新一代電池供電用極低功耗設(shè)計(jì)

從制造過(guò)程開(kāi)始，一直到所有的應(yīng)用領(lǐng)域，極低功耗技術(shù)逐漸成為所有設(shè)計(jì)中必不可少的需求。對(duì)能源敏感的應(yīng)用，特別是必須以單顆電池提供連續(xù)數(shù)小時(shí)運(yùn)作時(shí)間的產(chǎn)品，更需要加入極低功耗設(shè)計(jì)概念。要滿足這些要求，就必須整合微控制器，這不僅要瞭解電池特性，還必須深入瞭解為了達(dá)到連續(xù)使用10、15甚至20年卻無(wú)須更換電池的目標(biāo)，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)一款裝置。

　　要在極低功耗條件下操作，就必須用全新的方法來(lái)看待這些極低功耗應(yīng)用。傳統(tǒng)上，這些復(fù)雜應(yīng)用都以一種較方便的觀點(diǎn)來(lái)分析其用電量，針對(duì)使用範(fàn)例的應(yīng)用和電源來(lái)提出假設(shè)，以便產(chǎn)生‘典型’的功耗。

　　然而，舉例來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)可連續(xù)操作20年的單電池供電應(yīng)用，應(yīng)用必須汲取比該電池自放電率更低的功率，這使得每nA的功率在整體功率預(yù)算中更加關(guān)鍵。

　　業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的CR2032鈕扣電池自放電電流可少于250nA，CR2032是一種常見(jiàn)的鋰/二氧化錳電池，標(biāo)稱（無(wú)負(fù)載）電壓為3.0V。在實(shí)際應(yīng)用中，要達(dá)到最長(zhǎng)的電池壽命，就必須使用一個(gè)整合型微控制器（MCU），在睡眠模式下，這個(gè)MCU必須能在低于在1uA範(fàn)圍內(nèi)良好運(yùn)作，同時(shí)提供正確的混合處理能力，并整合週邊和晶片上記憶體。

　　當(dāng)每一nA的功耗都至關(guān)重要時(shí)，僅僅對(duì)性能或功耗做假設(shè)的方法已不再是絕對(duì)可行的。為了評(píng)估對(duì)設(shè)計(jì)最佳的選擇，有必要審視更多參數(shù)，儘管在一些對(duì)能源較不敏感的應(yīng)用中，這些參數(shù)看來(lái)并不十分關(guān)鍵。例如，目前針對(duì)進(jìn)階睡眠模式的超低功耗微控制器已經(jīng)非常普遍了，然而，為全系列微控制器定相同睡眠模式功耗的做法也許不甚正確。知名的微控制器產(chǎn)品系列能夠展現(xiàn)出高于1，700%的變化。因此，針對(duì)極低功耗設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在所選擇的微控制器系列能夠在不犧牲低功耗性能的條件下升級(jí)記憶體，且接腳必須相容。

　　另一個(gè)重點(diǎn)是必須評(píng)估隨著時(shí)間推移，設(shè)備電池電量的變化。所有的工程師都明白，一次電池隨時(shí)間變化的電壓在很大程度上是取決于電池的架構(gòu)和負(fù)載。以CR2032為例，一對(duì)AA/AAA鹼性電池便具有不同的放電模式，因此，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的應(yīng)用，必須能在不同的電池條件下都可以相同效能運(yùn)作（圖2） 。

　　先不考慮電池特性，對(duì)一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)而言，要在一個(gè)對(duì)功耗敏感的應(yīng)用中採(cǎi)用同一系列微控制器產(chǎn)品，而且還要保證產(chǎn)品能以單一電池供電維持多年的正常運(yùn)作，是相當(dāng)不容易的。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的考量重點(diǎn)包括在低電壓下的功耗特性，以及操作性能。此時(shí)，微控制器應(yīng)用可操作在2V或更低電壓，以汲取更多的電池功率。另外，在低電壓條件下，微控制器也必須維持高頻作業(yè)，以確保發(fā)揮最大應(yīng)用性能。

　　隨著對(duì)極低功耗設(shè)計(jì)的需求穩(wěn)定成長(zhǎng)，有效指令集架構(gòu)（ISA） 的重要性與日俱增。對(duì)能源敏感的應(yīng)用很可能有99%的時(shí)間都處在睡眠模式下，不可避免地，這些裝置都必須定期、或採(cǎi)用預(yù)定義的時(shí)間間隔、或是因外部刺激而被喚醒。在這方面，為了達(dá)成任務(wù)，設(shè)計(jì)的考量關(guān)鍵便在于能源的總使用量。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須選擇可實(shí)現(xiàn)ISA的微控制器，這些元件具備更大比例的單週期指令來(lái)執(zhí)行特定任務(wù)，因而能以較短執(zhí)行時(shí)間和更低的功耗完成任務(wù)。

　　舉例來(lái)說(shuō)，若採(cǎi)用通用C函數(shù)memcpy（）從一個(gè)記憶體位址將32位元組的資料拷貝到另一個(gè)位置，并針對(duì)PIC24F和MSP430編譯，那么，由此產(chǎn)生的程式碼需要比MSP430更多出790%的工作週期（316 vs. 40）。在3V和4MHz條件下，這個(gè)例子所消耗的能源比MSP430高出了230%。由此可見(jiàn)ISA的重要性。

　　在建構(gòu)未來(lái)應(yīng)用時(shí)，嵌入式電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)分水嶺，目前整合元件的設(shè)計(jì)、評(píng)估和實(shí)踐方法都將面臨轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變的意義非凡，未來(lái)幾年內(nèi)，更多應(yīng)用都將在其設(shè)計(jì)中融入極低功耗技術(shù)。

　　圖1：MCU睡眠電流與電池壽命之間的關(guān)聯(lián)。