Silicon Labs超低功耗單電池供電系列MCU介紹

　　現(xiàn)在的電子產(chǎn)品，對(duì)低功耗的要求越來(lái)越高，是工程師必須面對(duì)的問(wèn)題。以MCU為核心的系統(tǒng)，在低功耗產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般從硬件和軟件方面來(lái)入手，因此選擇低功耗MCU成為關(guān)鍵。

　　目前的MCU低功耗產(chǎn)品普遍存在和面臨的主要問(wèn)題

　　1、工作電壓一般在1.8V，很難達(dá)到1.5V以下，因?yàn)橐骖櫟教幚砥鞯腎O輸出能力，其電壓不能太低，但實(shí)際情況是要求工作電壓越低越好。

　　2、產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中旺旺需要芯片有更高集成度，能夠高速運(yùn)行且有低功耗的工作模式，在這種工作模式下，每MHz的工作電流要足夠低;從低功耗模式到工作模式的切換，要求時(shí)間要短和電流很小。

　　3、喚醒要快，而這又和待機(jī)低功耗發(fā)生矛盾。

　　4、具備實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC時(shí)，待機(jī)電流難以降低。

　　針對(duì)這些問(wèn)題，Silicon Labs專(zhuān)門(mén)推出了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先概念的低功耗MCU系列，它具備如下特點(diǎn)：

　　1， 內(nèi)置Boost升壓電路，可以在0.9V輸入電壓下正常工作。

　　2， 同時(shí)內(nèi)置了LDO，為MCU低功耗和穩(wěn)定工作提供了硬件保障。

　　3， 超低的待機(jī)功耗，RTC不工作時(shí)待機(jī)電流低至10nA;RTC工作時(shí)，待機(jī)電流低至300nA。

　　4， 工作時(shí)達(dá)到160uA/MIPS的業(yè)內(nèi)最低功耗。

　　5， 為低功耗而優(yōu)化的AD轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，可以在輸入為0.9V時(shí)正常工作，具備Burst突發(fā)采樣模式，降低MCU的負(fù)擔(dān)。

　　6， 豐富的喚醒模式，大大提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性并使MCU可以經(jīng)常處于待機(jī)模式下。

　　Silicon Labs獨(dú)特的低功耗設(shè)計(jì)----電源管理單元PMU

　　該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路工作在1.8V，通過(guò)內(nèi)部DC-DC功能，使電池提供的電壓比較低，也能提供3.3V的IO驅(qū)動(dòng)輸出，能驅(qū)動(dòng)LED、無(wú)線(xiàn)通訊器件等。見(jiàn)圖1

　　在MCU的電源管理中，供給IO模塊及模擬單元的電源，可以選擇DC-DC模塊轉(zhuǎn)換后的電壓，或者直接選擇外部電源VDD。通過(guò)LDO轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定電源1.8V，可以供MCU部分工作，為內(nèi)部RTC、PMU和RAM供電;對(duì)于內(nèi)部RTC、PMU和RAM，也可以靈活選擇電池直接進(jìn)行供電。

　　豐富的待機(jī)和喚醒模式

　　C8051F9xx系列數(shù)字和模擬部分在休眠狀態(tài)下，喚醒時(shí)間均為2µS;在RTC不工作情況下，低功耗模式下電流低至10nA，在RTC工作的情況下也只有300nA的工作電流。在多種電源工作模式下的描述、喚醒方式、省電情況如下表：

　　表1

　　獨(dú)特的AD采樣工作模式

　　ADC在10位采樣的情況下，具有300Ksps采樣速率，而且突發(fā)的采樣工作模式，能減少M(fèi)CU的操作指令和工作時(shí)間。在突發(fā)采樣工作模式下，采樣開(kāi)始后，ADC上電工作并且進(jìn)行輸入信號(hào)跟蹤，通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘后便進(jìn)入斷電的低功耗模式，等待下一次采樣開(kāi)始。整個(gè)采樣過(guò)程中， MCU程序不需要進(jìn)行上電和斷電的操作，有效降低功耗。下圖為：

　　低功耗實(shí)現(xiàn)

　　以一個(gè)低功耗設(shè)計(jì)為例，其基本模式為：每0.5秒喚醒一次, 進(jìn)行ADC采樣，完成數(shù)字處理，再休眠的循環(huán)工作模式。系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作，電池電壓會(huì)逐漸降低，以至電池不能正常供電;應(yīng)用Silicon Labs系統(tǒng)的電池電壓下降比較慢，電池壽命可以達(dá)到1100天左右，而其他品牌的低功耗MCU應(yīng)用則不能。見(jiàn)圖3

　　該系統(tǒng)以C8051F912為例，如下圖。

　　MCU在休眠的情況下，具有非常低的電流，其喚醒時(shí)間也只有2µS;在系統(tǒng)工作的時(shí)候，MCU運(yùn)行非?？欤ˋDC采樣速率也很高。由于MCU工作時(shí)功耗大一些，就需要快速完成功能且進(jìn)入休眠模式。

　　如上圖4，Silicon Labs如果在系統(tǒng)時(shí)鐘25MHz工作電流可稍微大一些，工作時(shí)間則非常短，而功耗是工作電流和工作時(shí)間的乘積來(lái)計(jì)算的，也就是其“面積”。而其他應(yīng)用系統(tǒng)工作電流雖然較小，但是工作時(shí)間長(zhǎng)很多，總共的功耗“面積”就會(huì)高出許多。

　　Silicon Labs目前推出的產(chǎn)品系列

　　目前Silicon Labs已經(jīng)推出了C8051F90x/91x/92x/93x系列，

　　這些系列包括了豐富的外設(shè)資源，如下：

　　1，24.5MHz的內(nèi)置振蕩電路。

　　2，2個(gè)獨(dú)立的比較器。

　　3，UART，SPI，I2C通訊接口。

　　4，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

　　5，PCA模塊可以實(shí)現(xiàn)PWM、頻率、邊沿捕獲、定時(shí)器等功能。

　　產(chǎn)品應(yīng)用(見(jiàn)下圖6)

　　開(kāi)發(fā)工具

　　Silicon Labs的授權(quán)代理商世強(qiáng)電訊已可以提供完整的開(kāi)發(fā)套件，C8051F912DK;內(nèi)有開(kāi)發(fā)軟件，數(shù)據(jù)手冊(cè)，編程器，開(kāi)發(fā)板及電源等。

　　此外，還可以從世強(qiáng)電訊獲得相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用筆記，包括：

　　AN358: C8051F9xx優(yōu)化低功耗操作模式

　　AN359: C8051F9xx調(diào)試技巧

　　AN431: C8051F93x-C8051F90x 軟件設(shè)計(jì)向?qū)?/p>

　　單電池供電的低功耗MCU，以其高集成度、低電流、工作模式低功耗、快速喚醒，以及快速的數(shù)據(jù)處理能力，將能很好的適用于低功耗產(chǎn)品中。