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(shè)計(jì)對(duì)所用的電池會(huì)有些相互沖突的要求，例如更豐富的產(chǎn)品功能會(huì)增加耗電，終端用戶希望電池使用時(shí)間更長(zhǎng)，但不斷縮小的產(chǎn)品體積和成本限制卻使電池容量無(wú)法增加，因此節(jié)省電力就成為最重要的考慮。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為了將耗電減到最低，通常都盡可能減少電流消耗，但其實(shí)電池的蓄電量是電壓、電流和時(shí)間的乘積，要有效提升整個(gè)系統(tǒng)的電源效率，就必須同時(shí)考慮這三項(xiàng)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(shè)計(jì)的微控制器，因?yàn)樗鼈兛赏ㄟ^(guò)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(lái)解決上述問(wèn)題。
　　
電池特性
　　
多數(shù)低端和中端便攜式產(chǎn)品都會(huì)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(shí)的單節(jié)電池電壓通常在1.2-1.6V之間，電力耗盡時(shí)則下降至0.9-1.0V。把兩個(gè)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(jiàn)單顆和雙顆電池組的電壓范圍
　　
正常操作時(shí)的微控制器電源特性
　　
常見(jiàn)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(dá)到3.6V，但電壓只有1.8V時(shí)其效能就會(huì)受到影響。電壓較低時(shí)，數(shù)字邏輯的操作速度會(huì)變慢，模擬開(kāi)關(guān)組件的導(dǎo)通阻抗也會(huì)變大，組件效能同樣會(huì)隨著電池電壓改變，只是電池電壓與應(yīng)用需求通常無(wú)關(guān)。此外，如果數(shù)字邏輯的設(shè)計(jì)是為了在最低電池電壓下操作，它在電壓較高時(shí)就會(huì)消耗較多的電流。
　　
CMOS邏輯門(mén)的動(dòng)態(tài)功耗可寫(xiě)為：P=C?V2?f，其中C為負(fù)載電容，它是設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的函數(shù)；V為供應(yīng)電壓；f則是開(kāi)關(guān)頻率，它是應(yīng)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(dòng)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(dòng)態(tài)功耗關(guān)系有助于了解使用LDO穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)。

P=C?V2?f
=V?(C?V?f)
=V?I
( 其中動(dòng)態(tài)電流I=C?V?f )
　　
分析動(dòng)態(tài)電流時(shí)，常以1MHz頻率或特定電源電壓為基準(zhǔn)將動(dòng)態(tài)電流正規(guī)化；例如在1.8V電壓下，常見(jiàn)的低耗電微控制器每1MHz會(huì)有220μA的動(dòng)態(tài)電流消耗。如果沒(méi)有電源穩(wěn)壓，則在電壓為3.2V時(shí)會(huì)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(gè)電壓范圍都會(huì)固定在每1MHz為220μA。設(shè)計(jì)人員還能升級(jí)到更先進(jìn)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(shí)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(lái)滿足效能和應(yīng)用需求。
　　
圖1顯示，沒(méi)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(gè)范圍，那么使用2顆電池時(shí)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(chǔ)的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。在整個(gè)電池壽命期間，電池供電電路只需進(jìn)行升壓或降壓轉(zhuǎn)換，不必在兩種模式之間動(dòng)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(huì)使電路復(fù)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(shè)計(jì)若采用效率高達(dá)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(shè)計(jì)的一半。
　　
休眠模式要求
　　
要提供最大電源效率和最長(zhǎng)電池壽命，就必須將微控制器在喚醒過(guò)程和正常模式下的操作最佳化，確保組件多數(shù)時(shí)間都處于超低耗電的休眠模式。在有些應(yīng)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(shí)切斷數(shù)字核心的電源供應(yīng)。它們必須能快速啟動(dòng)，以便微控制器迅速回到正常操作模式。而電源管理和實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路(RTC)等許多模塊即使在休眠模式也要對(duì)其進(jìn)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?fàn)顟B(tài)漏電流造成休眠模式電流增加，只是微控制器即使進(jìn)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(fù)執(zhí)行。它還需要某種形式的連續(xù)供應(yīng)電壓監(jiān)控或電壓突降偵測(cè)(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(huì)丟失。
　　
最后，微控制器應(yīng)能在外部事件觸發(fā)或內(nèi)部計(jì)時(shí)終止時(shí)離開(kāi)休眠模式，而且最好能夠同時(shí)支持石英晶體或RC振蕩器。為了確保電池壽命最長(zhǎng)，整個(gè)芯片包括電壓突降偵測(cè)電路和32.768kHz石英振蕩器在內(nèi)的休眠模式電流應(yīng)小于1μA。舉例來(lái)說(shuō)，C8051F9xx包括電壓突降偵測(cè)電路在內(nèi)的典型休眠模式電流只有50nA，還能迅速?gòu)男菝吣Ｊ交氐秸２僮髂Ｊ?使用2顆電池時(shí)通常為2μs，1顆電池時(shí)則不到10μs)。
　　
將正常操作模式的時(shí)間減到最少
　　
微控制器在休眠模式和正常模式之間切換時(shí)，盡管電流消耗較大，卻未完成實(shí)質(zhì)性的工作?？焖賳拘褧r(shí)間能節(jié)省耗電，并對(duì)具有時(shí)效性的觸發(fā)事件迅速做出響應(yīng)，例如因?yàn)榇卸丝趧?dòng)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(dòng)緩慢的石英振蕩器，而應(yīng)選擇精確和快速啟動(dòng)的芯片內(nèi)置振蕩器。模擬模塊的啟動(dòng)方式還會(huì)對(duì)微控制器停留在正常模式的時(shí)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(jìn)入正常操作模式后，數(shù)字核心應(yīng)以最大頻率工作，這樣才能讓靜態(tài)電流分?jǐn)偟捷^多的頻率周期，使得每1MHz的電流消耗降低。分析這項(xiàng)效能指標(biāo)時(shí)，最好將所有的靜態(tài)電流源包含在內(nèi)，如供應(yīng)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(diǎn)
　　
無(wú)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?yàn)樗鼈儗榻o微控制器核心供電而設(shè)計(jì)。最后，外接式轉(zhuǎn)換器不能關(guān)機(jī)進(jìn)入休眠模式，否則會(huì)無(wú)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(jī)模式下提供電源給休眠中的微控制器，但待機(jī)模式通常會(huì)從電池汲取幾十微安培的電流。