，可以實現低至200μA/MHz的功耗。對于不需要最大總線頻率的時段，可以使用極低功率運行（VLPR）模式。這就把CPU頻率限制在2MHz內，并將內部穩壓器置于待機模式，同時還保持外設和低電壓檢測（LVD）的全部功能實現。在這種模式下，使用600μA至1mA范圍的VLPR LDD可以節省大量功耗，具體情況則取決于MCU的性能、內存和外設配置。

　　等待模式和極低功率等待（VLPW）模式與它們對應的運行模式類似，但CPU會暫停，且閃存及FlexMemory編程不可用。外設中斷啟動后，MCU能夠退出等待模式，執行預定的任務，然后迅速恢復為低功率狀態。這最大限度地減少了那些常在活動狀態和減少功率狀態之間切換的應用的平均功耗。根據總線頻率的不同，運行模式Idd可以節省30至60％的功耗。

　　許多停止模式提供狀態保持和某些邏輯和/或內存的部分或全部斷電。低漏電停止（LLS）模式是恢復時間為4μS的最低功率模式，可降低內部邏輯的電壓，最大限度減少未使用的內部電路的漏電，并且IDD通常保持在1.2μA到7μA的范圍內。極低漏電停止（VLLS）模式則更進了一步，它能切斷內在邏輯以及有選擇地切斷RAM內存，從而減少未使用電路的漏電。每個VLLS模式的之間差異與RAM保留級別有關。在VLLS3模式中，保留全部RAM；在VLLS2模式中，保留部分RAM；在VLLS2模式中，則不會保留RAM，但有一個32字節的寄存器文件可以用于關鍵應用數據的保存。

　　Kinetis MCU的一個關鍵低功率組件是低漏電喚醒單元（LLWU），它在所有低漏電停止模式中充當喚醒監控器。LLWU支持多達16個外部輸入引腳（如下降沿、上升沿或任何轉換都可以編程）和8個可由用戶配置為喚醒事件的內部外設。在最低功率模式下，有幾個喚醒源可供選擇：如低功耗定時器、實時時鐘、模擬比較器、觸摸感應接口（TSI）和幾個引腳中斷。喚醒輸入處于激活狀態時，只要MCU進入LLS模式或任何VLLS模式它就會啟動。

　　由于時鐘消耗多達40%的 有效功率，Kinetis MCU給所有模塊都采用可編程門控時鐘。這樣可以關閉運行和等待模式中未使用的外設時鐘，同時還能保持相同的性能和功能。如果Kinetis器件具有大量通信模塊和定時器，這一點顯得尤為重要。此外，還可以用電源門控來關斷未使用的內存和邏輯，進一步降低漏電流。

　　Kinetis MCU包括一個低功率定時器，它通過在功率降低狀態啟動連續的系統運作來提高靈活性。這既可以作為通用定時器使用，也可以用來與片上比較器一起對比較器輸入脈沖進行計數。最后，低電壓檢測（LVD）單元支持兩個低電壓檢測觸發點，每觸發點上有四個警告級。它可以被配置為在電源電壓變化時生成復位或中斷信號，從而保證內存內容和MCU系統狀態的安全。

　　嵌入式市場迫切要求以更低的功耗實現更高的性能，這一需求現已擴展到大量便攜式和墻上電源供電的應用中。為滿足該需求，飛思卡爾始終致力于將低功耗設計擴展到更廣的領域。最新推出的Kinetis（動力學）系列ARM Cortex-M4微控制器就是最新突破。2010年第四季度的數據抽樣表明，Kinetis代表著基于ARM Cortex-M4新內核的首款適合廣泛市場的混合信號MCU組合，同時也是業界擴展性能最強的ARM Cortex-M4 MCU的產品之一。多種硬件和軟件兼容的MCU產品系列將提供卓越的性能和內存容量，其擴展性強，從采用超小QFN封裝的50MHz、32KB閃存器件到帶1MB閃存和工業用豐富外設集的150MHz器件均包括在內。低功耗在Kinetis MCU設計中發揮著核心作用。這從采用了飛思卡爾最新90納米SG-TFS（分裂柵-薄膜存儲器）工藝技術，以及大量具有省電功能的通用、專用外設上都可以反映出來。

　　創新的低功率技術

　　工藝技術是任何半導體產品的基本構建模塊和決定MCU功耗的關鍵因素。除了能夠提供超快訪問速度、防止充電損失外，Kinetis MCU還是首款利用了飛思卡爾SG-TFS閃存技術優勢的產品，該技術專門設計用來解決功耗敏感應用的需求。在設計SG-TFS位存儲單元時，飛思卡爾在讀取路徑上使用快速、低電壓的晶體管，從而將工作電壓降到1.71V至3.6V這一較低的范圍。在采用兩個1.5V電池的應用中，一旦電壓達到0.9V，電池壽命就會迅速縮短。這意味著與過去通常限制在2V甚至更高的MCU產品相比，1.71V的更低電壓限制可以大大延長電池壽命。擴展的電壓范圍不僅適用于片上存儲器：閃存、SRAM和飛思卡爾新的FlexMemory（可配置，耐用性強的EEPROM），同時也適用于模擬外設，因而即使在功率曲線的較低端也能實現連續的信號測量和調節。允許高速切換的信號工作在較低電壓（通常為1.2V）下，TFS的電壓特性還有助于降低運行電流。由于運行電流與C*V2*f成比例，電壓下降對有效電流的閃存組件非常有利。

　　必須具備的功率模式

　　在電池供電的大部分應用中，CPU將大部分時間用于功率降低或休眠模式。因此，非常關鍵的一點是微控制器提供了極具吸引力的電源模式、喚醒源和啟動時間選擇，以便設計人員能夠優化外設活動和恢復時間來滿足應用需求，并最大限度地使用現有的可用能源。飛思卡爾的處理方式是在Kinetis MCU中配置不少于10種的運行、等待和停止模式，同時還配有多個喚醒源（見圖1和2）。每個運行模式都配有對應的等待和停止模式。飛思卡爾還推出了幾款低漏電模式和新的低漏電喚醒單元（LLWU），以滿足最嚴格的功率預算。

　　工作在運行模式下時，CPU全速執行代碼，可以實現低至200μA/MHz的功耗。對于不需要最大總線頻率的時段，可以使用極低功率運行（VLPR）模式。這就把CPU頻率限制在2MHz內，并將內部穩壓器置于待機模式，同時還保持外設和低電壓檢測（LVD）的全部功能實現。在這種模式下，使用600μA至1mA范圍的VLPR LDD可以節省大量功耗，具體情況則取決于MCU的性能、內存和外設配置。

　　等待模式和極低功率等待（VLPW）模式與它們對應的運行模式類似，但CPU會暫停，且閃存及FlexMemory編程不可用。外設中斷啟動后，MCU能夠退出等待模式，執行預定的任務，然后迅速恢復為低功率狀態。這最大限度地減少了那些常在活動狀態和減少功率狀態之間切換的應用的平均功耗。根據總線頻率的不同，運行模式Idd可以節省30至60％的功耗。

　　許多停止模式提供狀態保持和某些邏輯和/或內存的部分或全部斷電。低漏電停止（LLS）模式是恢復時間為4μS的最低功率模式，可降低內部邏輯的電壓，最大限度減少未使用的內部電路的漏電，并且IDD通常保持在1.2μA到7μA的范圍內。極低漏電停止（VLLS）模式則更進了一步，它能切斷內在邏輯以及有選擇地切斷RAM內存，從而減少未使用電路的漏電。每個VLLS模式的之間差異與RAM保留級別有關。在VLLS3模式中，保留全部RAM；在VLLS2模式中，保留部分RAM；在VLLS2模式中，則不會保留RAM，但有一個32字節的寄存器文件可以用于關鍵應用數據的保存。

　　Kinetis MCU的一個關鍵低功率組件是低漏電喚醒單元（LLWU），它在所有低漏電停止模式中充當喚醒監控器。LLWU支持多達16個外部輸入引腳（如下降沿、上升沿或任何轉換都可以編程）和8個可由用戶配置為喚醒事件的內部外設。在最低功率模式下，有幾個喚醒源可供選擇：如低功耗定時器、實時時鐘、模擬比較器、觸摸感應接口（TSI）和幾個引腳中斷。喚醒輸入處于激活狀態時，只要MCU進入LLS模式或任何VLLS模式它就會啟動。

　　由于時鐘消耗多達40%的 有效功率，Kinetis MCU給所有模塊都采用可編程門控時鐘。這樣可以關閉運行和等待模式中未使用的外設時鐘，同時還能保持相同的性能和功能。如果Kinetis器件具有大量通信模塊和定時器，這一點顯得尤為重要。此外，還可以用電源門控來關斷未使用的內存和邏輯，進一步降低漏電流。

　　Kinetis MCU包括一個低功率定時器，它通過在功率降低狀態啟動連續的系統運作來提高靈活性。這既可以作為通用定時器使用，也可以用來與片上比較器一起對比較器輸入脈沖進行計數。最后，低電壓檢測（LVD）單元支持兩個低電壓檢測觸發點，每觸發點上有四個警告級。它可以被配置為在電源電壓變化時生成復位或中斷信號，從而保證內存內容和MCU系統狀態的安全。

　　低功率觸摸感應

　　所有Kinetis MCU都采用了飛思卡爾新推出的Xtrinsic觸摸感應技術。通過創建觸摸啟動按鈕、滑動和旋轉式用戶界面，Xtrinsic提供了可以替代傳統機械式按鍵開關的現代產品。同時從美觀的角度考慮，觸摸感應接口還具有設計靈活、所需維護少，能支持不同感應級別和覆蓋表面的功能。以上優勢使得該技術不但被用于最新消費電子產品，在家電、醫療設備和工業控制面板等都得到了廣泛使用。觸摸感應輸入（TSI）模塊還能提供更多好處，該模塊在啟動后只需要使用最小電流加法器，就能在所有低功率模式中正常運作。這使得大量電池供電應用都可以采用觸摸感應技術，而這在以前是無法實現的。

　　TSI模塊中包括一個內部定期掃描單元，它針對低功率和運行模式提供獨立的掃描間歇。這使得用戶可以設置較長的掃描間歇以最大限度降低功耗。而在運行模式中可以將掃描間歇縮短，以加快觸摸響應。

　　如圖3所示，TSI模塊提供可編程的高電容和低電容閾值，并且在檢測到TSI事件之前CPU在該范圍一直會保持休眠模式。發生觸摸操作時，瞬時電極電容被檢測到超出閾值定義的范圍，這反過來就會觸發TSI中斷，并快速喚醒CPU。一旦觸摸感應輸入處理完畢，MCU就可以自由恢復低功率狀態。TSI模塊最多可以支持16個電極/按鍵，每個電極使用單個引腳，無需外部元件，從而降低系統成本。當電容測量分辨率降低到0.02fF時，它還可以與厚玻璃、塑料和彈性玻璃表面一起使用。此外，電極取樣集成和故障檢測硬件增強了系統可靠性，在嘈雜的工業環境中這是一個需重點考慮的因素。

　　多種應用要求采用鍵盤、旋轉和滑動用戶界面。為滿足這些需求，飛思卡爾提供了觸摸感應軟件（TSS）庫，它完全兼容CodeWarrior集成開發環境（IDE）。TSS庫的特性包括智能自動校準機制（可預防環境問題），噪聲抑制算法，優化的緩沖結構（支持任何電極排列）和用于電極表征（輔以演示和應用實例）的PC GUI應用。

　　低功率分段LCD

　　分段LCD顯示器常用于一些對功率敏感的應用，用于提供指令、監控系統狀態以及顯示操作/功能處理或提供結果。在大多數系統中，LCD可以一直供電（即使在低功耗模式中），以便顯示狀態、電池使用狀況或每日時段信息。因此，LCD消耗的功率不得對電池壽命產生不良影響非常重要。Kinetis K30和K40 MCU系列包括靈活的分段LCD控制器（該控制器支持大量多達320個分段的3V和5V LCD面板），主要設計用于低功率系統。這些MCU系列支持64KB～512KB的閃存。

　　LCD控制器在所有CPU運行模式下運行，包括極低漏電停止模式。除非芯片在復位狀態，否則屏幕將顯示信息，而無需關注MCU其余部分。一個重要特性就是它能夠支持閃爍模式運作，該模式允許以1/8秒、1/4秒、1/2秒、1秒、2秒、4秒和8秒的間歇打開和關閉分段，以提醒注意顯示器的這一部分或僅在循環關閉一半時保留電源。由于閃爍是在LCD模塊的一小部分中進行的，因此不必喚醒CPU、總線或MCU的其余部分，該MCU也能運行。黒屏閃爍會關閉所有分段，而在可配置的閃爍期間，備用屏幕閃爍則可以顯示不同的數據。利用這個功能，MCU無需推出低功耗模式，就可以通過支持LCD閃爍實現較低的平均功耗，如圖4所示。

　　最大限度減少外部元件數量還有助于提高系統的電池壽命，并且LCD控制器通過電荷泵生成前面板和背板顯示信號，此時電荷泵僅需要4個外部電容器。

　　LCD的數據還保留在距離LCD最近的位置（在面板單元上）。與LCD數據保存在芯片內部的寄存器不同，短數據路徑去除了克服中央寄存器和I/O引腳之間加載所必需的驅動，這使得LCD驅動器電壓域得以減小。

　　綜合起來，這些低功耗特性可以延長許多消費電子、工業和無線LCD終端產品的使用壽命。LCD控制器的其他功能包括：能夠通過軟件將任意LCD引腳配置為前面板或背板，因而無需成本高昂的硬件重設計就能對LCD設計進行修改；能夠防止錯誤顯示器讀數的創新分段故障檢測功能；支持背板、前面板或GPIO功能的多功能LCD引腳。

　　支持低功率解決方案

　　借助Kinetis系列產品，飛思卡爾致力于低功率MCU的不斷創新。這不僅適用于MCU本身，同時也適用于支持它的開發工具和設計資源。Kinetis MCU獲得廣泛的整套應用筆記、參考設計和培訓材料支持。同時還有強大的第三方工具系列加以完善，如IAR系統的Embedded Workbench IDE，該IDE集成了創新的電源調試和分析工具。這些功能使得軟件開發商能夠將程序執行的關鍵事件與功耗相映射，進而修改其源代碼以滿足功率曲線的要求。

　　如今的應用程序不僅僅要求低功率。在越來越多的情形下，它還要求大量性能、內存和外設選項，因為低功耗成為更多終端產品的關鍵需求。Kinetis MCU具有業界最新的低功率技術，多種低功率工作模式（可根據應用優化），一組豐富的低功率人機接口外設以及完善的支持，因而是滿足該需求的理想之選。

　　作者：Paulo Knirsch / Donnie Garcia / Danny Basler

　　飛思卡爾半導體