基于Arm微控制器的低功耗定时关机计时器设计

由于物联网传感器节点的尺寸形式非常小，他们的计算平台有严格的能源约束。为了节省能源，占空比有助于降低传感器节点的功耗，但这需要一个超低功耗计时器来实现可靠的定时关机和唤醒功能。

振荡电路是实现计时的基础。而基于晶体，微机电系统或电感电容谐振的振荡器需要被设计成片外的组件，或需要额外的制造成本。这使电阻电容振荡器（RCO）成为更好的选择，因为它们更容易被集成到这类超低功耗系统中。

显然，RCO产生的频率质量会直接影响计时器的精度。为了能够在环境变化和噪声方面保持良好的频率稳定性，常见RCO的基本电路如下图所示。通常对于像是电阻电容电路的基本电路模块，电压基准和比较器会消耗大量的电源供电。因此，需要在功耗和总体的频率精度间做出权衡。

图 1. RCO的基础电路

1974年，在仙童半导体（Fairchild Semiconductor）应用笔记118中，相移RCO被重新定义了。而且，2014年德州仪器（Texas Instruments）改进并发布的一种振荡器放宽了对振荡频率稳定性的要求，可以节省82.6%的功耗如图2所示。

图** 2. **建议拓扑（右侧）与基线设计（左侧）的功率分解比较

下图中关于功耗降低技术（阶段一）的基本思想是管理RCO的亚阈值工作区。它用到了更低的电源电压（VDD LOCAL）以及电阻缩放比例。这可以使RC电压摆幅得到大幅度的调整，并可以大幅度降低功耗。在这个电路中，与现有技术改善的基准设计相比，它的归一化有功功率可以被降低至0.23倍。其中，提出的偏置电流生成器对于实施亚阈值区域工作至关重要。

*图3.*功率降低技术 vs频率稳定性能

另一种功耗降低技术（阶段二）可以将功率降低至0.18倍。其中，开关电容网络（SCN）减少了从VDD(原始电源电压)到VDD LOCAL (用来偏置相移RCO的更低的电源电压)的压降电压损耗。电平转换器用来克服电压差。与前面的功耗降低技术（阶段一）相结合，可以将功率总共降低约5倍。尽管这是在不考虑SCN和电平转换器的功耗的情况下实现的。

然而，上述功耗降低技术（阶段一，阶段二）导致了温度灵敏度的降低（仿真中达到了353ppm/℃）。换句话说，相移RCO的振荡频率对温度变化的稳定性降低了。这是由于亚阈值工作区中的高导通阻值所致，其中温度依赖性极大地影响了振荡时钟周期。而正向基底偏置技术（阶段三）在仿真中将温度灵敏度提高到了79ppm/℃。这证明了降低RCO期间的阈值电压和导通阻值的有效性，因此器件由于温度产生的变化变得可以控制。

在本博客中，我介绍了片上振荡器的功耗降低技术，而微控制器的关断功耗将主要由片上振荡器贡献。现在这些技术已实现了5倍的能源效率提高，可显著提高物联网设备的使用寿命。并且，增加此类设备的实用性，延长电池供电的物联网传感器的寿命是环保微电子技术发展中的重要考虑因素。当我们走向一个包含一万亿个物联网设备的世界时，即使单个节点中的少量电量节约也会对整体能耗产生巨大影响，更不用说这些技术节省了82.6％的能源消耗。

原作者：Philex Fan