微型化推動(dòng)微控制器進(jìn)入越來(lái)越小的性能越來(lái)越高的封裝。隨著(zhù)控制器核心使用先進(jìn)的硅制造工藝變小，有更多的機會(huì )添加外圍設備并減小設備的尺寸。同時(shí)，功耗也會(huì )從高性能、附加外圍設備和泄漏電流的增加中增加，從而提高熱需求。

　　所有這些都為時(shí)鐘速度、電壓和封裝技術(shù)創(chuàng )造了良好的平衡，為微小型系統中的微控制器提供最佳性能。在微控制器中管理電源是保持系統在熱包層內的關(guān)鍵因素，而不必使用諸如風(fēng)扇之類(lèi)的主動(dòng)冷卻，從而降低嵌入式系統的可靠性。

　　雖然被動(dòng)冷卻，如熱管可以用來(lái)傳輸熱量從散熱器到散熱片，這增加了系統的大小，并否定了處理的小型化。因此，對控制器中功率的管理和處理是整個(gè)系統小型化的關(guān)鍵。

　　控制器越小，包裝和系統的熱特性就越受到關(guān)注。移動(dòng)到芯片級封裝允許使用新的熱管理技術(shù)，如熱涂層。這是更必要的，因為硅模具往往更薄，以減少漏電流和電容，但這減少了熱儲能和潛在的使模具更容易開(kāi)裂的熱不平衡。

　　在美國的美國研究機構有一個(gè)熱管理技術(shù)(TMT)程序，探索和優(yōu)化納米材料可用于熱管理系統。它是工作在熱接地平面(TGP)與高性能的散熱器，利用兩相熱管冷卻替代銅合金散熱器的常規系統無(wú)需改變系統的設計，提高冷卻技術(shù)。

　　該計劃還打算通過(guò)減少熱阻力通過(guò)熱沉到周?chē)�環(huán)境，增加對流通過(guò)系統，提高散熱片散熱率，優(yōu)化和/或重新設計免費散熱器風(fēng)扇，并提高整體系統的性能系數，以提高空氣冷卻換熱器。

　　同時(shí)，該納米熱界面(NTI)項目是尋找新的材料和結構，可以提供在熱界面層熱阻的一個(gè)電子裝置和包下一層的背面之間的顯著(zhù)減少，這可能是一個(gè)散熱器或散熱片。

　　這是為了避免需要熱基板，如陶瓷材料，這可能是昂貴的。

　　在微控制器中可以實(shí)現各種技術(shù)，以保持系統的熱信封內的功率。降低系統的電壓可以降低功率，并且在不使用時(shí)關(guān)閉設備中的各個(gè)塊的能力有助于減少熱活動(dòng)。同樣地，減少時(shí)鐘頻率以滿(mǎn)足處理要求，并添加時(shí)鐘門(mén)控來(lái)關(guān)閉外圍塊也有助于管理電源。

　　這是NXP公司的最新單片機，顯示lcp54102，解決電源問(wèn)題相結合的處理器。一種超低功耗ARM Cortex-M0+內核的100 MHz運行功耗55 W / MHzμ管理設備和監控系統，具有較大的100 MHz ARM Cortex-M4處理器的復雜算法的處理。3.3×3.3毫米的芯片采用90納米工藝256 KB的閃存和104 KB的SRAM，ADC，定時(shí)器和數字接口。

　　NXP公司的意大利濃咖啡開(kāi)發(fā)板的圖像

 

　　圖1：與lcp54102 NXP公司的意大利濃咖啡單片機開(kāi)發(fā)板。

　　所有這一切的目的是降低電池供電的傳感器融合應用的整體功耗，因為電壓自動(dòng)調整在0.85 V和1.35 V之間，以匹配每個(gè)處理器核的不同頻率設置，這取決于功率分布。這些電源配置文件在ROM中帶有一個(gè)api，可以輕松地管理芯片上的所有外設和核心的頻率和休眠模式，盡管這些設備也可以直接調整。設置和API都可以通過(guò)意大利濃咖啡開(kāi)發(fā)板訪(fǎng)問(wèn)。然而，包裝和系統設計必須考慮到設備的最大功耗。而平均功率可能會(huì )減少，而用在空閑模式下的功率也越低，峰值功率可容納把熱量從核心處理器散熱器和途徑。

　　一個(gè)例子是晶圓級芯片尺寸封裝(CSP)由飛思卡爾的Kinetis kl03處理器，尺寸僅為1.6×2毫米半導體發(fā)展。

　　飛思卡爾芯片級封裝的圖像

 

　　圖2：飛思卡爾的芯片規模封裝的Kinetis微控制器kl03。

　　的kl03 CSP(mkl03z32caf4r)同時(shí)整合等功能的低功耗減少電路板空間(LP)UART，SPI，我?C，模數轉換器(ADC)和支持低功耗模式操作不醒的核心與ARM Cortex-M0+內核定時(shí)器的LP。

　　單周期快速I(mǎi)/O訪(fǎng)問(wèn)端口允許有效的比特敲打和軟件協(xié)議仿真，保持一個(gè)8位的“外觀(guān)和感覺(jué)”，同時(shí)保持功耗低，多個(gè)靈活的低功耗模式包括一個(gè)新的計算時(shí)鐘選項，減少動(dòng)態(tài)功耗通過(guò)放置在異步停止模式的外設。

　　對飛思卡爾Kinetis kl03框圖形象

　　圖3：的Kinetis kl03–外圍模塊可以單獨控制，以減少熱剖面圖。

　　作為一個(gè)結果，Kinetis kl03 CSP少消耗35%的PCB面積但60% GPIO比其他設備。這使得設計人員可以在不影響最終產(chǎn)品性能、功能集成和功耗的情況下大幅度降低電路板尺寸，但仍然強調了良好的熱管理的必要性。

　　飛思卡爾自由開(kāi)發(fā)委員會(huì )的圖片

　　圖4：飛思卡爾的自由開(kāi)發(fā)板帶的kl03控制器。

　　通過(guò)收購微能源，硅實(shí)驗室現在擁有一系列高能量的微控制器。結合32位ARM Cortex-M0+內核，創(chuàng )新節能技術(shù)，短的喚醒時(shí)間從節能模式，和多種選擇的efm32zg單片機外設，針對低能耗設計。

　　微控制器中的一個(gè)關(guān)鍵部件是能量管理單元，它管理微控制器中的所有低能量模式(EM)。每個(gè)能量模式管理CPU和各種外設是否可用。該塊還可以用來(lái)關(guān)閉未使用的SRAM塊的電源。這一環(huán)節的時(shí)鐘管理單元(CMU)控制的振蕩器和時(shí)鐘芯片，讓時(shí)鐘和關(guān)閉在個(gè)人基礎上除了啟用/禁用和配置可用振蕩器所有外圍模塊。高度的靈活性使軟件能夠在任何特定的應用程序中減少能量消耗，而不是浪費在不活躍的外圍設備和振蕩器上。

　　對efm32zg低功耗單片機從Silicon Labs的圖像

　　圖5：從Silicon Labs的efm32zg低功耗微控制器。

　　另一個(gè)家庭的微控制器采用ARM Cortex-M0內核是從英飛凌XMC1000。這是一個(gè)65納米的制造過(guò)程，克服了今天的8位設計的局限性，閃存從8 KB擴展到200 KB。LED照明和人機界面設計的XMC1200線(xiàn)功能的外設，和XMC1300系列解決了實(shí)時(shí)控制的電機控制和數字電源轉換應用的需求。作為家庭的目標是在8位設計更換控制器，封裝在16和38引腳塑料tssops，還有更熱的思考。這些可以用深睡眠模式來(lái)解決，在不使用時(shí)關(guān)閉芯片。

　　32位圖像從英飛凌XMC1000

　　圖6：從Infineon 32位XMC1000主要用于替代設計8位控制器和必須考慮散熱問(wèn)題。

　　開(kāi)發(fā)系統的圖像從英飛凌XMC1000

 

　　圖7：從英飛凌XMC1000開(kāi)發(fā)系統。

　　結論

　　驅動(dòng)系統的小型化給微控制器系統的熱設計和管理帶來(lái)了挑戰。這可以通過(guò)新的熱管和封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現，以補償增加的功耗，以及更復雜的電源管理技術(shù)。能夠使用系統軟件來(lái)控制時(shí)鐘信號和電壓到單個(gè)外圍塊以及控制器核心，也有助于降低功耗，使硅能夠在現有的甚至更小的芯片級封裝中有效地運行。這有助于平衡減少核心和包的大小和系統熱需求之間的競爭需求。