揭晓CES可穿戴创新产品超长电池续航的秘密

2014-04-14

可穿戴设备无疑是今年年初美国赌城消费电子展（CES）的重头戏之一，不过有分析人士认为，“CES 2014：智能穿戴有热点无亮点”，原因在于没有一款产品能让消费者一见钟情。这算是给可穿戴设备泼了冷水吗？其实，情况并没有这么糟糕。荣获“CES 2014创新设计与工程奖”的Magellan Echo智能运动手表就是一个亮点，因其创新设计及优异续航力（可以在单节CR2032纽扣电池供电条件下运行长达11个月）而脱颖而出。

这听起来有点不可思议，在单节CR2032纽扣电池供电条件下运行长达11个月！并且性能还远超过其他同类设备，也就意味着Echo并不是通过牺牲性能而换取超低功耗。莫非是能量不守恒了？当然不是！Silicon Labs（芯科实验室有限公司）在中国的核心代理商世强产品经理Steven Zhang向我们揭开了极长电池续航背后的秘密。

EFM32——全球最高能效32位Cortex-M MCU是幕后英雄

“基于ARM Cortex-M3内核的32位Giant Gecko MCU在运动手表Echo的能效方面扮演着极其关键的角色。通过优化Giant Gecko MCU的五种不同能耗模式以及利用MCU的低功耗传感器接口（LESENSE）和外设反射系统（PRS）实现他们的超低功耗目标。这些特性使得节能且自治的外设可以在没有CPU参与的情况下处理定时和传感器控制。” Steven解释道。

Giant Gecko MCU属于Silicon Labs的壁虎系列，在超低功耗MCU的阵营中，小壁虎的名头可是响当当的。不过，大家有没有思考过，类似这样的一个电子产品，为什么叫了一个小动物的名字？

图1. EFM32为什么叫小壁虎？

原来，在自然界中，壁虎的能量消耗仅为和它同样大小的哺乳动物的10％。而与现今市场上排在前10位的其他低功耗微控制器的性能比较后证明，EFM32 微控制器消耗的能量仅为其他同类8-bit、16-bit 或32-bit 微控制器的四分之一。这等同于使典型的3V纽扣电池的寿命延长了至少300%或者说是7年。总之，EFM32 MCU就像这可爱的小壁虎一样，在微控制器领域，堪称省电的王者。

低功耗等于高能效吗?

为了实现高能效的目标，EFM32打破了微控制器的设计惯例，采用了截然不同的设计方式。

“目前业界有太多的号称业界最低功耗的MCU，但是EFM32并没有强调低功耗，而是主打最高能效的概念，这是因为低功耗并不等于高能效，而我们的最终目的是要实现超长电池续航，高能效才是实现这一最终目标的关键。” Steven指出。

功耗和能耗是两个截然不同的概念，功耗只是表征某一个时间点的瞬间电流的大小，而能耗等于功耗和时间的乘积，如下图2所示。一个系统是否省电，就要看它的整体能耗是否足够低。

图2. 功耗和能耗的关系。

工作模式功耗，待机模式功耗，占空比是决定MCU能效的三个关键参数。一个系统的总能耗等于工作模式能耗和待机模式能耗的和。实际应用中，待机模式的能耗都会远远低于工作模式的能耗，而一般的MCU，在这两种模式下的能耗，基本上是固定的，而为了省电，我们最常采用的方法，就是在保证产品正常功能的前提下，尽量缩短工作模式的占空比。那么，有没有更好的方法呢？

如下图3所示，这里有四种颜色的框，分别代表四个不同的MCU在执行同一段功能程序时的功耗情况。从图中可以看到，绿色框表示的MCU所代表的工作曲线很特别，不仅在睡眠模式的功耗更低，执行速度和唤醒时间更快，特别是在工作模式下的功耗还多次出现大幅度的降低，而其他三个MCU在工作模式的整个过程都是一个平行的曲线，功耗基本上是固定的，从整体能耗来看，绿色的MCU很明显比其他3个MCU更省电。这就是绿色框表示的EFM32所能够带来的高能效的结果。

图3. 四个不同的MCU在执行同一段功能程序时的工作曲线

EFM32高能效的10 个因素

Silicon Labs 节能型 EFM32 32位微控制器优于现有的低功耗 MCU ——在此，我们着重强调实现这一性能的 10 个因素。如下图4所示，这10个因素包括：1.极低的工作模式功耗；2.减少处理时间；3.快速唤醒时间；4.超低待机电流；5.外设自主操作；6.PRS——外围反射系统；7.设计良好的能耗模式；8.节能外围设备；9.LESENSE——低功耗传感器接口；10.Simplicity Studio 和高级能耗监控模块。

图4. 32 位微控制器EFM32的 10 大技术特点。

“在这10个因素中，PRS是EFM32非常有特色的外围反射系统。无需使用 CPU，微控制器中的外围反射系统即可直接将一个外围设备与另一个外围设备连接。在 CPU 处于睡眠状态时，外围设备可通过此系统产生触发信号，其他与之对应的外围设备可接受此信号并立即对此做出反应。” Steven指出。

设计良好的能耗模式也是EFM32在高能效上的一大创新。如下图5所示为EFM32的内部结构。如图中右上角所示，有表示“0、1、2、3、4”五种不同颜色的环，它们分别代表EFM32的5种能量模式，不同颜色下有对应的功能模块可以被使用，并且模式的覆盖率可以向下兼容。比如在EM2模式下，只有图中浅蓝色，深蓝色，黑色的环可以被使用，而EM4模式下，只有黑色圈的可以被使用。

图5. EFM32内部架构

EFM32 微控制器的这 5 个节能模式，为系统设计者提供设计灵活性以优化应用，从而获得最高的性能和最长的电池寿命。

世强提供EFM32产品支持，助力物联网应用

32位的EFM32击败现有的MCU成为世界上最为节能的微控制器，其设计的初衷就是节能省电，主要针对电池供电的产品应用，比如智能表计、智能家居、安防系统、医疗保健，以及便携手持系统如RFID等，尤其是对电池供电的年限要求苛刻的应用，例如要求至少3年，5年甚至10年电池不可更换。

图6. EFM32的市场应用。

Silicon Labs在2013年收购了Energy Micro公司，这对Silicon Labs来说，是具有里程碑的意义的。这项收购大幅扩展了Silicon Labs的单片机系列产品，并增加了将近250种采用ARM的EFM32 Gecko单片机产品。而作为Silicon Labs的核心代理商世强，自然也受益于此次收购，增强了其在超低功耗MCU产品上的实力。