微控制器/片上系統(tǒng) （MCU/SoC） 系統(tǒng)的能耗比較——一個基準(zhǔn)就足夠了，還是我們需要一個參數(shù)基準(zhǔn)？

一個產(chǎn)品的選擇、市場定位和成功的一個重要因素是整個系統(tǒng)的能耗。測量這一點的傳統(tǒng)方法是以微安 （μA） 或每兆赫茲微瓦 （μW/MHz） 為單位來表示效率，但這已經(jīng)不夠了。儲能系統(tǒng)既不存儲 μA 也不存儲 μW，而是存儲焦耳，焦耳僅表示能量。因此，比較 MCU/SoC 設(shè)備的能源使用情況已成為用戶的首要關(guān)注點。

一個基準(zhǔn)是否足以選擇 MCU、MCU 系列或整個 MCU 制造商？公開可用的技術(shù)文檔是否足夠？為您的應(yīng)用選擇合適的供應(yīng)商有多容易？

第 1 部分：超低功耗基準(zhǔn)：ULPBench-Core Profile

第 2 部分：ULPBench-Core 配置文件、EEMBC 文檔和 MCU 數(shù)據(jù)表

第 3 部分：工作溫度對能耗的影響

第 4 部分：MCU 數(shù)據(jù)表：操作模式、控制位、寄存器、電流和模式傳輸參數(shù)

在第三部分中，我們確切地了解了多少工作溫度會影響能源消耗。

工作溫度對能耗的影響

使用 SAM MCU 的數(shù)據(jù)表將有助于更詳細地解釋這一點。數(shù)據(jù)表顯示了以下條件的溫度信息，如圖 10 和圖 11 所示：

VDDIN = 3.3V（曲線右側(cè)的值）和 1.8V（曲線左側(cè)）

ULPVERG LPEFF 啟用

運行在外部 32KHz 晶體上的 RTC

PD0、PD1、PD2處于保持狀態(tài)

BOD33 被禁用

圖 10. 02/2015 的數(shù)據(jù)基于模擬，而 06/2016 的數(shù)據(jù)來自表征。

圖 11.這里的最大值大約是典型值的 2 – 2.6。（來源：Atmel-42402E-SAM L22G / L22J / L22N_Datasheet_Complete-07/2016，第 1152 頁）

圖 12 提供了溫度對“待機睡眠模式”下 SAM MCU 能耗影響的直觀表示。

圖 12. RTC 模式下的電流在 20 ?C 時可能很小，但在 85 ?C 時顯著。消耗的能量高出 14 倍?。▉碓矗篈tmel-42385J-SAM L21_Datasheet_Complete-06/2016，第 1188 頁）

相同的數(shù)據(jù)表還說明了以下操作條件：

? VDDIN = 0V（曲線右側(cè)的值）和 1.8V（曲線左側(cè)）

? VBAT = 3，3V 或 1，8V

? RTC 在外部 32 KHz 晶體上運行

? BOD33 被禁用

該數(shù)據(jù)作為圖 13 的基礎(chǔ)，它定義了 SAM MCU 的“備份睡眠模式”。

圖 13. 最大值大約是典型值的 1.5 – 2.5 倍。在 85 ?C 和 25 ?C 之間，流動比率約為 5 倍。85 ?C 時的電流值接近圖 14 中的值。電源塊結(jié)構(gòu)顯示在第 196 頁的同一數(shù)據(jù)表中；PDBACKUP 包括一個 32 kHz 晶體和 RTC 計數(shù)器。第 38 頁顯示 VBAT 可以為晶體和 RTC 供電。（來源：Atmel-42385J-SAM L21_Datasheet_Complete-06/2016，第 1152 頁）

圖 14 提供了溫度對“備用睡眠模式”下 SAM MCU 能耗影響的直觀表示。

圖 14. RTC 模式下的電流在 20 ?C 時很小，但在 85?C 時又是很大的。能源需求高出五倍?。▉碓矗篈tmel-42385J-SAM L21_Datasheet_Complete-06/2016，第 1189 頁）

從 0 ?C 到 50 ?C 和 80 ?C 到 85?C 的溫度變化之間的能量增加相當(dāng)。但是，如果沒有可用的溫度數(shù)據(jù)，或者沒有更高溫度的數(shù)據(jù)，您如何估計有關(guān)電流或能源消耗的數(shù)據(jù)？

對照基準(zhǔn)衡量

ULPBench-CP 包含兩個（甚至三個）階段：操作模式（代碼執(zhí)行）和睡眠模式（RTC、時鐘）。此外，模式之間的轉(zhuǎn)換也會有損失。為了在沒有供應(yīng)商數(shù)據(jù)的情況下估計工作溫度對能耗或電池壽命的影響，我們評估了 ULPBench-CP 的現(xiàn)有公共數(shù)據(jù)（圖 15）。

圖 15. ULPBench-CP 的公開數(shù)據(jù)顯示，溫度對 MCU 能耗的影響不同。（來源：Design und Elektronik）

EEMark-CP 基準(zhǔn)的值隨溫度變化很大。表中的數(shù)據(jù)還表明，圖 12 和圖 14 中的值不能轉(zhuǎn)移到其他 MCU/SoC 中——25 ?C 和 85 ?C 之間的系數(shù)范圍為 1.16 到 10.73。需要供應(yīng)商數(shù)據(jù)來正確評估溫度對操作條件的影響。

根據(jù)圖 14（SAML21，Rev. B）和圖 15（EEMark-CP：SAML21 Rev.B，LPEff on – 137，33）的數(shù)據(jù)，我們可以驗證 EEMark 基準(zhǔn)值的變化幅度（圖 16）。根據(jù)計算，我們采用 3.72 μJ 的工作能量和 3.69 μJ 的睡眠模式能量。我們假設(shè)睡眠模式電流 （RTC） 取決于溫度，如圖 14 所示。我們進一步假設(shè)工作模式下的能量需求與溫度無關(guān)。

圖16. 能耗測量值和計算值的比較證實了溫度影響與工作電流無關(guān)的假設(shè)。

這些數(shù)據(jù)使我們可以得出結(jié)論，如果您應(yīng)用真實的溫度曲線，能源需求會增加。

溫度曲線，用戶示例

對散熱器的非常基本的評論可以為我們提供一個很好的用戶示例。為簡單起見，我們假設(shè)一年中有三種供暖情況，兩個過渡階段（春季、秋季）和冬季持續(xù)供暖期。

加熱曲線顯示超過 24 小時，適用于 90 天（四分之一）。在過渡階段（春季/秋季）期間，我們假設(shè)一個加熱階段、加熱階段和加熱暫停一夜之間的循環(huán)。在夏季，假定不加熱，MCU 工作溫度約為 25 ?C。在冬季，我們假設(shè)持續(xù)供暖，但在某些時間溫度不同（圖 17）。

圖 17. 三個簡化的溫度曲線顯示了示例散熱器應(yīng)用的加熱循環(huán)。

這為評估各種溫度曲線如何影響 SAM L21 MCU 的運行時間或 EEMark 值提供了一個很好的基準(zhǔn)，因為該器件可以使用各種溫度范圍內(nèi)的 RTC 值。

絕對能耗將根據(jù)熱成本分配器的技術(shù)規(guī)格而有所不同。但是你可以計算出單片機的增量消耗。它比提供 25 ?C 恒定溫度的比較值高出大約 32%。當(dāng)計算中包括應(yīng)用中的其他能源消耗者時，可以估計壽命縮短。

圖 19.以 SAM L21 MCU 為例說明了不同溫度曲線下的能耗。能源消耗以一天中每小時的平均值顯示為全年的平均值。

這些計算表明，各種溫度溫度曲線對 MCU 的能耗有顯著影響。RTC 模式的溫度依賴性及其對總能耗的影響證實了這一點。

結(jié)論

溫度對 MCU 能耗的影響會對應(yīng)用的預(yù)期壽命產(chǎn)生重大影響，尤其是在電池等能源有限的系統(tǒng)中。在使用具有有限峰值能量能力的能源時，也應(yīng)考慮這一點，例如在能量收集系統(tǒng)或 USB 端口中。

這篇文章已經(jīng)證明了對合適的能量分布的需求。一天結(jié)束時，您獲得一焦耳的能量才是最重要的。

作者：Horst Diewald ，Uwe Mengelkamp

審核編輯：郭婷