面向超低功耗設計的微控制器功效優(yōu)化方案

　　對于電動牙刷、PMP、遙控器、無線傳感器以及其它便攜和手持式設備來說，必須將功率管理貫穿于系統的各個層面。通過高效單電池電壓轉換優(yōu)化功耗、利用多種電流模式、引入智能電池管理、在應用級采用節(jié)能技術，便可以在整個系統范圍實現功耗調節(jié)。

　　高效的電壓轉換

　　許多超低功率應用都在向單電池架構方向發(fā)展，以降低器件成本，減小尺寸和重量。這三個要素也是決定電池供電便攜式應用產品成功與否的關鍵。很多時候，電池甚至比其它所有元器件加上PCB還要重。此外，標準AA或AAA電池通常是PCB上最大的組件。將電源精簡為單個電池的方案頗具吸引力，因為其能夠簡化電池座設計，并使產品的整體結構變得更輕巧。

　　不過，單電池電源的設計也給設計人員帶來了各種新的挑戰(zhàn)。雖然當完全充滿電后，單電池的電壓范圍通常在1.2V-1.5V，但實際上即便電池電壓降至1V以下，仍有相當多的能量可供使用。電源電壓為1.8V的MCU需要至少兩個電池串聯工作。而有些應用，比如利用很大的正向電壓驅動高亮度LED，更是需要4個電池之多。為了通過單電池來驅動電機、LED甚至是處理器本身，必須利用一個調節(jié)器，把現有電壓提升到合適的水平。然而升壓調節(jié)器的成本幾乎就相當于一個MCU，而且還需要占用很多PCB空間。此外，有些調節(jié)器還必須通過MCU來控制，從而進一步增加了設計的復雜性。

　　MCU內的集成自管理升壓調節(jié)器的無縫工作，不僅可以避免由外部調節(jié)器帶來的大多數成本和空間問題，而且相比采用外部DC-DC轉換器，其MCU還能提供更高的功效。例如，集成式調節(jié)器ATtiny43U（見圖1）就能夠提升低至0.7V的電壓，較之由其它類型實現方案支持的技術更能在接近電池儲量的極限下放電。一個集成式調節(jié)器還可實現相當小的無功電流（ATtiny43U的典型值是1μA），而且一旦有足夠電壓，就能夠自動啟動（1.2V表示滿電池或接近充電完成）。

圖1. 集成一個升壓調節(jié)器使ATtiny43U能夠在電壓低至0.7 V的單電池下工作，有效驅動高達10mA的負載電流。而且，相比其它類型的實現方案，它更允許放電更接近電池儲量的極限。

　　除此之外，這種調節(jié)器還支持所有的電池技術，賦予設計人員充分自由來選擇針對某種特定應用的最佳電池。電池電壓范圍為0.7V-1.8V，開發(fā)人員可以使用1.6V堿性電池或氧化銀電池、1.5V鋰電池、1.4V鋅空氣電池（Zinc-Air），以及1.2V鎳氫和鎳鎘電池等。

　　升壓及低電流模式

　　對許多應用而言，無外部驅動電路的大電流能力也十分重要。ATtiny43U的升壓調節(jié)器具有高達30mA的電流驅動能力，能夠直接控制高亮LED和小型電機。由于該調節(jié)器是MCU的一個集成部分，所以可針對架構進行優(yōu)化，最大限度提高效率。例如，圖2就顯示了ATtiny43U對基于剩余電荷的特定負載電流的轉換效率。

圖2. 一個集成式升壓調節(jié)器針對其MCU架構而優(yōu)化，使不同負載和電源電壓下的轉換效率最大化。由于無需外部調節(jié)器，集成式調節(jié)器還能減小板上空間要求，降低總體系統成本。

　　如圖所示，相比電流較小的工作，大電流工作的效率更低。不過，大部分大電流應用并不需要在大電流模式下連續(xù)工作。譬如，電動牙刷或相機只是偶爾才啟動電機工作。如果其架構被鎖定在大電流模式，即使在只需要很小耗電量的情況下，這些設備的工作效率也很低；這就是說，調節(jié)器將以大電流工作條件下的低效率特性來提供低電流。

　　要維持效率的話，MCU便必須能夠支持多種工作模式。于是，當設備需要大電流和嚴格調節(jié)的Vcc時，MCU和調節(jié)器便會在調節(jié)模式（Regulated Mode）下工作。另一方面，當電機或其它外設閑置，且負載電流降至0.6mA以下時，調節(jié)器則自動切換到低電流模式（Low Current Mode），更有效地調節(jié)功耗。

　　圖3. 本圖所示為一個升壓轉換器在不同負載下的典型輸出電壓曲線。在輕載或空載時（綠色曲線），測得的轉換時間（上升電壓）為數百微秒，而閑置時間（下降電壓）為數秒。要注意的是這種變化是發(fā)生在MCU處于省電模式或功耗極小時。在主要工作模式，即有源調節(jié)模式下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定（3V +/- 100mV）（紅色曲線）。

　　此外，在輕載或空載時，調節(jié)模式下的轉換器將周期性達到它的占空比低限。通過自動切換到低電流模式，轉換器便停止轉換，耗電量被降至最小，但同時仍然保持有源狀態(tài)（見圖3）。當MCU處于斷電或功耗極小時，輸出電壓便會出現這種變化。而在主要工作模式，即有源調節(jié)模式（Active Regulated Mode）下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定（3V±100mV）。另外需注意的是，典型轉換電壓會隨電池能量的消耗而變化（見圖4）。調節(jié)器是一個獨立的子系統，無需MCU的主動管理。不過，對于那些需要更直接地控制升壓調節(jié)器的設計人員而言，某些特性可利用軟件來加以控制。

圖4. 有源低電流模式（Active Low Current Mode） 和有源調節(jié)模式（Active Regulated Mode）之間的典型轉換范圍取決于可用的輸入電壓和負載。

　　由于實際效率取決于應用，故集成所有與功率調節(jié)相關的無源器件毫無意義。例如，成本是某些市場的主導因素，而在另一些市場，最重要的推動力卻可能是使用壽命。與其被迫采用針對其它市場而優(yōu)化的無源器件，或所有應用都還算滿意但非最佳的產品，開發(fā)人員還不如選擇能夠給自己的應用提供最佳平衡的的無源元件。而這只需區(qū)區(qū)幾個元件就可以做到（即一個電感、兩個旁路電容和一個肖特基二極管）。