單片機(jī)控制的電池管理實(shí)現(xiàn)了成功的互聯(lián)網(wǎng)

　　微控制器將在觀光噪比(IoT)取向設(shè)計(jì)大多數(shù)因特網(wǎng)主控制元件和這些MCU將有可能被電池供電。電源效率將是實(shí)現(xiàn)可接受的電池壽命至關(guān)重要因此MCU將需要管理的電池使用更精確地比以往任何時(shí)候。許多MCU具有特殊的功能，幫助管理電池電量和使用這些功能優(yōu)化可能使輸贏在市場之間的差異。

　　本文將很快回顧一些實(shí)現(xiàn)高效電池的MCU產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并說明所需的關(guān)鍵功能，例如使用的設(shè)備，這些功能如何提高工作效率和電池壽命。軟件工具，幫助估計(jì)電池壽命將用于展示如何在您詳細(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)施估計(jì)壽命。這極大地有助于設(shè)備選擇并且是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)用于創(chuàng)建電源效率的設(shè)計(jì)。

　　管理電源域

　　電池的MCU實(shí)現(xiàn)時(shí)想我們最初可能，前提是有一個(gè)單一的MCU電源域，流失的電池，我們的目標(biāo)是管理這個(gè)電源域打造最節(jié)能的微控制器實(shí)現(xiàn)成為可能。很快我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種假設(shè)通常是假的，但是，即使是簡單的MCU通常具有片上多電源域。事實(shí)證明，有多個(gè)電源域可以是一個(gè)很大的優(yōu)勢，當(dāng)電源效率是最重要的，以我們的設(shè)計(jì)。具有多個(gè)域可以讓我們更有效地管理和控制電源到MCU的是基于我們需要執(zhí)行為特定實(shí)現(xiàn)的功能所需的部分。讓我們來看一個(gè)具體的MCU，看多電源域怎么可能是有利的一個(gè)典型的電池供電的設(shè)計(jì)。

　　所述STM32F0x1系列MCU(例如，STM32F051K8U6)是STM32 MCU系列入門級裝置，并且因此是可在基于電池的應(yīng)用中經(jīng)常使用的裝置的一個(gè)很好的例子。下面的圖1顯示了為STM32F0x1 / X2設(shè)備的各種電源域。的VDDA域權(quán)力模擬導(dǎo)向塊中的裝置，并包括用于在A / D轉(zhuǎn)換器，D / A轉(zhuǎn)換器，溫度傳感器，復(fù)位發(fā)生器和時(shí)鐘的PLL功能。該VDDIO2電源域可在STM32F04x / 7X / 9x的設(shè)備，并提供了一個(gè)獨(dú)立的I / O電源軌時(shí)，不同的I / O標(biāo)準(zhǔn)需要得到支持(該電源電壓范圍為1.65?3.6 V，以支付各種I / O標(biāo)準(zhǔn))。主VDD功率域提供功率，以大量的裝置。這包括在非STM32F04x / 7X / 9X設(shè)備的I / O環(huán)，待機(jī)電路和喚醒邏輯通?？偸窃冢餐ㄟ^權(quán)力1.8 V數(shù)字核心(處理器，內(nèi)存和數(shù)字外設(shè))一個(gè)片上穩(wěn)壓器。

　　意法半導(dǎo)體STM32F0x1 / X2電源圖片

　　圖1：STM32F0x1 / X2電源顯示電池備份域。 (意法半導(dǎo)體提供)

　　最終的電源域，從外部VBAT引腳源，提供電源備份域。備份功能包括一個(gè)低能量的32 kHz晶振時(shí)鐘振蕩器，備份寄存器保持其值，即使電源中斷，給設(shè)備的其他部分(方便保存重要的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)復(fù)位和電源之間波動(dòng))，而真正的-time時(shí)鐘(RTC)的塊。一個(gè)低電壓檢測器可以自動(dòng)切換到在VBAT輸入時(shí)在VDD信號(hào)低于設(shè)定的閾值，以簡化電池備份實(shí)現(xiàn)。

　　這些獨(dú)立電源域可以很容易地控制和管理傳送到MCU根據(jù)由應(yīng)用程序所需的動(dòng)作時(shí)的功率。例如，如果設(shè)備正在等待的RTC信號(hào)它的時(shí)刻開始的模擬 - 數(shù)字，大部分裝置可以掉電只用電池備份域操作。該RTC超時(shí)可以切換的I / O信號(hào)，提醒外部電源管理器件，然后可以打開額外的電源域。這可以是一個(gè)非常功率高效的技術(shù)，但需要一個(gè)外部功率和電池管理裝置。

　　在一些應(yīng)用中STM32F0x1 / X2器件將通過將裝置的各個(gè)部分進(jìn)入低功率模式，管理的時(shí)鐘頻率和測量電壓源管理電池和電源，以在其自己的密鑰塊，以檢測何時(shí)低電壓電平可能會(huì)影響操作。在這些應(yīng)用程序的多個(gè)片上電壓域和低功耗工作模式都是關(guān)鍵要求?，F(xiàn)在讓我們看看在低功耗模式，更詳細(xì)地了解他們與多個(gè)芯片的電源域是如何工作的進(jìn)一步提高電池的實(shí)現(xiàn)方案的電源效率。

　　為了幫助工程師設(shè)計(jì)開發(fā)意法半導(dǎo)體提供的STM32F0系列的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊概述。

　　低功耗MCU運(yùn)行模式延長電源效率

　　幾乎所有的MCU現(xiàn)在提供各種各樣的減少通過限制工作頻率和/或重點(diǎn)區(qū)塊的可操作性操作電源的低功耗工作模式。這些模式有各種各樣的名字，但它們的功能往往是非常相似的。飛思卡爾MCU MCF51QE系列的低功耗工作模式，你應(yīng)該尋找時(shí)，電源效率是您的應(yīng)用程序的關(guān)鍵類型的一個(gè)很好的例子。甲狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和簡單的功率調(diào)節(jié)表示于圖2來說明這些模式如何可以用來提高功率效率。該運(yùn)行模式不限制經(jīng)營和監(jiān)管工作在全開狀態(tài)。在其它模式中的各種塊進(jìn)行操作使用較低的功率通過關(guān)閉電源鍵元件或通過降低工作頻率。例如，在等待模式中的CPU關(guān)閉以節(jié)省電力，但外設(shè)在它們的全時(shí)鐘速率操作。這節(jié)省了功率時(shí)不需要CPU的運(yùn)行，但定時(shí)器或通信外圍設(shè)備必須繼續(xù)工作。通常，這些外設(shè)可以通過中斷剛睡醒的CPU當(dāng)CPU是必需的。到關(guān)閉CPU的能力可以節(jié)省一個(gè)顯著量運(yùn)行功率的由于CPU，操作時(shí)，采用多數(shù)所述MCU功率預(yù)算。每個(gè)低功率模式的更詳細(xì)的說明在下面的部分中提供。

　　飛思卡爾MCF51QE128低功耗模式的圖像

　　圖2：飛思卡爾MCF51QE128低功耗模式。 (飛思卡爾提供)

　　運(yùn)行模式 - CPU時(shí)鐘可以全速運(yùn)行，內(nèi)部供應(yīng)是充分的監(jiān)管。

　　LPrun模式 - CPU和外設(shè)時(shí)鐘被限制為250 kHz的CPU時(shí)鐘和125 kHz的總線時(shí)鐘最大的內(nèi)部供應(yīng)處于軟監(jiān)管。

　　等待模式 - CPU關(guān)閉以節(jié)省電能;外設(shè)時(shí)鐘正常運(yùn)行，內(nèi)部穩(wěn)壓器正常工作。

　　LPwait模式 - CPU關(guān)閉以節(jié)省電能;外設(shè)時(shí)鐘是在低速(125 kHz的最大值)和內(nèi)部穩(wěn)壓器在寬松的監(jiān)管模式下運(yùn)行運(yùn)行。

　　停止模式 - 系統(tǒng)(CPU和外設(shè))時(shí)鐘停止。

　　STOP4 - 所有的內(nèi)部電路供電(全調(diào)節(jié)模式)和內(nèi)部時(shí)鐘源仍處于最高頻率最快的恢復(fù)。

　　停止3 - 所有的內(nèi)部電路松散的監(jiān)管和時(shí)鐘源的最低值(125 kHz的最大值)，提供用電和恢復(fù)速度之間的良好平衡。

　　停止2 - 內(nèi)部電路的部分電源關(guān)閉; RAM內(nèi)容被保留。在低功耗模式，此設(shè)備。需要復(fù)位從停止2模式恢復(fù)。

　　在運(yùn)行，等待和停止模式普遍存在于現(xiàn)代MCU和非常功耗節(jié)能設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。尤其是，應(yīng)用程序，只定期使用主CPU - 也許只進(jìn)行平均大量傳感器讀數(shù)或管理接收到的數(shù)據(jù)緩沖器，當(dāng)緩沖器接近充滿 - 可以通過關(guān)閉CPU和讓智能節(jié)省功率的戲劇性量外圍設(shè)備處理盡可能多的算法成為可能。等待和停止之間的區(qū)別通常體現(xiàn)在響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)樗ǔＰ枰L的時(shí)間來塊從低功耗狀態(tài)通電(即減少一個(gè)典型的停止模式下，靜態(tài)電流)，而不是刪除一個(gè)時(shí)鐘門控信號(hào)一個(gè)塊(即只減少動(dòng)態(tài)電流在典型等待模式)。

　　可以在MCF51QE128的LPrun和LPwait模式提供了另一種技術(shù)，通過運(yùn)行在CPU和/或外圍設(shè)備，以降低功耗低得多的頻率比正常。當(dāng)操作不容易被周期性地執(zhí)行，而且必須連續(xù)運(yùn)行，而不必在高速運(yùn)行時(shí)非常有用。例如，通信數(shù)據(jù)包可能以高速在正常運(yùn)行模式中接收，但LPrun可以用來處理數(shù)據(jù)。這是特別有用的，如果處理時(shí)間是依賴于數(shù)據(jù)的，并且不能經(jīng)由周期性定時(shí)器中斷很容易地進(jìn)行管理。一旦數(shù)據(jù)被處理時(shí)，LPwait狀態(tài)可以進(jìn)入等待，直到下一數(shù)據(jù)分組需要被接收。

　　結(jié)合使用不同的電源域和低功耗模式允許多種有效實(shí)現(xiàn)。尋找各種時(shí)鐘頻率，低功耗模式和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的最佳組合可以是一個(gè)艱巨的運(yùn)動(dòng)，通常需要事先對具體實(shí)施工作要做，或者你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)使用已選定的設(shè)備并影響項(xiàng)目進(jìn)度不能滿足你的操作要求顯著。理想情況下，你會(huì)希望能夠模擬各種運(yùn)行功率水平，估計(jì)電池壽命為目標(biāo)的應(yīng)用程序。幸運(yùn)的是(或者也許是因?yàn)樗麄兠靼走@一點(diǎn)的難度)的MCU廠商都創(chuàng)造了一些評估工具，我們可以用它來解決這個(gè)難題。

　　軟件工具幫助評估電力需求和電池壽命

　　其中一個(gè)使用的工具越容易從Microchip XLP電池壽命估算(BLE)1。這個(gè)免費(fèi)下載的工具，與任何XLP單片機(jī)工程估算功耗在整個(gè)應(yīng)用程序。它也可以被用于獲取的功耗為您的XLP MCU設(shè)計(jì)內(nèi)鍵例程詳細(xì)估計(jì)。下面的圖3顯示了BLE的圖形用戶界面(GUI)。您只需選擇您的設(shè)備，你的電壓和溫度，然后你的目標(biāo)電池(步驟1至3的GUI)。然后，您可以指定關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用程序，定義工作頻率，該函數(shù)使用模式下，時(shí)間的功能被激活和各種模塊(如ADC，UART，定時(shí)器等)功能時(shí)有效。 (在下面的例子中有一個(gè)在運(yùn)行模式在16兆赫，兩種休眠模式功能并在1 MHz的運(yùn)行模式功能的功能)的軟件自動(dòng)確定在每個(gè)功能所使用的電流，然后報(bào)告所估計(jì)的電池壽命該設(shè)計(jì)。在這個(gè)例子中，電池的壽命估計(jì)在不到200天。一個(gè)完整的文本文件，報(bào)告可以生成保存程序設(shè)置和結(jié)果。一個(gè)例子示于圖3的底部。

　　將Microchip XLP電池壽命估算程序映像

　　圖3：Microchip的XLP電池壽命估算程序 - GUI和報(bào)告。 (Microchip的提供)

　　使用的電池壽命估算程序可以很容易地找出關(guān)鍵程序和您的應(yīng)用程序使用最多的功率。這使您可以調(diào)整設(shè)計(jì)，同時(shí)嘗試不同的設(shè)備，以找到合適的實(shí)現(xiàn)。這樣做之前，詳細(xì)的編碼和電路板設(shè)計(jì)可以節(jié)省你浪費(fèi)顯著努力探索的選項(xiàng)，將無法實(shí)現(xiàn)，你需要一個(gè)成功的設(shè)計(jì)的電源效率。

　　一旦你有信心，你的選擇，你可以再取使用評估套件，如Microchip的PIC24F評估和演示工具包的下一個(gè)步驟。通常，這些套件包括了豐富的示例代碼，參考設(shè)計(jì)和豐富的文檔，可以很容易編寫你的關(guān)鍵程序和測量實(shí)際的功率水平，你會(huì)在全面實(shí)施得到。

　　新的低功耗技術(shù)的高效電池的實(shí)現(xiàn)方案

　　MCU廠商也在推動(dòng)技術(shù)信封不斷創(chuàng)造從頭開始新的低功耗功能。德州儀器創(chuàng)造低功耗面向MCU的使用新的非易失性存儲(chǔ)器的鐵電RAM或FRAM，它結(jié)合了速度，靈活性一個(gè)家庭，和SRAM的耐力與閃光燈的穩(wěn)定性和可靠性，都在較低的總功率消耗。 FRAM存儲(chǔ)器具有超低功耗和快速(每字125納秒)寫道。 FRAM可以用作程序，數(shù)據(jù)，或存儲(chǔ)到簡化應(yīng)用開發(fā)。 FRAM的超低功耗，非易失性使其成為電池供電的MCU應(yīng)用需要，如數(shù)據(jù)匯總和傳感器預(yù)處理顯著存儲(chǔ)訪問和計(jì)算能力的絕佳選擇。

　　該MSP430FR微控制器系列還具有關(guān)鍵的低功耗模式，智能外設(shè)，以及先進(jìn)的處理能力。圖4中的框圖顯示所有關(guān)鍵MCU功能的MSP430FR5731 / 5/9的設(shè)備可用。還檢查了TI產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，涵蓋了TI MSP430FR MCU系列的特性，并展示了如何在FRAM技術(shù)為各種應(yīng)用顯著的低功耗優(yōu)勢。

　　德州儀器MSP430FR5731 / 5/9框圖圖片

　　圖4：德州儀器MSP430FR5731 / 5/9框圖。 (德州儀器提供)

　　結(jié)論

　　很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序?qū)⑹褂秒姵毓╇姷腗CU實(shí)現(xiàn)和電源效率將是成功的產(chǎn)品是至關(guān)重要的。選擇合適的MCU為您實(shí)現(xiàn)更容易，當(dāng)你使用一個(gè)功率估計(jì)工具來選擇合適的設(shè)備為您的目標(biāo)應(yīng)用程序。