低功耗MCU優(yōu)化電池供電系統(tǒng)設計

對于嵌入式系統(tǒng)，尤其是電池供電系統(tǒng)(如便攜電子設備、計量應用和醫(yī)療設備等)，降低系統(tǒng)功耗、延長電池的壽命已成為系統(tǒng)設計人員的關鍵目標。在以單片機為核心的嵌入式應用中，低功耗MCU需求也在不斷攀升。為了設計出最佳系統(tǒng)，研發(fā)人員必須了解MCU所能提供的節(jié)能功能，以便利用這些功能設計出節(jié)能系統(tǒng)。在本屆IIC-China技術研討會上，Microchip公司針對電池供電系統(tǒng)的低功耗MCU技術及其應用策略備受關注。

影響功耗的因素

眾所周知，MCU的功耗主要包括待機功耗(內核關閉、處于休眠模式下的功耗)和動態(tài)功耗(執(zhí)行代碼時的功耗)。隨著工藝節(jié)點不斷演進，典型MCU中的晶體管數(shù)量迅猛增長，待機電流(晶體管漏電流)也呈比例增長；動態(tài)功耗則受到電池電壓、頻率、負載模塊和外設（時鐘樹和組合邏輯等）以及運行時間延長等因素的影響。

“針對不同的模式，可以采取不同的低功耗策略。”Microchip公司市場開發(fā)經理余軍苗介紹，在待機模式下可采?。?）降低待機電流，利用新的深度休眠模式，消除晶體管漏電流。2）使用新的低功耗WDT、RTCC和BOR電路。運行模式下采?。?）縮短運行時間。提高指令集效率，確保MCU高效執(zhí)行代碼。單周期指令越多，意味著代碼執(zhí)行時間越短，最終使得運行功耗越低。2）充分用盡電池，確保MCU能最大限度用盡電池的電能；3）減少動態(tài)功耗。

此外，影響功耗的其他因素包括：1）可編程閃存：編程電壓越低，應用壽命越長；2）靈活的喚醒源：確保喚醒源具有應用所需的延時長度。休眠時間越長，功耗越低；3）穩(wěn)定時間：喚醒時外圍模擬器件的穩(wěn)定時間；4)模擬器件的最低工作電壓：工作電壓越低，應用壽命越長；例如，最低工作電壓從2.3V降到 1.8V，就意味著增加13%的電池壽命。

綜上所述，要延長電池壽命，可以從這幾點入手：確保所用外設在低電壓下工作；充分利用電池；執(zhí)行時間短；通過深度休眠模式降低待機功耗。

nanoWatt XLP MCU

對于PIC單片機，最初的低功耗標準就是指納瓦技術，自2003年以來，該技術已成為所有新興PIC單片機的標準。納瓦技術的最新變化統(tǒng)稱為“nanoWatt XLP 技術”，新版本顯著降低了功耗。nanoWatt XLP技術的三大突出優(yōu)勢包括：休眠電流可低至20nA；實時時鐘電流可低至500nA；看門狗定時器電流可低至400nA。

“大多數(shù)低功耗應用都要求具備這幾個特性中的一個或多個。而nanoWatt XLP技術在多個系列器件中整合了上述三個優(yōu)勢。” 余軍苗介紹，“Microchip采用nanoWatt XLP技術的PIC MCU為設計人員提供了更大的靈活性，使他們的產品可以在耗能更少的情況下工作時間更長，即更換電池的次數(shù)更少。”


圖1：PIC16/18F eXtreme低功耗MCU路線圖。

例如，包括四種型號的 16位PIC24F16KA MCU系列，其典型休眠電流低至20nA，具備集成的EEPROM存儲器，體積小巧，采用低引腳數(shù)(20引腳和28引腳)封裝。據(jù)稱，該系列MCU可使應用連續(xù)運行20年以上而無需更換電池。而含六種型號的PIC18F46J50 8位MCU系列的典型休眠電流更可低至20nA以下。

PIC18F46J50 系列是低電壓通用串行總線（USB）單片機產品系列，在保留所有PIC18 單片機的主要傳統(tǒng)優(yōu)點的同時，還具有高性價比優(yōu)勢。這些器件具有針對USB及mTouch觸摸傳感解決方案的各種片上外設，為設計人員提供了豐富的、可兼容的低功耗遷移路徑，功能豐富且功耗極低，非常適用于各種電池供電或電力有限的應用。在集成了EEPROM、振蕩器、USB和電容式觸摸傳感外設的同時，還節(jié)省了整個系統(tǒng)的功耗。“憑借超低休眠電流和多種喚醒功能，Microchip的nanoWatt XLP單片機的性能大大超出了同類競爭產品。”余軍苗介紹，“在未來幾年，Microchip將陸續(xù)推出更多采用nanoWatt XLP的芯片。”


圖2：PIC24F eXtreme低功耗MCU路線圖。