面向超低功耗設(shè)計(jì)的微控制器功效優(yōu)化方案

　　對(duì)于電動(dòng)牙刷、PMP、遙控器、無線傳感器以及其它便攜和手持式設(shè)備來說，必須將功率管理貫穿于系統(tǒng)的各個(gè)層面。通過高效單電池電壓轉(zhuǎn)換優(yōu)化功耗、利用多種電流模式、引入智能電池管理、在應(yīng)用級(jí)采用節(jié)能技術(shù)，便可以在整個(gè)系統(tǒng)范圍實(shí)現(xiàn)功耗調(diào)節(jié)。

　　高效的電壓轉(zhuǎn)換

　　許多超低功率應(yīng)用都在向單電池架構(gòu)方向發(fā)展，以降低器件成本，減小尺寸和重量。這三個(gè)要素也是決定電池供電便攜式應(yīng)用產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。很多時(shí)候，電池甚至比其它所有元器件加上PCB還要重。此外，標(biāo)準(zhǔn)AA或AAA電池通常是PCB上最大的組件。將電源精簡(jiǎn)為單個(gè)電池的方案頗具吸引力，因?yàn)槠淠軌蚝?jiǎn)化電池座設(shè)計(jì)，并使產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)變得更輕巧。

　　不過，單電池電源的設(shè)計(jì)也給設(shè)計(jì)人員帶來了各種新的挑戰(zhàn)。雖然當(dāng)完全充滿電后，單電池的電壓范圍通常在1.2V-1.5V，但實(shí)際上即便電池電壓降至1V以下，仍有相當(dāng)多的能量可供使用。電源電壓為1.8V的MCU需要至少兩個(gè)電池串聯(lián)工作。而有些應(yīng)用，比如利用很大的正向電壓驅(qū)動(dòng)高亮度LED，更是需要4個(gè)電池之多。為了通過單電池來驅(qū)動(dòng)電機(jī)、LED甚至是處理器本身，必須利用一個(gè)調(diào)節(jié)器，把現(xiàn)有電壓提升到合適的水平。然而升壓調(diào)節(jié)器的成本幾乎就相當(dāng)于一個(gè)MCU，而且還需要占用很多PCB空間。此外，有些調(diào)節(jié)器還必須通過MCU來控制，從而進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

　　MCU內(nèi)的集成自管理升壓調(diào)節(jié)器的無縫工作，不僅可以避免由外部調(diào)節(jié)器帶來的大多數(shù)成本和空間問題，而且相比采用外部DC-DC轉(zhuǎn)換器，其MCU還能提供更高的功效。例如，集成式調(diào)節(jié)器ATtiny43U（見圖1）就能夠提升低至0.7V的電壓，較之由其它類型實(shí)現(xiàn)方案支持的技術(shù)更能在接近電池儲(chǔ)量的極限下放電。一個(gè)集成式調(diào)節(jié)器還可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)小的無功電流（ATtiny43U的典型值是1μA），而且一旦有足夠電壓，就能夠自動(dòng)啟動(dòng)（1.2V表示滿電池或接近充電完成）。

圖1. 集成一個(gè)升壓調(diào)節(jié)器使ATtiny43U能夠在電壓低至0.7 V的單電池下工作，有效驅(qū)動(dòng)高達(dá)10mA的負(fù)載電流。而且，相比其它類型的實(shí)現(xiàn)方案，它更允許放電更接近電池儲(chǔ)量的極限。

　　除此之外，這種調(diào)節(jié)器還支持所有的電池技術(shù)，賦予設(shè)計(jì)人員充分自由來選擇針對(duì)某種特定應(yīng)用的最佳電池。電池電壓范圍為0.7V-1.8V，開發(fā)人員可以使用1.6V堿性電池或氧化銀電池、1.5V鋰電池、1.4V鋅空氣電池（Zinc-Air），以及1.2V鎳氫和鎳鎘電池等。

　　升壓及低電流模式

　　對(duì)許多應(yīng)用而言，無外部驅(qū)動(dòng)電路的大電流能力也十分重要。ATtiny43U的升壓調(diào)節(jié)器具有高達(dá)30mA的電流驅(qū)動(dòng)能力，能夠直接控制高亮LED和小型電機(jī)。由于該調(diào)節(jié)器是MCU的一個(gè)集成部分，所以可針對(duì)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最大限度提高效率。例如，圖2就顯示了ATtiny43U對(duì)基于剩余電荷的特定負(fù)載電流的轉(zhuǎn)換效率。

圖2. 一個(gè)集成式升壓調(diào)節(jié)器針對(duì)其MCU架構(gòu)而優(yōu)化，使不同負(fù)載和電源電壓下的轉(zhuǎn)換效率最大化。由于無需外部調(diào)節(jié)器，集成式調(diào)節(jié)器還能減小板上空間要求，降低總體系統(tǒng)成本。

　　如圖所示，相比電流較小的工作，大電流工作的效率更低。不過，大部分大電流應(yīng)用并不需要在大電流模式下連續(xù)工作。譬如，電動(dòng)牙刷或相機(jī)只是偶爾才啟動(dòng)電機(jī)工作。如果其架構(gòu)被鎖定在大電流模式，即使在只需要很小耗電量的情況下，這些設(shè)備的工作效率也很低；這就是說，調(diào)節(jié)器將以大電流工作條件下的低效率特性來提供低電流。

　　要維持效率的話，MCU便必須能夠支持多種工作模式。于是，當(dāng)設(shè)備需要大電流和嚴(yán)格調(diào)節(jié)的Vcc時(shí)，MCU和調(diào)節(jié)器便會(huì)在調(diào)節(jié)模式（Regulated Mode）下工作。另一方面，當(dāng)電機(jī)或其它外設(shè)閑置，且負(fù)載電流降至0.6mA以下時(shí)，調(diào)節(jié)器則自動(dòng)切換到低電流模式（Low Current Mode），更有效地調(diào)節(jié)功耗。

　　圖3. 本圖所示為一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器在不同負(fù)載下的典型輸出電壓曲線。在輕載或空載時(shí)（綠色曲線），測(cè)得的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升電壓）為數(shù)百微秒，而閑置時(shí)間（下降電壓）為數(shù)秒。要注意的是這種變化是發(fā)生在MCU處于省電模式或功耗極小時(shí)。在主要工作模式，即有源調(diào)節(jié)模式下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定（3V +/- 100mV）（紅色曲線）。

　　此外，在輕載或空載時(shí)，調(diào)節(jié)模式下的轉(zhuǎn)換器將周期性達(dá)到它的占空比低限。通過自動(dòng)切換到低電流模式，轉(zhuǎn)換器便停止轉(zhuǎn)換，耗電量被降至最小，但同時(shí)仍然保持有源狀態(tài)（見圖3）。當(dāng)MCU處于斷電或功耗極小時(shí)，輸出電壓便會(huì)出現(xiàn)這種變化。而在主要工作模式，即有源調(diào)節(jié)模式（Active Regulated Mode）下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定（3V±100mV）。另外需注意的是，典型轉(zhuǎn)換電壓會(huì)隨電池能量的消耗而變化（見圖4）。調(diào)節(jié)器是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，無需MCU的主動(dòng)管理。不過，對(duì)于那些需要更直接地控制升壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)人員而言，某些特性可利用軟件來加以控制。

圖4. 有源低電流模式（Active Low Current Mode） 和有源調(diào)節(jié)模式（Active Regulated Mode）之間的典型轉(zhuǎn)換范圍取決于可用的輸入電壓和負(fù)載。

　　由于實(shí)際效率取決于應(yīng)用，故集成所有與功率調(diào)節(jié)相關(guān)的無源器件毫無意義。例如，成本是某些市場(chǎng)的主導(dǎo)因素，而在另一些市場(chǎng)，最重要的推動(dòng)力卻可能是使用壽命。與其被迫采用針對(duì)其它市場(chǎng)而優(yōu)化的無源器件，或所有應(yīng)用都還算滿意但非最佳的產(chǎn)品，開發(fā)人員還不如選擇能夠給自己的應(yīng)用提供最佳平衡的的無源元件。而這只需區(qū)區(qū)幾個(gè)元件就可以做到（即一個(gè)電感、兩個(gè)旁路電容和一個(gè)肖特基二極管）。