最大限度降低電池供電MCU系統(tǒng)的耗電量

今日的便攜式產(chǎn)品設計對所用的電池會有些相互沖突的要求，例如更豐富的產(chǎn)品功能會增加耗電，終端用戶希望電池使用時間更長，但不斷縮小的產(chǎn)品體積和成本限制卻使電池容量無法增加，因此節(jié)省電力就成為最重要的考慮。傳統(tǒng)設計為了將耗電減到最低，通常都盡可能減少電流消耗，但其實電池的蓄電量是電壓、電流和時間的乘積，要有效提升整個系統(tǒng)的電源效率，就必須同時考慮這三項變量。微控制器系統(tǒng)若以電池做為電源，這些電池又能由使用者更換，則可采用專為這些變量而設計的微控制器，因為它們可通過芯片內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換等功能和傳統(tǒng)低耗電操作模式來解決上述問題。
　　
電池特性
　　
多數(shù)低端和中端便攜式產(chǎn)品都會使用可替換的電池或充電電池，這些電池還可由使用者自行更換。如圖1所示，剛充完電時的單節(jié)電池電壓通常在1.2-1.6V之間，電力耗盡時則下降至0.9-1.0V。把兩個單節(jié)電池串聯(lián)即可提供1.8-3.2V之間的電壓。



圖1常見單顆和雙顆電池組的電壓范圍
　　
正常操作時的微控制器電源特性
　　
常見的低耗電微控制器都能在兩顆電池的供電范圍操作。例如多數(shù)8位與16位微控制器都是采用0.35微米CMOS技術(shù)，它們的操作電壓最高可達到3.6V，但電壓只有1.8V時其效能就會受到影響。電壓較低時，數(shù)字邏輯的操作速度會變慢，模擬開關(guān)組件的導通阻抗也會變大，組件效能同樣會隨著電池電壓改變，只是電池電壓與應用需求通常無關(guān)。此外，如果數(shù)字邏輯的設計是為了在最低電池電壓下操作，它在電壓較高時就會消耗較多的電流。
　　
CMOS邏輯門的動態(tài)功耗可寫為：P=C?V2?f，其中C為負載電容，它是設計和工藝技術(shù)的函數(shù)；V為供應電壓；f則是開關(guān)頻率，它是應用處理需求的函數(shù)。電源電壓是控制功耗的主要手段，因此若能像C8051F9xx內(nèi)含低壓差(LDO)穩(wěn)壓器一樣，直接在芯片中增加電壓轉(zhuǎn)換功能，就能提供穩(wěn)定的1.8V電壓給微控制器的數(shù)字核心(參考圖2)，使動態(tài)功耗大幅下降。



圖2內(nèi)含LDO穩(wěn)壓器的8位微控制器
　　
電壓轉(zhuǎn)換的好處
　　
觀察CMOS技術(shù)的動態(tài)功耗關(guān)系有助于了解使用LDO穩(wěn)壓器的優(yōu)點。

P=C?V2?f
=V?(C?V?f)
=V?I
( 其中動態(tài)電流I=C?V?f )
　　
分析動態(tài)電流時，常以1MHz頻率或特定電源電壓為基準將動態(tài)電流正規(guī)化；例如在1.8V電壓下，常見的低耗電微控制器每1MHz會有220μA的動態(tài)電流消耗。如果沒有電源穩(wěn)壓，則在電壓為3.2V時會增加到每1MHz等于220×(3.2÷1.8)=391μA。但若使用LDO穩(wěn)壓器，電池電流在整個電壓范圍都會固定在每1MHz為220μA。設計人員還能升級到更先進的0.18微米工藝技術(shù)，使數(shù)字邏輯的速度更快，電流消耗則減少2至3成。要將操作電壓降至1.8V以下其實并不難，但現(xiàn)有的閃存技術(shù)至少需要1.8V電壓，許多模擬外圍也需要1.8V以上的電壓來滿足效能和應用需求。
　　
圖1顯示，沒有一種單電池或雙電池架構(gòu)能提供1.6-1.8V間的電壓。若微控制器核心電壓在這個范圍，那么使用2顆電池時可由LDO提供所需電壓，若是1顆電池則可使用以電感為基礎的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。在整個電池壽命期間，電池供電電路只需進行升壓或降壓轉(zhuǎn)換，不必在兩種模式之間動態(tài)切換。集成式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器(例如C8051F9xx內(nèi)含轉(zhuǎn)換器)雖會使電路復雜性略增，卻能讓系統(tǒng)靠一顆電池操作，大幅降低產(chǎn)品的成本與體積。
　　
雖然LDO能大幅降低雙電池系統(tǒng)的耗電，但是DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器卻能提供比LDO還高的整體電源效率。在其它條件都相同的情形下，單電池設計若采用效率高達80%的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，則其耗電將是不含LDO的傳統(tǒng)0.35微米雙電池設計的一半。
　　
休眠模式要求
　　
要提供最大電源效率和最長電池壽命，就必須將微控制器在喚醒過程和正常模式下的操作最佳化，確保組件多數(shù)時間都處于超低耗電的休眠模式。在有些應用中，休眠模式電流是影響整體電源消耗的最大因素。
　　
要將休眠模式的電流減到最小，就必須關(guān)閉LDO和DC/DC轉(zhuǎn)換器，同時切斷數(shù)字核心的電源供應。它們必須能快速啟動，以便微控制器迅速回到正常操作模式。而電源管理和實時時鐘電路(RTC)等許多模塊即使在休眠模式也要對其進行操作，故須能使用0.9-3.2V的未穩(wěn)壓電源工作。切斷數(shù)字核心邏輯的電源還能防止截止狀態(tài)漏電流造成休眠模式電流增加，只是微控制器即使進入休眠模式，也要保存RAM內(nèi)存和所有緩存器的內(nèi)容，以便程序從正確的位置恢復執(zhí)行。它還需要某種形式的連續(xù)供應電壓監(jiān)控或電壓突降偵測(brownout detection)功能，確保電壓即使降到保存數(shù)據(jù)所需的最低電壓以下，這些狀態(tài)數(shù)據(jù)也不會丟失。
　　
最后，微控制器應能在外部事件觸發(fā)或內(nèi)部計時終止時離開休眠模式，而且最好能夠同時支持石英晶體或RC振蕩器。為了確保電池壽命最長，整個芯片包括電壓突降偵測電路和32.768kHz石英振蕩器在內(nèi)的休眠模式電流應小于1μA。舉例來說，C8051F9xx包括電壓突降偵測電路在內(nèi)的典型休眠模式電流只有50nA，還能迅速從休眠模式回到正常操作模式(使用2顆電池時通常為2μs，1顆電池時則不到10μs)。
　　
將正常操作模式的時間減到最少
　　
微控制器在休眠模式和正常模式之間切換時，盡管電流消耗較大，卻未完成實質(zhì)性的工作?？焖賳拘褧r間能節(jié)省耗電，并對具有時效性的觸發(fā)事件迅速做出響應，例如因為串行端口動作而回到正常模式。避免在高速系統(tǒng)頻率電路中使用啟動緩慢的石英振蕩器，而應選擇精確和快速啟動的芯片內(nèi)置振蕩器。模擬模塊的啟動方式還會對微控制器停留在正常模式的時間造成很大影響，例如使用外部解耦合電容的穩(wěn)壓器或電壓參考電路，可能需要數(shù)毫秒才能穩(wěn)定。進入正常操作模式后，數(shù)字核心應以最大頻率工作，這樣才能讓靜態(tài)電流分攤到較多的頻率周期，使得每1MHz的電流消耗降低。分析這項效能指標時，最好將所有的靜態(tài)電流源包含在內(nèi)，如供應電壓和頻率監(jiān)控電路、參考電壓電路、LDO穩(wěn)壓器和系統(tǒng)頻率振蕩器。
　　
集成式解決方案的優(yōu)點
　　
無論讓傳統(tǒng)微控制器搭配外接式LDO穩(wěn)壓器或DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，其效能都比不上完全集成式解決方案。集成式組件不但大幅減少體積和成本，且集成式電壓轉(zhuǎn)換器的效率通常也較高，這是因為它們專為給微控制器核心供電而設計。最后，外接式轉(zhuǎn)換器不能關(guān)機進入休眠模式，否則會無法提供電源給微控制器。有些外接式DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器可在待機模式下提供電源給休眠中的微控制器，但待機模式通常會從電池汲取幾十微安培的電流。