讓低功耗 MSP430 的功耗更低 — 第 2 部分

　　在上周的《讓低功耗 MSP430 的功耗更低》一文中，我們探討了特別有趣的 MSP430 屬性：盡管 MSP430 的電源電壓范圍很寬(1.8 至 3.6V)，但功耗會(huì)隨提供給 MCU 的特定電壓變化而變化。換句話說，電源電壓從 1.8V 提高到 3.6V 會(huì)明顯增大電池的流耗。這是我們想要盡量避免的，因?yàn)檫@樣只會(huì)導(dǎo)致電池電量更快耗盡，最終給這部分用戶帶來困擾。

　　這就是穩(wěn)壓器能幫上忙的地方。我們正在通過降低電源電壓有效限制流耗。

　　然而，在選擇穩(wěn)壓器時(shí)有幾個(gè)應(yīng)該重視的注意事項(xiàng)。首先，一定要知道何時(shí)使用 LDO，何時(shí)使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。盡管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的高效率特性很有吸引力，但考慮應(yīng)用的占空比或您希望 MSP430 進(jìn)入休眠狀態(tài)的頻繁程度也很重要。原因在于當(dāng) MSP430 處于低功耗模式時(shí)，從電池獲取的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作狀態(tài)下的電流消耗。而且它處在較輕負(fù)載下時(shí)，典型降壓轉(zhuǎn)換器(即降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器)的效率開始降低。請(qǐng)看一下在輕負(fù)載模式下降壓轉(zhuǎn)換器 TPS62122 的效率曲線：

      盡管轉(zhuǎn)換開關(guān)在這些較輕負(fù)載下性能非常出色，但一旦輸出電流降至 uA 范圍時(shí)，其性能就開始降低了。當(dāng)在提供小于 100uA 電流時(shí)，我們預(yù)計(jì)效率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 70%。

　　讓我們將其與 LDO 對(duì)比。與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器不同，LDO 的效率不會(huì)隨輸出電流出現(xiàn)很大變化。其通?？珊喕癁椋?/p>

      對(duì)于這個(gè)實(shí)例，可以說在大多數(shù)條件下效率可預(yù)計(jì)為：

      但是，一旦輸出電流變得越來越輕，該公式就會(huì)出現(xiàn)問題。在這種情況下考慮功耗時(shí)，我們還必須將 LDO 的靜態(tài)電流納入考慮因素。為此，我們必須使用以下公式：

      可以說我們正在使用 TPS78222 向正處于低功耗模式下的 MSP430 提供 10uA 電流。由于 TPS782 具有 420nA 的靜態(tài)電流，我們應(yīng)該將效率預(yù)計(jì)在 70.3%。我們看到效率有所下降，是因?yàn)椴坏貌豢紤]提供給 LDO 的靜態(tài)電流。然而由于該靜態(tài)電流非常小，因此幾乎沒有影響所需的高效率。在您希望您的 MSP430 處于低功耗模式下以延遲時(shí)間周期時(shí)，最重要的是提供盡可能低的靜態(tài)電流。

　　如前文所述，選擇最高效率的選項(xiàng)，取決于您希望您的 MSP430 以什么樣的頻率進(jìn)入低功耗模式。健身腕帶或智能手表等可佩戴應(yīng)用并非總是處于工作狀態(tài)，它們可能有很長的空閑時(shí)間周期，可以讓 MSP430 進(jìn)入低功耗模式。在這種情況下流耗會(huì)下降，如下圖中低功耗模式所示：

     如果應(yīng)用的大部分時(shí)間都處于這種模式下，那么更高效率的選項(xiàng)通常就是低靜態(tài)電流 LDO。但如果應(yīng)用具有較高的占空比，轉(zhuǎn)換開關(guān)通常將實(shí)現(xiàn)更長的電池使用壽命。

　　回想一下，TI 最近發(fā)布了一款降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其可在輕負(fù)載下保持很高的效率，在這方面可匹敵 LDO。TPS62740 是一款 360nA 靜態(tài)電流的轉(zhuǎn)換開關(guān)，即使在向負(fù)載提供 10uA 的電流時(shí)，也能保持 90% 的效率。這是一款非常好的器件，它可在工作及低功耗模式下保持如此高的效率。當(dāng)然，不足之處是解決方案尺寸較大，所產(chǎn)生的電磁輻射可能會(huì)影響應(yīng)用。

　　在支持小型可穿戴應(yīng)用時(shí)，盡量使組件小型化非常重要。這里，根據(jù)應(yīng)用的尺寸情況，LDO 可能比降壓轉(zhuǎn)換器更合適，因?yàn)樗哂懈俚耐獠拷M件，而且無需電感器。

　　到目前為止應(yīng)該非常明顯了，在低靜態(tài)電流 LDO 或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)行選擇要取決于具體應(yīng)用。但能確定的一點(diǎn)是添加穩(wěn)壓器對(duì)延長應(yīng)用電池使用壽命非常關(guān)鍵。這可能不太直觀，但降低提供給 MSP430 的工作電壓確實(shí)能限制各種電池的流耗。

　　幸運(yùn)的是，5 系列和 6 系列 MSP430 都能通過集成 PMM 或電源管理模塊來充分發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)。如下圖所示，需要根據(jù)系統(tǒng)頻率使用四個(gè)不同內(nèi)核電壓中的一個(gè)來為 MSP430F643x 供電：

     您可根據(jù)所需的內(nèi)核電壓對(duì)內(nèi)部穩(wěn)壓器進(jìn)行數(shù)字編程來獲得其中一個(gè)內(nèi)核電壓，并可通過選擇盡可能低的內(nèi)核電壓來按照上述邏輯有效節(jié)省電源，例如降低工作電壓可減少內(nèi)核所需的電流。這樣做的好處是無外部穩(wěn)壓器可帶來更低功耗的優(yōu)勢(shì)。然而唯一的限制是在您的電池電壓高于 MSP430 的最大允許電源電壓 (3.6V) 范圍時(shí)。在這種情況下，需要穩(wěn)壓來將電池電壓降低至 MSP430 的電源范圍內(nèi)。這對(duì)通常提供 4.2V 電壓的鋰離子電池來說很常見。低靜態(tài)電流 LDO 或高效率降壓轉(zhuǎn)換器可在將功耗保持最低的同時(shí)降低該電壓。

　　當(dāng)涉及低功耗計(jì)算時(shí)，MSP430 是最佳選擇。其低功耗模式可幫助它節(jié)省大量電源。但是，我們還應(yīng)該記住，電源電壓也可決定 MCU 所消耗電流的量。利用低靜態(tài)電流 LDO 或高效率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將電池電壓降到較低水平，我們可有效延長電池使用壽命。幸運(yùn)的是，最新 MSP430 系列可通過內(nèi)部 PMM 來充分發(fā)揮這一屬性優(yōu)勢(shì)。但有時(shí)仍然需要降低電壓使其處于可接受的電壓范圍內(nèi)。記住，增加一樣?xùn)|西未必總是使其更大。