利用MCU實(shí)現(xiàn)超長的電池使用壽命

利用最低功耗實(shí)現(xiàn)絕對長的電池壽命是許多深度嵌入式應(yīng)用的共同設(shè)計要求。一種基于微控制器 (MCU) 的小區(qū)電子自動調(diào)溫器，并對電流的每一微安( A)都經(jīng)過了細(xì)致而周密的調(diào)查研究。最終得到的產(chǎn)品不但超過了技術(shù)設(shè)計要求，而且成本比上一代產(chǎn)品低 50％。重新設(shè)計的電子自動調(diào)溫器利用安裝的電池可以工作 8 年以上。本文側(cè)重講述功耗來源、如何為應(yīng)用選擇正確的電池以及如何避免項(xiàng)目末期經(jīng)常出現(xiàn)的隱患。

基于MCU的電子自動調(diào)溫器必須提供：

長達(dá) 8 年的電池使用壽命；

與機(jī)械解決方案相比具備更佳競

爭性的最低成本；

旨在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速上市的應(yīng)用開

發(fā) (In-application development)；

精度達(dá) 1℉的溫度測量；

40~90℉設(shè)定點(diǎn)電位計；

低電量檢測；

與電池更換相關(guān)的供電欠壓保護(hù)。

測量解決方案

本例將探討第一代電子自動調(diào)溫器 其基于 MCU，但是需要配備用于溫度測量的附加外部集成電路，以及用于喚醒 MCU 的外部振蕩器和電池監(jiān)控器。另外，這種自動調(diào)溫器需要昂貴的人工校準(zhǔn)。上述第一代解決方案需要超過 20 A 的電流，電池使用壽命只能達(dá)到 2~3 年，IC 總成本超過 2 美元。為了延長電池壽命并降低成本，需要進(jìn)行重新設(shè)計。
對于本文研究的電子自動調(diào)溫器而言，有效占空比極低，因?yàn)槠浯蟛糠謺r間處于待機(jī)模式，由系統(tǒng)維持的自動喚醒功能執(zhí)行常規(guī)事務(wù)。與設(shè)定點(diǎn)電位計不同，每幾秒鐘就要對自動調(diào)溫器的溫度測量一次。系統(tǒng)根據(jù)溫度對比以及所選擇的操作模式打開或關(guān)閉冷卻或加熱功能，而如果溫度處于預(yù)期范圍之內(nèi)，則不做任何動作。自動調(diào)溫器重新設(shè)計工作的首要目標(biāo)是盡可能降低待機(jī)電流。為此，選用了一種超低功耗 MCU，同時運(yùn)行“智能電源”(power-wise) 軟件。

為了盡可能延長電池使用壽命，該軟件配置后使 MCU 進(jìn)入待機(jī)模式，其間采用由集成的 12kHz 超低功耗振蕩器 (VLO) 計時的內(nèi)部看門狗定時器 (WDT)。由于消除了通常采用的 32kHz 低功率晶振，因此 VLO 可以節(jié)省成本。系統(tǒng)全部關(guān)閉其他的 MCU 內(nèi)置外設(shè)，而且不偏置溫度傳感器和設(shè)定點(diǎn)電位計。在這種正常模式下，MCU 消耗約 0.6 A 的電流。WDT 大約每 6 秒鐘溢出一次，發(fā)出中斷信號并且將 MCU 從待機(jī)模式喚醒。

在工作模式下，超低功耗 MCU 的內(nèi)置高速數(shù)字控制振蕩器 (DCO) 以 1MHz 默認(rèn)頻率工作，在需要時為系統(tǒng)計時。MCU 測量溫度與用戶設(shè)定點(diǎn)。為了支持最低的成本和實(shí)現(xiàn)高精度，測量解決方案采用基于 MCU 中集成的比較器的單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

單斜率轉(zhuǎn)換按照固定點(diǎn)為電容器充電，并通過已知參考電阻（由 MCU 內(nèi)部集成的比較器測量該電阻）來測量放電時間。系統(tǒng)對未知電阻重復(fù)上述周期。集成的定時器可以自動采集放電時間，由于允許在放電周期測量過程中關(guān)閉 CPU，這種自動采集可以節(jié)省功率。上述單斜率技術(shù)遵循比率原則，其可以消除與阻容放電相關(guān)的充電電壓、充電電容以及復(fù)雜的指數(shù)方程。測量時間與放電電阻成正比，準(zhǔn)確度與傳感器的參考電阻相同，因而可以消除昂貴的校準(zhǔn)程序。

可將一個10K 的外部電阻用作溫度傳感器的參考電阻與 10K 的熱敏電阻；20K 電位計用作與 6.8K 電阻串聯(lián)的設(shè)定點(diǎn)電位計。串阻可確定與最高溫度設(shè)定點(diǎn)（約95F）對應(yīng)的最低電阻。最高設(shè)定電阻為 26.8K ，對應(yīng)于最低溫度設(shè)定點(diǎn)（大約 40F）。

測量序列需要對參考電阻、設(shè)定點(diǎn)電位計以及熱敏電阻執(zhí)行放電時間測量。由 MCU 計算設(shè)定點(diǎn)電位計和熱敏電阻的值，方法是采用高效的軟件查詢表例程來最小化代碼周期數(shù)以及相應(yīng)的有效電流。有效測量序列需要大約 10ms 和平均50A 電流，其中包括所需要的比較器、定時器和 CPU 功能執(zhí)行。在不需要時系統(tǒng)可關(guān)閉所有組件和 MCU 內(nèi)置外設(shè)。由于每隔 5 秒鐘才需要一個 10ms 測量序列，因此有效占空比僅為 0.2%，等于大約 1 A 的平均系統(tǒng)電流消耗。

觸發(fā)低壓加熱/冷卻繼電器所需的電流為 10ms 的 100mA 電流脈沖。根據(jù)統(tǒng)計，繼電器可能需要每小時觸發(fā)16次。因此，繼電器的有效占空比為 0.0044%，其等于大約4.4A 的系統(tǒng)電流。

從電池角度來看，我們關(guān)心的是觸發(fā)繼電器所需要的 100mA 電流。第一代電子自動調(diào)溫器最初選用的電池是CR2032 紐扣式鋰電池。由于每年低于1%的內(nèi)在超低漏電以及極其平坦的放電曲線（這兩種特性是延長電池使用壽命的理想選擇），因此這種電池的額定容量為 200mAh。CR2032 的問題是阻抗較高，約為 20 ，因此它妨礙了電池為觸發(fā)冷卻及加熱系統(tǒng)所需繼電器提供 100mA 電流。盡管所需要的 100mA 脈沖電流僅持續(xù) 10ms，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了紐扣電池的能力。設(shè)計人員曾經(jīng)考慮采用大容量電容器（由于成本原因只能采用電解電容），但是由于這種電容漏電較高，最后還是放棄了。

為上述自動調(diào)溫器選擇的電池是一對 1.5V“AAA”堿性電池，額定容量為 1250mAh。這種堿性電池提供不足 1 的超低阻抗，足以驅(qū)動加熱及冷卻繼電器。低阻抗的代價是更高的漏電，在室溫時約為 3%。不過，雖然漏電較高，但是上述堿性電池在 8 年后仍然能夠提供大約 75% 的額定容量。在更高溫度時漏電加重，不過，這并不是什么大問題，因?yàn)樽詣诱{(diào)溫器的應(yīng)用一般接近室溫。

附加特性 作為電子解決方案，用戶通常要求它能夠顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。因此，閃爍的 LED 可以用作綜合操作狀態(tài)指示燈。LED 的閃爍與 5 秒鐘的 MCU 喚醒時間同步。一個 5000 A 低功耗綠色 LED 每5秒鐘閃動 10ms，約平均消耗 1 A 系統(tǒng)電流。

為基于MCU的應(yīng)用更換電池比較麻煩，因?yàn)殡姵貙?dǎo)線的機(jī)械接觸會產(chǎn)生電源噪聲。在電池更換過程中經(jīng)常產(chǎn)生“欠壓”情況，在這種情況下電源電壓未完全復(fù)位，從而造成隨機(jī)錯誤操作。利用附加的復(fù)位電流或電源電壓監(jiān)控器(SVS)可以提供欠壓保護(hù)，只要電壓低于安全操作范圍，它們就會要求 MCU 執(zhí)行完全的復(fù)位。SVS 保護(hù)需要付出功率、成本與板級空間代價。作為一種變通解決方案，所選擇的超低功耗 MCU 可以集成零功耗欠壓復(fù)位 (BOR) 保護(hù)功能。

電子自動調(diào)溫器需要提供低電量檢測功能。MCU 的內(nèi)置比較器參考發(fā)生器同時包含比率參考 (radiometric) 和 0.55V 的固定參考電壓。0.25xVCC 比率參考通過一個端口引腳輸出，對測量電容器充電，電容器然后與 0.55V 參考電壓進(jìn)行對比。這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)簡單的 2.2V 低電量檢測。一旦檢測到低電量狀況，MCU 就閃動紅色 LED。
用于上述電子自動調(diào)溫器的超低功耗 MCU 可提供系統(tǒng)內(nèi)可編程 (ISP) 閃存與嵌入式仿真邏輯。這些功能通過采用 TEST 和 RESET/NMI 引腳在應(yīng)用中對 MCU 執(zhí)行普通的調(diào)試。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)快速開發(fā)以及靈活的程序定制和緊急代碼更改了。我們可以對閃存中的 MCU 代碼在生產(chǎn)過程中進(jìn)行應(yīng)用編程，由于消除了繁雜的應(yīng)用外編程，因此可以在降低成本的同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。如有需要，可以在生產(chǎn)過程中采用電子方式執(zhí)行設(shè)備校準(zhǔn)，然后保存在閃存中。由于閃存是ISP 式，作為一種未來的功能，MCU 還可以在正常的操作過程中記錄數(shù)據(jù)。

結(jié)論

“AAA”堿性電池組可從 3.3V 降至 2.2V，其約等于 1250 mAh 額定容量的65%，因此可以提供大約 800mAh 的可用電量。再考慮到 8 年僅 3% 的漏電，則可以為應(yīng)用提供 609mAh 的電量。為了提供 8 年的使用壽命，應(yīng)用的總平均系統(tǒng)電流不能超過 8.7mAh。

本文所探討的基于超低功耗 MCU 的電子自動調(diào)溫器的總平均系統(tǒng)電流消耗是待機(jī)、測量序列、繼電器觸發(fā)以及 LED 狀態(tài)指示燈總和，其等于 7 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 8 年最高工作電量 8.7mAh 的要求。應(yīng)用程序代碼不足 1kB，可以寬松地保存到所采用的 MSP430F2001 中。

通過加長溫度測量與操作狀態(tài)指示燈閃爍之間的間隔還可以進(jìn)一步降低功耗。如果能夠采用由可用的 24V加熱/冷卻電源供電的其他繼電器，自動調(diào)溫器本身可以降至低于 2 A，從而利用一顆 CR2032 紐扣電池即可維持 10 年以上的穩(wěn)定工作。