用硬件和固件降低電池供電產(chǎn)品的功耗

　　在電池供電產(chǎn)品中，如果電池壽命是關(guān)鍵，則節(jié)省每一個(gè)器件的電能就非常重要。這方面的解決方案包括：使用一只具有穩(wěn)壓功能的電荷泵作為供電電源，改變它的輸出電壓；當(dāng)不重要的外設(shè)不處在工作狀態(tài)時(shí)，將其供電電源切斷；對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行控制，在功耗和功能兩者之間加以優(yōu)化。本文介紹如何利用微控制器的可編程能力來實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能。

　　對(duì)于硬件/固件工程師來講，最重要的是充分了解微控制器中可以利用的地方，以及可以借助的硬件，從而將功耗降至最低。設(shè)計(jì)人員可運(yùn)用高效率的硬件，輔以微控制器的各種編程技術(shù)，在降低電池供電產(chǎn)品的功耗方面，作出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。

　　圖1盡管在微控制器外部采用低功耗外設(shè)，可大幅度降低系統(tǒng)功耗，我們?nèi)匀豢衫梦⒖刂破鞯目删幊烫攸c(diǎn)，將微控制器本身及其外設(shè)的功耗降至最低。

　　微控制器的外部外設(shè)和內(nèi)部外設(shè)都在不斷發(fā)展，以滿足對(duì)功耗的嚴(yán)格要求。尤其是降低靜態(tài)電流以及優(yōu)化電路設(shè)計(jì)等方法，可減少微控制器外部外設(shè)的功耗。

　　我們來看看圖1所示的例子，圖中電路由一只運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器以及具備穩(wěn)壓功能且可調(diào)節(jié)的電荷泵組成。由電路可以看到，該簡(jiǎn)單電池供電電路是圍繞PIC18F1320微控制器而設(shè)計(jì)的。

　　為了節(jié)省電能，第一個(gè)可以利用的是微控制器本身的閑置模式和睡眠模式。當(dāng)微控制器處在閑置模式時(shí)，它的一部分供電電源關(guān)閉，但A/D轉(zhuǎn)換器這些部件仍在運(yùn)作。當(dāng)微控制器處在睡眠模式下，微控制器上的電源全部切斷。

　　圖1中，MCP6041型運(yùn)算放大器是用CMOS工藝制造的。采用這種工藝，可以將工作電壓降到很低。這種帶寬為14kHz、電流為600nA的運(yùn)算放大器的供電電壓在1.4V與5.5V之間。 就減少功耗而言，將降低供電電壓和降低靜態(tài)電流兩者結(jié)合起來，是一個(gè)良好的開端。

　　另一種有用的方法是運(yùn)用可調(diào)節(jié)電源。對(duì)于模擬電路，5V的電壓是最合適了；而數(shù)字電路則可以在更低的2V電壓下工作。人們更喜歡讓數(shù)字電路在2V電壓下工作。

　　如果使用可調(diào)節(jié)的電源轉(zhuǎn)換器，它應(yīng)當(dāng)是在輸出電流小、使用鋰離子電池供電(這時(shí)電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓從4.2V下降到2.8V)的情況下，針對(duì)效率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在圖1的例子中，之所以采用一只具有穩(wěn)壓功能、可調(diào)節(jié)的電荷泵式 DC/DC轉(zhuǎn)換器(型號(hào)為MCP1252-ADJ)，正是出于這些原因。對(duì)電池電壓和功率有特殊要求時(shí)，可采用其它電源轉(zhuǎn)換器。

　　在時(shí)鐘精度和激活時(shí)間兩者之間需要作一些折衷，這也會(huì)影響功耗。例如，32kHz晶體振蕩器的激活時(shí)間在400ms與900ms之間。在這段時(shí)間里，微控制器從電池吸收功率。相比之下，微控制器內(nèi)部的RC振蕩器的激活時(shí)間一般是幾微秒。在微控制器離開睡眠狀態(tài)時(shí)，可利用內(nèi)部的這個(gè)RC振蕩器讓它立即執(zhí)行程序，但RC振蕩器的頻率不像裝在微控制器外面的晶體振蕩器那么準(zhǔn)確。

　　和其它集成電路相比，A/D轉(zhuǎn)換器的功耗與轉(zhuǎn)換電路類型的關(guān)系很大。例如，同Δ－Σ轉(zhuǎn)換器相比，逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器(SAR)的轉(zhuǎn)換時(shí)間和消耗電流之比就低得多。Δ－Σ轉(zhuǎn)換器是可以采用的另一種A/D轉(zhuǎn)換器。在電池供電產(chǎn)品中往往采用逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器，除非是需要分辨率很高、精度很高的應(yīng)用。

　　對(duì)獨(dú)立外設(shè)進(jìn)行逐個(gè)折衷、優(yōu)化是重要的，但將微控制器內(nèi)、外部的外設(shè)與微控制器的編程能力結(jié)合起來考慮，可節(jié)省更多的電能。例如，在MCP1252-ADJ中，可以把一個(gè)新的電路切換到電阻反饋系統(tǒng)當(dāng)中，這樣微控制器能夠控制電源電壓。為了讓模擬電路能在最合適的電平上工作，需要電荷泵輸出較高電壓。然而，數(shù)字電路在工作時(shí)，例如微控制器在執(zhí)行程序時(shí)，我們就希望電荷泵能輸出低電壓。PIC18F1320的輸出電壓為2V至5.5V。如果把微控制器外部外設(shè)的供電切斷，加在I/O端口上的供電電壓又比較低，這樣就可以進(jìn)一步節(jié)省電能，這是另外一個(gè)好處。

　　采用兩個(gè)時(shí)鐘，其運(yùn)作由微控制器控制，這個(gè)辦法可降低時(shí)鐘在激活期間所消耗的電能。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：一個(gè)時(shí)鐘很快激活，用這個(gè)時(shí)鐘來執(zhí)行程序，在這種情況下可用內(nèi)部RC振蕩器；同時(shí)，另外一個(gè)較精確的振蕩器正在激活。如果微控制器認(rèn)為沒有必要使用第二個(gè)較準(zhǔn)確的振蕩器，就把它的供電電源切斷。另外，如果需用精確度較高的時(shí)鐘來完成時(shí)間順序很重要的處理工作，就要讓較準(zhǔn)確的時(shí)鐘完成它的激活過程，同時(shí)把第一個(gè)時(shí)鐘的供電電源切斷。