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

一個產品的選擇、市場定位和成功的一個重要因素是整個系統的能耗。測量這一點的傳統方法是以微安 （μA） 或每兆赫茲微瓦 （μW/MHz） 為單位來表示效率，但這已經不夠了。儲能系統既不存儲 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 設備的能源使用情況已成為用戶的首要關注點。

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

第 1 部分：超低功耗基準：ULPBench-Core Profile

第 2 部分：ULPBench-Core 配置文件、EEMBC 文檔和 MCU 數據表

第 3 部分：工作溫度對能耗的影響

第 4 部分：MCU 數據表：操作模式、控制位、寄存器、電流和模式傳輸參數

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 的數據表將有助于更詳細地解釋這一點。數據表顯示了以下條件的溫度信息，如圖 10 和圖 11 所示：

VDDIN = 3.3V（曲線右側的值）和 1.8V（曲線左側）

ULPVERG LPEFF 啟用

運行在外部 32KHz 晶體上的 RTC

PD0、PD1、PD2處于保持狀態

BOD33 被禁用

圖 10. 02/2015 的數據基于模擬，而 06/2016 的數據來自表征。

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！（來源：Atmel-42385J-SAM L21_Datasheet_Complete-06/2016，第 1188 頁）

相同的數據表還說明了以下操作條件：

? VDDIN = 0V（曲線右側的值）和 1.8V（曲線左側）

? VBAT = 3，3V 或 1，8V

? RTC 在外部 32 KHz 晶體上運行

? BOD33 被禁用

該數據作為圖 13 的基礎，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。電源塊結構顯示在第 196 頁的同一數據表中；PDBACKUP 包括一個 32 kHz 晶體和 RTC 計數器。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！（來源：Atmel-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。但是，如果沒有可用的溫度數據，或者沒有更高溫度的數據，您如何估計有關電流或能源消耗的數據？

對照基準衡量

ULPBench-CP 包含兩個（甚至三個）階段：操作模式（代碼執行）和睡眠模式（RTC、時鐘）。此外，模式之間的轉換也會有損失。為了在沒有供應商數據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 的現有公共數據（圖 15）。

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

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

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

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的假設。

這些數據使我們可以得出結論，如果您應用真實的溫度曲線，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，我們假設一個加熱階段、加熱階段和加熱暫停一夜之間的循環。在夏季，假定不加熱，MCU 工作溫度約為 25 ?C。在冬季，我們假設持續供暖，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用的加熱循環。

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，因為該器件可以使用各種溫度范圍內的 RTC 值。

絕對能耗將根據熱成本分配器的技術規格而有所不同。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%。當計算中包括應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。

結論

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

這篇文章已經證明了對合適的能量分布的需求。一天結束時，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