可延長電池壽命的新一代節(jié)能微控制器設計

在設計電池供電產(chǎn)品時，人們顯然希望電池壽命盡可能長些。能源敏感的產(chǎn)品應用大致分為能源計量系統(tǒng)、家庭與樓宇自動化、安全和醫(yī)療系統(tǒng)(圖1)。這些產(chǎn)品通常會圍繞一個微控制器(MCU)，必須用單個原電池工作很長時間。在某些應用中，更換電池很困難甚至是不可能的，即使在其它普通應用中，用戶也不大愿意支付更換電池的成本。

　　這類應用中采用的是在極低占空比下工作的微處理器，它在“深度睡眠”狀態(tài)下的時間可能占了99%甚至更高(達到99.9%也不罕見)。微處理器在一個周期循環(huán)或在回應某些刺激時被“喚醒”來執(zhí)行操作，并返回到睡眠狀態(tài)中。由于它們花了如此多時間在睡眠狀態(tài)，很明顯，獲得更長電池壽命的關鍵是在掉電狀態(tài)下的電流消耗。不過，同一節(jié)電池的使用壽命為3或4年與超過10年、延至20年甚至更長之間的區(qū)別在于，要密切注意這個任務如何使用MCU資源的各個方面，以及MCU本身是如何設計成以各種方式減少能耗的。

　　一節(jié)單電池可用20年

　　CR2032紐扣電池廣泛用于小型MCU(如遠程環(huán)境傳感器)中，這是一種鋰/二氧化錳3V原電池。典型的供應商，如柯達(參考文獻1)將其容量*為230mAh到2V的終點電壓能力為5.6k?(約為0.5mA)。如果是那樣的話，電池壽命將為400小時，相比之下，能源敏感的應用可使使用壽命達到20萬小時。

　　圖1：人們期望新一代的計量產(chǎn)品能在二十年里工作無人看管。

　　這種特殊的電池具有很好的使用壽命或自放電率，數(shù)據(jù)表顯示10年之后其容量仍達90%。非常相似的是，這相當于連續(xù)充電約0.25?A，如果能夠達到10到20年的電池壽命，那么它可以滿足應用的一般要求。

　　伴隨電池壽命的是有限的電荷數(shù)，設計者必須在MCU運行的所有階段減少產(chǎn)品的電流和運行時間，不僅要減少每微安數(shù)，還要減少每個動作花費的每個微秒。

　　為減小深度睡眠模式下消耗的電流，在能源敏感應用的MCU中采用8位(或16位)內(nèi)核已經(jīng)非常普遍。其理由是，8位內(nèi)核(即使是在這類設計中經(jīng)常采用的最新版本中)很小，門控相對較少，靜電電流或漏電流較低。但是，現(xiàn)在的許多應用都需要比8位內(nèi)核所能提供的更大的處理能力。在其它MCU應用領域，用戶往往選擇從8位升級到一個32位環(huán)境。在低功耗的情況下，人們一直先入為主地認為32位內(nèi)核在其掉電模式狀態(tài)下使用的電流一定高得令人無法接受。隨著全套低功耗設計技術的出現(xiàn)，今天的IC設計工程師已經(jīng)可以用一個32位ARM內(nèi)核提供各種低功耗模式，效果與8位產(chǎn)品一樣甚至更好，而且還能實現(xiàn)快速喚醒。32位處理器更高的處理性能也使MCU可以更快完成任務，從而能夠有更多時間處于這些低功耗模式下，這可以進一步降低平均功耗。

　　低功耗外圍設備功能

　　為實現(xiàn)盡可能低的功耗，優(yōu)化MCU睡眠狀態(tài)功耗需要整體的設計方法。除了內(nèi)核，MCU中的其它模塊在待機設備、穩(wěn)壓器、偏置電流發(fā)生器，欠壓檢測比較儀、上電復位電路中會繼續(xù)消耗電流。幾乎在任何情況下，一個簡單的折衷法則是：掉電狀態(tài)越久，就有越多外圍設備的功能被完全關斷，芯片準備好實現(xiàn)處理任務的喚醒時間就越長。由于應用之間差別很大，MCU設計工程師提供一種靈活的斷電狀態(tài)下的擴展套件就顯得很重要了，這樣產(chǎn)品設計人員就可以很好地為其項目進行待機功率和響應能力的折衷。

　　設計一個在nanoamp區(qū)獲得最深度睡眠狀態(tài)電流水平的ARM內(nèi)核只是低能源戰(zhàn)略的一個步驟。能夠獲得32位內(nèi)核的處理能力為管理能源的利用開辟了新途徑。在任何時候，它是MCU供電圖下面的區(qū)域，隨著時間的推移，它表示從電池里取走的電荷(圖2)。

　　圖2：節(jié)能MCU內(nèi)核通過完整的喚醒/工作/回到睡眠周期在多個不同區(qū)域節(jié)省能源。

　　灰色區(qū)域表示相比8位內(nèi)核，一個性能更強大的32位內(nèi)核在更短周期內(nèi)完成任務所節(jié)省的能量。

　　就是這樣，在具體配置中電流消耗的數(shù)字越大，設計人員就必須更密切注意要最大限度地延長電池的使用壽命。在EFM32微控制器的開發(fā)工具包中，這種測量是很清楚的，這個工具包的基本功能部分是先進能源.(圖3)。該設備不斷測量給MCU內(nèi)核供電的電壓軌下的電流。用一個從模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)通過電阻器采集電壓，而開發(fā)工具包軟件集成其讀數(shù)來精確測量不同時間的功率。

　　圖3：EnergyMICRO的先進能源.。