電表用主控芯片的低功耗設(shè)計(jì)研究

周芝梅，趙東艷，王艷艷，何旭杰

(1.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室，北京 100192;2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100192)

電表用主控芯片的低功耗設(shè)計(jì)研究

周芝梅1,2，趙東艷1,2，王艷艷1,2，何旭杰1,2

(1.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室，北京 100192;2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100192)

智能電表的功能日趨復(fù)雜，電表要求能持續(xù)現(xiàn)場工作不少于5年，所以對(duì)主控芯片的功能和功耗要求都比較高。研究設(shè)計(jì)了一款新型電表用主控芯片，功能方面集成了RTC模塊、LCD驅(qū)動(dòng)及常用的通信接口模塊，同時(shí)為了達(dá)到低功耗指標(biāo)，設(shè)計(jì)了三種不同的工作模式滿足電表不同應(yīng)用場景下的低功耗需求。經(jīng)過實(shí)測，在電表的各種工作模式下，本芯片都實(shí)現(xiàn)了非常好的功耗性能。

智能電表；低功耗； 微控制單元；工作模式

0 引言

智能電表作為智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要組成設(shè)備，從以往單一電能計(jì)量功能，發(fā)展為可以實(shí)現(xiàn)階梯電量計(jì)費(fèi)、保存歷史用電數(shù)據(jù)、關(guān)鍵事件告警和支持多種通信模式等復(fù)雜功能。同時(shí)電表標(biāo)準(zhǔn)要求1 200 mA鋰電池，在電能表壽命周期內(nèi)無需更換，斷電后可維持內(nèi)部時(shí)鐘正常工作累計(jì)不少于5年[1]， 所以電表主控的低功耗設(shè)計(jì)非常重要。

本文垂直優(yōu)化電表不同應(yīng)用場景下的工作需求，研制了集高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘[2]、溫度傳感、顯示模塊、多種通信接口于一體的主控SoC芯片。同時(shí)基于動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，芯片的工作模式、工作電壓和頻率可以隨業(yè)務(wù)模型靈活配置，使芯片的性能和功耗達(dá)到最優(yōu)。

1 系統(tǒng)功能分析

常用的智能電表方案應(yīng)用框圖如圖1所示，電表完成的功能主要包括電能計(jì)量、數(shù)據(jù)的安全保護(hù)、本地RTC計(jì)時(shí)以及支持電表的對(duì)外通信，包括485通信口、SPI、I2C和紅外，還有本地液晶顯示、按鍵觸發(fā)等功能[3-4]。電表的應(yīng)用方案中，用到的功能芯片包括： 一顆主控芯片，一顆RTC芯片，一顆安全芯片，一顆EEPROM和一顆計(jì)量芯片，主控MCU芯片完成重要的控制、通信等功能。

圖1 智能電能表典型應(yīng)用方案

根據(jù)電表的應(yīng)用需求，電表主控的設(shè)計(jì)主要關(guān)心兩個(gè)方面，一是主控完成的功能，二是主控的功耗，這兩點(diǎn)是芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 主控芯片的功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)電源應(yīng)用方案的分析，本文設(shè)計(jì)的電表主控芯片，功能框圖如圖2所示，芯片CPU采用ARM Cortex-M0[5-6]，內(nèi)置128 KB Flash存儲(chǔ)器，32 KB RAM，集成了四通道DMA；三路串口分別負(fù)責(zé)與485通信、載波模塊和紅外收發(fā)器通信，SPI與計(jì)量芯片通信；ISO7816與ESAM安全芯片通信， I2C分別與EEPROM通信；液晶驅(qū)動(dòng)最大支持4×34和6×32的LCD驅(qū)動(dòng)模式；另有4路TIMER、1路看門狗等功能。

圖2 電表主控芯片功能框圖

芯片架構(gòu)采用AMBA二級(jí)總線結(jié)構(gòu)，一級(jí)AHB總線上含兩個(gè)主設(shè)備CPU和DMA，三個(gè)從設(shè)備分別是SRAM控制器、Flash控制器和APB 橋，總線采用矩陣結(jié)構(gòu)互聯(lián)，提高數(shù)據(jù)帶寬；二級(jí)APB總線掛的是ADC、GPIO、SPI、RTC和串口等外設(shè)。

3 芯片的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

CMOS邏輯電路的功耗可以分為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗兩部分。動(dòng)態(tài)功耗是指當(dāng)芯片處于激活(Active)狀態(tài)時(shí)，也即信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)的功耗，靜態(tài)功耗是指芯片處于未激活狀態(tài)或者沒有信號(hào)跳變時(shí)的功耗[7]。 動(dòng)態(tài)功耗70%源自開關(guān)電容電流功耗[8]，開關(guān)電容的功耗定義如式(1)所示：

P=0.5*T*C*V2*f

(1)

靜態(tài)功耗主要是指泄漏電流功耗，在CMOS電路中，有反偏PN結(jié)漏電流和亞閾值溝道電流，靜態(tài)功耗主要取決于不同工藝的器件參數(shù)。

3.1 芯片的低功耗模式設(shè)計(jì)

為了降低芯片工作時(shí)的功耗，根據(jù)電表的不同應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)了三個(gè)不同的工作模式，以滿足電表不同應(yīng)用場景下的低功耗需求。三種工作模式分別為Active、Sleep和Stop，Active工作模式應(yīng)用于電表正常工作時(shí)，Sleep應(yīng)用于電表掛裝后市電掉電，以電池供電的工作模式，Stop模式適合電表放在庫房尚未掛裝時(shí)的極低功耗模式。這三種工作模式之間的轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 芯片工作模式轉(zhuǎn)換圖

這三種工作模式的切換控制在PMU模塊里實(shí)現(xiàn)，在軟件寫完相應(yīng)控制寄存器后，PMU根據(jù)控制寄存器的內(nèi)容，使用硬件狀態(tài)機(jī)完成三種狀態(tài)之間的切換，主要包括時(shí)鐘模塊的關(guān)閉、Isolation控制信號(hào)的使能和電源模塊的關(guān)閉等。三種工作模式的具體工作狀態(tài)如下：

(1)Active模式

此模式為主控的正常工作模式，在這個(gè)模式下， 芯片工作于高頻RCHF 32 MHz時(shí)鐘，也可由軟件配置為其分頻時(shí)鐘，CPU時(shí)鐘打開，周圍的功能模塊的工作模式由CPU運(yùn)行軟件設(shè)置決定。

(2)Sleep模式

在此模式下，大部分功能模塊包括CPU的時(shí)鐘被關(guān)閉，PMU、中斷處理模塊和RTC工作于低頻晶振時(shí)鐘XTLF(32 768 Hz)，然后由硬件狀態(tài)機(jī)將高頻32 MHz時(shí)鐘關(guān)閉。

Sleep模式下可以支持的喚醒源包括：按鍵喚醒，比較器喚醒，RTC定時(shí)喚醒中斷，32 768 Hz晶體停振檢測喚醒和看門狗喚醒。

(3)Stop模式

在這個(gè)模式下，芯片的時(shí)鐘首先被切換到低頻時(shí)鐘XTLF(32 768 Hz)， PMU模塊自動(dòng)將LDO18和LDO33都關(guān)閉，使工作在這兩個(gè)電源域的模塊都掉電以降低功耗。此時(shí)芯片只保留有RTC定時(shí)喚醒和管腳按鍵喚醒，其他喚醒源不支持。功耗只剩RTC的功耗和按鍵喚醒模塊的功耗，其他數(shù)字模塊的由于完全掉電，沒有功耗。

圖4 三種工作模式的功能和功耗模型

上述三種工作模式對(duì)應(yīng)的功能和功耗模型如圖4所示， Active模式下支持的功能最多，功耗也最大，相反，Stop模式下支持的功能最少，對(duì)應(yīng)的功耗也最低。

3.2 芯片低功耗電源設(shè)計(jì)

配合芯片的三種工作模式，芯片采用了多電源域的設(shè)計(jì)技術(shù)，整個(gè)芯片的內(nèi)部電源分為三大塊：VDD18LC，VDD18和VCC33，如圖5所示。VCC33電源下工作的主要是模擬模塊，包括ADC轉(zhuǎn)換電路(ADC)、溫度傳感器(PTAT)、顯示屏驅(qū)動(dòng)(DISP DERIVER)、低電壓檢測(LVD)和比較器(COMP)。VDD18給大部分?jǐn)?shù)字電路提供工作電壓，包括M0 CPU、RAM控制器、SPI控制器等大部分的數(shù)字功能模塊。當(dāng)芯片工作在Stop工作模式時(shí)，VCC33和VDD18這兩個(gè)電源域都支持關(guān)斷，以降低芯片的靜態(tài)電流。VDD18LC也是1.8 V數(shù)字電路工作電壓域，只不過這部分電源只要芯片工作就需要常開，不支持局部關(guān)斷，在這個(gè)電壓域工作的電路有32 768 Hz振蕩電路、RTC及補(bǔ)償電路、按鍵檢測電路。

圖5 芯片電源域設(shè)計(jì)示意圖

不同工作模式下電源域的開關(guān)狀態(tài)如表1所示。

表1 工作模式與電源域

3.3 芯片低功耗電路設(shè)計(jì)

電路的動(dòng)態(tài)功耗正比于電路翻轉(zhuǎn)頻率和電路規(guī)模，SoC電路中時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)功耗約占芯片動(dòng)態(tài)功耗三成。所以，降低芯片動(dòng)態(tài)功耗的一大舉措是降低時(shí)鐘和信號(hào)的翻轉(zhuǎn)頻率。在本文設(shè)計(jì)的主控芯片中，降低動(dòng)態(tài)功耗主要采取以下幾種技術(shù)：

(1)門控時(shí)鐘技術(shù)

對(duì)每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)單獨(dú)的時(shí)鐘門控，在不需要模塊工作時(shí)關(guān)閉模塊時(shí)鐘，減少時(shí)鐘電路的翻轉(zhuǎn)功耗； 同時(shí)，在對(duì)芯片的RTL代碼進(jìn)行綜合時(shí)，插入時(shí)鐘門控單元，這樣寄存器輸入端的時(shí)鐘在信號(hào)不翻轉(zhuǎn)時(shí)就不會(huì)翻轉(zhuǎn)，極大地降低了時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)功耗[9]。

(2)低功耗總線技術(shù)

現(xiàn)在的SoC設(shè)計(jì)都采用標(biāo)準(zhǔn)化總線完成芯片內(nèi)模塊的互聯(lián)，總線的引入使得芯片設(shè)計(jì)進(jìn)入模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便系統(tǒng)的集成，也有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。但另一方面， AHB總線和APB總線信號(hào)伸展到了芯片的每一個(gè)功能模塊，從總線的互斥性可以看到，總線的主設(shè)備同一時(shí)刻只會(huì)訪問一個(gè)從設(shè)備，但是不被訪問的從設(shè)備的輸入總線信號(hào)還是會(huì)跟隨翻轉(zhuǎn)，所以總線的無效翻轉(zhuǎn)功耗很高。

本設(shè)計(jì)采用總線反相技術(shù)來降低總線的功耗。在每個(gè)時(shí)鐘周期，總線矩陣處理模塊將總線上當(dāng)前數(shù)據(jù)總線值與上一個(gè)數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，選擇是發(fā)送原碼還是反碼，選擇依據(jù)是哪一種碼導(dǎo)致總線的翻轉(zhuǎn)更少，設(shè)計(jì)時(shí)需要總線增加一位極性信號(hào)，以讓接收模塊正確地恢復(fù)總線上的數(shù)據(jù)。例如，如果當(dāng)前周期總線數(shù)據(jù)為0000，下一個(gè)周期總線數(shù)據(jù)為1110，則總線下一周期實(shí)際會(huì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是0001，同時(shí)將極性反轉(zhuǎn)信號(hào)置起，這樣從設(shè)備接收到這組信號(hào)后，會(huì)將總線數(shù)據(jù)取反，還原出真正的總線數(shù)據(jù)1110。這項(xiàng)技術(shù)極大地減小了總線的動(dòng)態(tài)功耗。

(3)異步電路設(shè)計(jì)

在同步電路中，系統(tǒng)由全局時(shí)鐘控制，在每個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，所有的觸發(fā)器都會(huì)運(yùn)行，并消耗動(dòng)態(tài)功耗，盡管在這個(gè)過程中一部分觸發(fā)器并沒有新的數(shù)據(jù)需要存取。而異步電路則沒有這種無效的功耗浪費(fèi)，系統(tǒng)的電路單元僅在需要其工作的時(shí)候才啟動(dòng)，完成工作之后就恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)，處于靜止?fàn)顟B(tài)的電路單元僅僅消耗漏電流，而不會(huì)有無效的動(dòng)態(tài)功耗。

在該芯片的設(shè)計(jì)中，對(duì)于部分在低功耗模式下需要工作的電路，在RTC、WDT和按鍵檢測電路中，局部使用了異步電路設(shè)計(jì)技術(shù)，大大降低了這部分電路在低功耗模式下的動(dòng)態(tài)功耗。

4 結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)了一款集成RTC和多種常用通信接口的電表主控芯片，通過針對(duì)性地規(guī)劃芯片的電源域和工作模式，在設(shè)計(jì)上融合多種低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，使電表在倉庫存儲(chǔ)、正常工作和電池供電等不同應(yīng)用場景下，都能達(dá)到理想的低功耗。

該芯片在TSMC 180 nm 工藝線流片生產(chǎn)。對(duì)芯片在室溫下進(jìn)行實(shí)際測試，在三種工作模式下的功耗數(shù)據(jù)如下：

(1) Active模式：CPU從RAM 執(zhí)行指令，芯片電流115 μA/MHz；

(2) Sleep模式：芯片工作模塊包括RTC、IO檢測模塊和中斷控制模塊，RAM數(shù)據(jù)保持，芯片電流1.45 μA。

(3) Stop模式：芯片工作模塊包括PMU、RTC和IO檢測模塊，RAM掉電，芯片電流0.85 μA。上述數(shù)據(jù)與目前德州儀器、英飛凌等國際大公司同類芯片的功耗數(shù)據(jù)相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)了非常好的低功耗性能[9-11]。

[1] 國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW1364-2013 單相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S].2013.

[2] 趙東艷，周芝梅,王于波，等.一種基于累積誤差控制的RTC補(bǔ)償算法及電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(3)：66-68.

[3] 申斌.智能電表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué),2013.

[4] 靜恩波.智能電網(wǎng)AMI中的智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電測與儀表,2010,S2(4):46-49.

[5] ARM Limited. Cortex-M0 integration and implementation manual[Z]. 2009.

[6] ARM Limited. Cortex-M0 User guide reference manual[Z]. 2009.

[7] 馬芝.低功耗方法在SoC芯片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國集成電路，2010,19(9):38-46.

[8] 崔義智.低功耗技術(shù)在后端設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2008.

[9] Freescale. K17 sub-family reference manual[Z].2014.

[10] ST. STM32L063R8C8 reference manual[Z].2014.

[11] Texas Instruments. MSP430F41x2 data sheet[Z]. 2011.

Research on the low power design of MCU used in smart meter

Zhou Zhimei1,2, Zhao Dongyan1,2, Wang Yanyan1,2, He Xujie1,2

(1. State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100192, China;2. Beijing Engineering Research Center of High-Reliability IC with Power Industrial Grade, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100192, China)

The construction of smart grid has led to a more and more complex function demand for smart meter. At the same time the meter must continue to work on field for no less than five years, so low power design requirement is very high for the Microcontroller Unit (MCU) of the meter. This paper focuses on the design of a MCU used in the smart meter, which integrates the function modules including RTC module, LCD driver module, and the common communication interface modules. The chip is designed in three work modes to meet the low power consumption demand of the meter in different scenarios. In the actual test, the chip is proved to achieve a very good power data in all three work modes.

smart meter; low power; MCU; work mode

TN492

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.009

周芝梅，趙東艷，王艷艷，等.電表用主控芯片的低功耗設(shè)計(jì)研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(16)：30-32，40.

2017-02-21)

周芝梅(1977-)，通信作者，女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：信號(hào)處理與專用集成電路設(shè)計(jì)。E-mail:zhouzhimei@sgitg.sgcc.com.cn。

趙東艷(1970-)，女，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：信號(hào)處理與專用集成電路設(shè)計(jì)。

王艷艷(1982-)，女，碩士研究生，中級(jí)工程師，主要研究方向：專用集成電路設(shè)計(jì)。