MCU省电设计优化LCD显示

低能耗微控制器（MCU）现已成为许多便携式系统的核心，但如何在拓宽功能范围的同时延长电池寿命，仍然是一个挑战。一个有效的保持长寿命电池的方法是只在必要时才运行处理器，这样可避免用户界面组件如显示屏的功耗。然而，越来越多的MCU能在维持液晶显示屏（LCD）图像的同时，选择性地关闭处理器。

 

低能耗设计的要素

 

比如水表，它需要时刻将读数显示在内置的LCD上，但是，全天候为了随时查看而保持MCU系统活跃是很耗电的。水表这类产品的需求是使LCD可以在不直接受处理器核心控制的情况下工作，能选择性地关闭MCU的部分，同时保持LCD图像。

任何活跃的CMOS电子电路的功耗都可以通过CV²f公式计算得出。其中C代表周期内需要充放电的电路总电容，V为电源电压，f为运行频率。因此，一个降低功耗的因素是供电电压——电压与能耗之间的平方关系提供了显著的节能。

 

另一种节能来自降低操作频率，虽然这可能只影响功率而不是能量。如果算法执行所需的周期数量相同，但是分布在更长的时间内，总体能耗可能会增加，这与漏电流有关。

 

漏电流的影响

 

用于低能耗MCU的半导体工艺倾向于显示出低漏电流，但每个晶体管到硅基底的电子流仍会慢慢消耗电池电量。漏电流通常是恒定的，尽管随着操作温度的升高由于晶体管内热载子的增加而稍有增加。减少漏电功率的唯一方法，除了仔细的工艺设计之外，是切断逻辑块的电力供应。

 

因此，MCU的省电设计需要在电路速度和电压之间进行精细的取舍。还有第三个因素——MCU在给定时间内需要多频繁地激活。大多数基于MCU的系统并不总是有工作要做。它们通常会周期性地完成一系列任务，然后停下来。为避免浪费电能，MCU不会简单地在空转循环中循环，而是会进入睡眠状态，关闭大部分功能单元。

 

MCU活跃度管理

 

理想情况下，在计量和监控应用中，通过维持低占空比，最大化电池寿命，系统内的处理器几乎全部时间都在睡眠状态。例如，一个公用事业表的MCU可能会在其生命周期中大部分时间都在睡眠状态。它可能仅在1%的时间内清醒，唤醒只是为了从传感器输入收集数据。MCU完成工作后，会设定一个定时器来在一段时间后触发唤醒中断，或简单地等待外部刺激触发中断，然后关闭电力。由于设备在其生命周期的99%以上时间都是未使用状态，即便是微小的漏电功率也会消耗掉相当多的电池电量。

 

为这些低占空比环境设计的MCU提供了多种睡眠模式，对功耗进行细致控制。例如，“打盹”模式可能只是禁用了一些外设，但核心仍在极低的时钟速率下运行在空转循环中。这比“深睡眠”状态消耗更多电力，在深睡眠中，处理器核心和几乎所有外设都已关闭，但通常能快速响应中断。

 

在电力方面，深睡眠与打盹模式之间的差异可能非常巨大。深睡眠状态下的MCU可能仅消耗大约几十纳安的电流——这些能量仅足以保持定时器和中断控制器运行——而较不强烈的睡眠模式可以绘制几十或数百微安，甚至更多。显然，睡眠模式的选择对电池寿命有着显著影响。

 

睡眠模式的选择对产品设计也有重大影响，特别是用户界面。如果LCD没有背光，它的能耗不多，因此不一定需要关闭电源。对于如计量器这样的应用，用户可能想要在不唤醒系统的情况下检查读数，因此持续显示读数非常重要。

 

独立于处理器的LCD控制

 

很多传统MCU在设备进入深睡眠时会关闭LCD控制器，使显示屏空白。但是，如今已经有很多厂商已经认识到至少要保持静态显示的价值，并允许在几乎所有其他MCU部分被禁用的情况下，继续运行LCD。有些甚至可以在处理器核心睡眠时修改显示。

 

允许独立于处理器核心驱动LCD控制器。为了在睡眠模式下操作LCD，用户只需选择一个非主振荡器的振荡源——它在睡眠期间会被禁用——并清除一个控制位，以确定LCD是否应该关闭电源。根据MCU型号，LCD的时钟源可以是内部RC振荡器或计时器1的时钟，这通常连接到外部32 kHz晶体，通常用于控制处理器核心下一次唤醒的时刻。

 

由于许多LCD显示屏在3V以下无法工作，LCD驱动器具有集成的电压增压功能。当供电电压降到3V以下时，可以动态启用电压增压器，将LCD显示屏的输出提升到3V以上。这允许即便是电池接近放电周期末端，电压经常降到3V以下时，也能继续操作。

 

随着系统中降低能耗的压力增加，预计厂商会提供如LCD控制器之类的更多自主外设，无需调用处理器核心即可进行更新，只有在主要变化时才需要。这将有助于持续降低占空比和功耗。

 

睡眠模式对于基于电池供电的MCU电源寿命至关重要，并且即使在处理器核心关闭电源时，保持清晰的用户界面也同样重要。市面上也已有MCU产品可实现即使在深度睡眠模式下依旧驱动LCD显示。