低功耗MCU優(yōu)化電池供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，尤其是電池供電系統(tǒng)(如便攜電子設(shè)備、計(jì)量應(yīng)用和醫(yī)療設(shè)備等)，降低系統(tǒng)功耗、延長(zhǎng)電池的壽命已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的關(guān)鍵目標(biāo)。在以單片機(jī)為核心的嵌入式應(yīng)用中，低功耗MCU需求也在不斷攀升。為了設(shè)計(jì)出最佳系統(tǒng)，研發(fā)人員必須了解MCU所能提供的節(jié)能功能，以便利用這些功能設(shè)計(jì)出節(jié)能系統(tǒng)。在本屆IIC-China技術(shù)研討會(huì)上，Microchip公司針對(duì)電池供電系統(tǒng)的低功耗MCU技術(shù)及其應(yīng)用策略備受關(guān)注。

影響功耗的因素

眾所周知，MCU的功耗主要包括待機(jī)功耗(內(nèi)核關(guān)閉、處于休眠模式下的功耗)和動(dòng)態(tài)功耗(執(zhí)行代碼時(shí)的功耗)。隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷演進(jìn)，典型MCU中的晶體管數(shù)量迅猛增長(zhǎng)，待機(jī)電流(晶體管漏電流)也呈比例增長(zhǎng)；動(dòng)態(tài)功耗則受到電池電壓、頻率、負(fù)載模塊和外設(shè)（時(shí)鐘樹和組合邏輯等）以及運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)等因素的影響。

“針對(duì)不同的模式，可以采取不同的低功耗策略。”Microchip公司市場(chǎng)開發(fā)經(jīng)理余軍苗介紹，在待機(jī)模式下可采?。?）降低待機(jī)電流，利用新的深度休眠模式，消除晶體管漏電流。2）使用新的低功耗WDT、RTCC和BOR電路。運(yùn)行模式下采取：1）縮短運(yùn)行時(shí)間。提高指令集效率，確保MCU高效執(zhí)行代碼。單周期指令越多，意味著代碼執(zhí)行時(shí)間越短，最終使得運(yùn)行功耗越低。2）充分用盡電池，確保MCU能最大限度用盡電池的電能；3）減少動(dòng)態(tài)功耗。

此外，影響功耗的其他因素包括：1）可編程閃存：編程電壓越低，應(yīng)用壽命越長(zhǎng)；2）靈活的喚醒源：確保喚醒源具有應(yīng)用所需的延時(shí)長(zhǎng)度。休眠時(shí)間越長(zhǎng)，功耗越低；3）穩(wěn)定時(shí)間：?jiǎn)拘褧r(shí)外圍模擬器件的穩(wěn)定時(shí)間；4)模擬器件的最低工作電壓：工作電壓越低，應(yīng)用壽命越長(zhǎng)；例如，最低工作電壓從2.3V降到 1.8V，就意味著增加13%的電池壽命。

綜上所述，要延長(zhǎng)電池壽命，可以從這幾點(diǎn)入手：確保所用外設(shè)在低電壓下工作；充分利用電池；執(zhí)行時(shí)間短；通過深度休眠模式降低待機(jī)功耗。

nanoWatt XLP MCU

對(duì)于PIC單片機(jī)，最初的低功耗標(biāo)準(zhǔn)就是指納瓦技術(shù)，自2003年以來，該技術(shù)已成為所有新興PIC單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。納瓦技術(shù)的最新變化統(tǒng)稱為“nanoWatt XLP 技術(shù)”，新版本顯著降低了功耗。nanoWatt XLP技術(shù)的三大突出優(yōu)勢(shì)包括：休眠電流可低至20nA；實(shí)時(shí)時(shí)鐘電流可低至500nA；看門狗定時(shí)器電流可低至400nA。

“大多數(shù)低功耗應(yīng)用都要求具備這幾個(gè)特性中的一個(gè)或多個(gè)。而nanoWatt XLP技術(shù)在多個(gè)系列器件中整合了上述三個(gè)優(yōu)勢(shì)。” 余軍苗介紹，“Microchip采用nanoWatt XLP技術(shù)的PIC MCU為設(shè)計(jì)人員提供了更大的靈活性，使他們的產(chǎn)品可以在耗能更少的情況下工作時(shí)間更長(zhǎng)，即更換電池的次數(shù)更少。”


圖1：PIC16/18F eXtreme低功耗MCU路線圖。

例如，包括四種型號(hào)的 16位PIC24F16KA MCU系列，其典型休眠電流低至20nA，具備集成的EEPROM存儲(chǔ)器，體積小巧，采用低引腳數(shù)(20引腳和28引腳)封裝。據(jù)稱，該系列MCU可使應(yīng)用連續(xù)運(yùn)行20年以上而無需更換電池。而含六種型號(hào)的PIC18F46J50 8位MCU系列的典型休眠電流更可低至20nA以下。

PIC18F46J50 系列是低電壓通用串行總線（USB）單片機(jī)產(chǎn)品系列，在保留所有PIC18 單片機(jī)的主要傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還具有高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。這些器件具有針對(duì)USB及mTouch觸摸傳感解決方案的各種片上外設(shè)，為設(shè)計(jì)人員提供了豐富的、可兼容的低功耗遷移路徑，功能豐富且功耗極低，非常適用于各種電池供電或電力有限的應(yīng)用。在集成了EEPROM、振蕩器、USB和電容式觸摸傳感外設(shè)的同時(shí)，還節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。“憑借超低休眠電流和多種喚醒功能，Microchip的nanoWatt XLP單片機(jī)的性能大大超出了同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。”余軍苗介紹，“在未來幾年，Microchip將陸續(xù)推出更多采用nanoWatt XLP的芯片。”


圖2：PIC24F eXtreme低功耗MCU路線圖。