利用MCU實現超長的電池使用壽命

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

基于MCU的電子自動調溫器必須提供：

長達 8 年的電池使用壽命；

與機械解決方案相比具備更佳競

爭性的最低成本；

旨在實現產品快速上市的應用開

發(fā) (In-application development)；

精度達 1℉的溫度測量；

40~90℉設定點電位計；

低電量檢測；

與電池更換相關的供電欠壓保護。

測量解決方案

本例將探討第一代電子自動調溫器 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，這種自動調溫器需要昂貴的人工校準。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，需要進行重新設計。
對于本文研究的電子自動調溫器而言，有效占空比極低，因為其大部分時間處于待機模式，由系統維持的自動喚醒功能執(zhí)行常規(guī)事務。與設定點電位計不同，每幾秒鐘就要對自動調溫器的溫度測量一次。系統根據溫度對比以及所選擇的操作模式打開或關閉冷卻或加熱功能，而如果溫度處于預期范圍之內，則不做任何動作。自動調溫器重新設計工作的首要目標是盡可能降低待機電流。為此，選用了一種超低功耗 MCU，同時運行“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 進入待機模式，其間采用由集成的 12kHz 超低功耗振蕩器 (VLO) 計時的內部看門狗定時器 (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。系統全部關閉其他的 MCU 內置外設，而且不偏置溫度傳感器和設定點電位計。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 從待機模式喚醒。

在工作模式下，超低功耗 MCU 的內置高速數字控制振蕩器 (DCO) 以 1MHz 默認頻率工作，在需要時為系統計時。MCU 測量溫度與用戶設定點。為了支持最低的成本和實現高精度，測量解決方案采用基于 MCU 中集成的比較器的單斜率模數轉換器。

單斜率轉換按照固定點為電容器充電，并通過已知參考電阻（由 MCU 內部集成的比較器測量該電阻）來測量放電時間。系統對未知電阻重復上述周期。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閉 CPU，這種自動采集可以節(jié)省功率。上述單斜率技術遵循比率原則，其可以消除與阻容放電相關的充電電壓、充電電容以及復雜的指數方程。測量時間與放電電阻成正比，準確度與傳感器的參考電阻相同，因而可以消除昂貴的校準程序。

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 電阻串聯的設定點電位計。串阻可確定與最高溫度設定點（約95F）對應的最低電阻。最高設定電阻為 26.8K ，對應于最低溫度設定點（大約 40F）。

測量序列需要對參考電阻、設定點電位計以及熱敏電阻執(zhí)行放電時間測量。由 MCU 計算設定點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以及相應的有效電流。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。在不需要時系統可關閉所有組件和 MCU 內置外設。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。根據統計，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 的系統電流。

從電池角度來看，我們關心的是觸發(fā)繼電器所需要的 100mA 電流。第一代電子自動調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，但是仍然遠遠超出了紐扣電池的能力。設計人員曾經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，因為自動調溫器的應用一般接近室溫。

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的運行狀況。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 系統電流。

為基于MCU的應用更換電池比較麻煩，因為電池導線的機械接觸會產生電源噪聲。在電池更換過程中經常產生“欠壓”情況，在這種情況下電源電壓未完全復位，從而造成隨機錯誤操作。利用附加的復位電流或電源電壓監(jiān)控器(SVS)可以提供欠壓保護，只要電壓低于安全操作范圍，它們就會要求 MCU 執(zhí)行完全的復位。SVS 保護需要付出功率、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位 (BOR) 保護功能。

電子自動調溫器需要提供低電量檢測功能。MCU 的內置比較器參考發(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 參考電壓進行對比。這種技術可以實現簡單的 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溫器的超低功耗 MCU 可提供系統內可編程 (ISP) 閃存與嵌入式仿真邏輯。這些功能通過采用 TEST 和 RESET/NMI 引腳在應用中對 MCU 執(zhí)行普通的調試。這樣就能夠實現快速開發(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 代碼在生產過程中進行應用編程，由于消除了繁雜的應用外編程，因此可以在降低成本的同時提高產品質量。如有需要，可以在生產過程中采用電子方式執(zhí)行設備校準，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據。

結論

“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，則可以為應用提供 609mAh 的電量。為了提供 8 年的使用壽命，應用的總平均系統電流不能超過 8.7mAh。

本文所探討的基于超低功耗 MCU 的電子自動調溫器的總平均系統電流消耗是待機、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，遠遠低于 8 年最高工作電量 8.7mAh 的要求。應用程序代碼不足 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。