汽车 MCU低功耗解决方案

作者：飞思卡尔半导体    孙涛、贡玉南

随着汽车工业的发展，汽车上的电子控制系统数量呈指数增长。以ECU为核心的车载电子控制系统逐步取代了被动器件和机械系统，同时也完成了大多数测量、驱动和控制的功能。

由于新型车载电子控制系统在车辆应用中的增加，导致对电源负载以每年约100W的速度增加。当前所面临的最大挑战是在相同的电池电源条件下，找到新的方法来保证汽车电子设备的数量及功能的不断增加。故在实际应用中需要MCU的功耗持续降低。

另外，数字电路的最大功耗和可靠性问题是密切相关的，例如，电迁移和热载流子导致的器件老化。而且由于芯片散热而引起的热应力也是关系可靠性的主要问题之一。因此，减少功耗对提高芯片的可靠性也是至关重要的。
为了应对日趋增长的低功耗需求，飞思卡尔Qorivva系列32位MCU采用了专门的设计达到降低整体功耗的目的。除了改善的器件特性和更小的工艺尺寸，电路级和系统级的措施也在很大程度上降低了功耗。

飞思卡尔基于32位Power架构的Qorivva系列MCU专门为嵌入式汽车应用而设计。这一系列MCU采用了多种低功耗设计达到降低动态功耗和静态功耗的效果，主要包括：
•    多种工作模式
•    门控电源
•    门控时钟
多种工作模式
图1所示为飞思卡尔Qorivva MPC560xB系列的不同工作模式图。
 

图1 Qorivva MPC560xB工作模式

Qorivva     MPC560xB系列MCU包含了HALT, STOP和STANDBY 3种低功耗模式，用户可以根据实际情况结合使用不同的工作模式。

HALT模式下，系统活动减少，内核时钟关闭，锁相环、flash存储器、模数转换器等模块均可以关闭从而降低功耗，这一模式可以用于LIN低速发送接收等情况。

相比HALT模式，STOP模式可通过配置关闭绝大多数外设进一步降低MCU的功耗。该模式保留了整个MCU的供电，因此相比STANDBY模式拥有更短的恢复时间。STOP模式可配置关闭所有的时钟源并保留当前状态，在此模式下锁相环一致处于关闭状态，在退出STOP模式时，系统会使用高速内部时钟直到指定的时钟稳定。

STANDBY模式下内核停止，flash存储器以及大多数外设均被关闭，芯片大部分电源被切断，从而达到可能的最小功耗。此时MCU可以被外部的引脚、复位或者使用低功耗时钟的周期性唤醒源所唤醒。

表1列出了在室温条件下Qorivva MPC5602B不同工作模式下的功耗：

表1  Qorivva MPC5602B不同模式下的电流

模式	时钟	电流
RUN(RAM)	64MHz	57mA
RUN(FLASH)	64MHz	66mA
HALT	128KHz IRC	8mA
STOP	128KHz IRC	228 μA
STANDBY(32KB)	128KHz IRC	30 μA
STANDBY(8KB)	128KHz IRC	20 μA

门控电源
Qorivva MCU内部被划分为3个不同的电源域，不同的外设分别属于不同的电源域。电源控制单元允许用户在不同的模式下对某一个电源域供电或者断电。在模式切换时，根据用户的配置，有限状态机负责开启或者关闭各个电源域的供电从而保证状态切换是平顺且安全。例如：进入STANDBY模式将会切断内核、大多数外设、时钟等模块的电源，因此可以节省最多的功耗。
 

图2 Qorivva MPC560xB 门控电源

门控时钟
MCU的功耗与工作时钟直接相关，这就意味着在单位时间内越多的门翻转将会带来越大的功耗。Qorivva MPC560xB系列MCU采用了多种方式降低门翻转所带来的动态功耗。包括：1. 停止内核时钟，在低功耗模式下，断开内核的时钟可以有效降低内核的功耗。2. 外设时钟分频，对于一些不需要高速运行的外设，可以降低外设的时钟从而降低动态功耗。3. 断开部分无需使用的外设时钟，可以有效的降低由外设带来的动态功耗。
 

图3 Qorivva MPC560xB 门控时钟

基于Qorivva MPC5602B MCU的一种典型低功耗应用
 

图4 Qorivva MPC5602B 低功耗应用

如图4所示为Qorivva MPC5602B的一种典型低功耗应用。第一阶段的16ms时间内MCU处于STANDBY模式，其电流消耗仅为30 μA，此时由内部的计时器自动唤醒。唤醒之后第二阶段71μs时间内MCU处于RUN模式，此时使用2MHz的系统时钟，电流消耗小于8mA。第三阶段64μs时间内MCU处于STOP模式，RTC设置为在64μs之后唤醒，此时的电流消耗低于300 μA。唤醒之后第四阶段57μs回到RUN模式。MCU在这四个阶段的平均电流消耗仅为94 μA。可以看到，在特定的条件下间歇性的使MCU处于低功耗模式可以显著地降低系统功耗。

总结：
飞思卡尔Qorivva系列MCU除了采用更好特性的器件和更先进的工艺尺寸，还提供了应用层的低功耗解决方案，用户可以通过结合使用不同的工作模式，降低系统功耗，应对低功耗挑战。