微型化推動微控制器進入越來越小的性能越來越高的封裝。隨著控制器核心使用先進的硅制造工藝變小，有更多的機會添加外圍設備并減小設備的尺寸。同時，功耗也會從高性能、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(tǒng)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(tǒng)在熱包層內(nèi)的關鍵因素，而不必使用諸如風扇之類的主動冷卻，從而降低嵌入式系統(tǒng)的可靠性。

　　雖然被動冷卻，如熱管可以用來傳輸熱量從散熱器到散熱片，這增加了系統(tǒng)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系統(tǒng)小型化的關鍵。

　　控制器越小，包裝和系統(tǒng)的熱特性就越受到關注。移動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裂的熱不平衡。

　　在美國的美國研究機構(gòu)有一個熱管理技術(shù)(TMT)程序，探索和優(yōu)化納米材料可用于熱管理系統(tǒng)。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(guī)系統(tǒng)無需改變系統(tǒng)的設計，提高冷卻技術(shù)。

　　該計劃還打算通過減少熱阻力通過熱沉到周圍環(huán)境，增加對流通過系統(tǒng)，提高散熱片散熱率，優(yōu)化和/或重新設計免費散熱器風扇，并提高整體系統(tǒng)的性能系數(shù)，以提高空氣冷卻換熱器。

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

　　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現(xiàn)各種技術(shù)，以保持系統(tǒng)的熱信封內(nèi)的功率。降低系統(tǒng)的電壓可以降低功率，并且在不使用時關閉設備中的各個塊的能力有助于減少熱活動。同樣地，減少時鐘頻率以滿足處理要求，并添加時鐘門控來關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，解決電源問題相結(jié)合的處理器。一種超低功耗ARM Cortex-M0+內(nèi)核的100 MHz運行功耗55 W / MHzμ管理設備和監(jiān)控系統(tǒng)，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，定時器和數(shù)字接口。

　　NXP公司的意大利濃咖啡開發(fā)板的圖像

 

　　圖1：與lcp54102 NXP公司的意大利濃咖啡單片機開發(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，因為電壓自動調(diào)整在0.85 V和1.35 V之間，以匹配每個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(diào)整。設置和API都可以通過意大利濃咖啡開發(fā)板訪問。然而，包裝和系統(tǒng)設計必須考慮到設備的最大功耗。而平均功率可能會減少，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(guī)模封裝的Kinetis微控制器kl03。

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

　　單周期快速I/O訪問端口允許有效的比特敲打和軟件協(xié)議仿真，保持一個8位的“外觀和感覺”，同時保持功耗低，多個靈活的低功耗模式包括一個新的計算時鐘選項，減少動態(tài)功耗通過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。

　　作為一個結(jié)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(diào)了良好的熱管理的必要性。

　　飛思卡爾自由開發(fā)委員會的圖片

　　圖4：飛思卡爾的自由開發(fā)板帶的kl03控制器。

　　通過收購微能源，硅實驗室現(xiàn)在擁有一系列高能量的微控制器。結(jié)合32位ARM Cortex-M0+內(nèi)核，創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)，短的喚醒時間從節(jié)能模式，和多種選擇的efm32zg單片機外設，針對低能耗設計。

　　微控制器中的一個關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)。每個能量模式管理CPU和各種外設是否可用。該塊還可以用來關閉未使用的SRAM塊的電源。這一環(huán)節(jié)的時鐘管理單元(CMU)控制的振蕩器和時鐘芯片，讓時鐘和關閉在個人基礎上除了啟用/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。

　　另一個家庭的微控制器采用ARM Cortex-M0內(nèi)核是從英飛凌XMC1000。這是一個65納米的制造過程，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線功能的外設，和XMC1300系列解決了實時控制的電機控制和數(shù)字電源轉(zhuǎn)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解決，在不使用時關閉芯片。

　　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題。

　　開發(fā)系統(tǒng)的圖像從英飛凌XMC1000

 

　　圖7：從英飛凌XMC1000開發(fā)系統(tǒng)。

　　結(jié)論

　　驅(qū)動系統(tǒng)的小型化給微控制器系統(tǒng)的熱設計和管理帶來了挑戰(zhàn)。這可以通過新的熱管和封裝技術(shù)來實現(xiàn)，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(tǒng)軟件來控制時鐘信號和電壓到單個外圍塊以及控制器核心，也有助于降低功耗，使硅能夠在現(xiàn)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(tǒng)熱需求之間的競爭需求。