可使電池壽命長(zhǎng)達(dá)20年的微控制器節(jié)能設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)電池供電產(chǎn)品時(shí)，人們顯然希望電池壽命應(yīng)該盡可能長(zhǎng)些。作為一個(gè)快速發(fā)展的設(shè)備種類，從單電池發(fā)展起來的應(yīng)用不僅僅停留在規(guī)格上：而是以整個(gè)產(chǎn)品的概念為中心。能源敏感的產(chǎn)品應(yīng)用大致分為能源計(jì)量系統(tǒng)、家庭與樓宇自動(dòng)化、安全和醫(yī)療系統(tǒng)（圖1）。這些產(chǎn)品通常會(huì)圍繞一個(gè)微控制器（MCU），必須用單一的原電池運(yùn)作很長(zhǎng)時(shí)間。在某些應(yīng)用中，要想更換電池是很難的甚至不可能的：在其它應(yīng)用中，最終用戶不愿意支付更換電池的成本。

　　在這樣的應(yīng)用中采用的是占空比非常低的很活躍的微處理器，在“深度睡眠”狀態(tài)下時(shí)間可能占了99％ - 甚至更高，達(dá)到99.9％也不罕見。微處理器在一個(gè)周期循環(huán)或在回應(yīng)某些刺激時(shí)被“喚醒”，執(zhí)行操作，并返回到睡眠狀態(tài)中。由于它們花了這么多時(shí)間去睡覺，很明顯，獲得最長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵參數(shù)是在掉電狀態(tài)下的電流消耗。不過，同一節(jié)電池的使用壽命為三或四年與超過10年，延長(zhǎng)至20年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間的區(qū)別在于要密切注意這個(gè)任務(wù)如何使用MCU資源的每個(gè)方面，以及MCU本身是如何設(shè)計(jì)以各種方式減少能源消耗的。

一節(jié)單電池用20年

　　CR2032紐扣電池廣泛用于小型MCU如遠(yuǎn)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(yīng)商 - 例如，柯達(dá)（參考1） -評(píng)定230 mAh到2V的終點(diǎn)電壓能力為 5.6 k? (約有0.5 mA). 如果是那樣的話，電池壽命將為400小時(shí)，相比之下，能源敏感的應(yīng)用能使使用壽命達(dá)到20萬小時(shí)。這種特殊的電池具有很好的貨架壽命或自放電率，數(shù)據(jù)表顯示10年之后其容量達(dá)90％。非常相似的是，這相當(dāng)于連續(xù)充電約0.25 ?A, 如果能夠達(dá)到10-20年的電池壽命, 應(yīng)用的一般要求就會(huì)滿足。

　　伴隨電池壽命的是數(shù)量有限的電荷，設(shè)計(jì)者必須在MCU運(yùn)行的所有階段減少產(chǎn)品的電流和時(shí)間，不僅要減少每微安的數(shù)量，也要減少每個(gè)動(dòng)作的每個(gè)微秒。

　　為了減少深度睡眠模式下消耗的電流，在能源敏感應(yīng)用的MCU中采用8位（或16位）內(nèi)核已很普遍。其理由是，8位內(nèi)核—即使在最新版本中也常常采用這樣的設(shè)計(jì) - -很小，門控相對(duì)較少，靜電或泄露電流低。但是，許多現(xiàn)在的應(yīng)用都需要比8位內(nèi)核更大的處理功率。在其它MCU應(yīng)用領(lǐng)域，用戶往往選擇從一個(gè)8位升級(jí)到一個(gè)32位環(huán)境。在低功耗的情況下，人們一直假定32位內(nèi)核在其掉電模式狀態(tài)時(shí)使用的電流一定是高得令人無法接受的。隨著全套低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)，今天的IC設(shè)計(jì)師們已經(jīng)可能讓一個(gè)32位ARM內(nèi)核提供不同的低功耗模式了，與其8位的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一樣好，甚至更好，而且還能實(shí)現(xiàn)快速喚醒時(shí)間。 32位處理器更高的處理性能也使MCU可以更快完成任務(wù)，從而能夠在這些低功耗模式中花更多時(shí)間來進(jìn)一步降低平均功耗。

低功耗外圍設(shè)備功能

　　要優(yōu)化最低耗用功率的MCU睡眠狀態(tài)功耗需要整體的設(shè)計(jì)方法。除了內(nèi)核，MCU里的其它模塊在待機(jī)設(shè)備、穩(wěn)壓器、偏置電流發(fā)生器，欠壓檢測(cè)比較儀、加電復(fù)位電路中會(huì)繼續(xù)吸引一些電流 。在幾乎所有情況下，簡(jiǎn)單的交替換位都適用; 掉電狀態(tài)越深，就越多外圍設(shè)備的功能被完全切斷，芯片準(zhǔn)備好實(shí)施處理任務(wù)的喚醒時(shí)間越長(zhǎng)。由于應(yīng)用的差別很大，MCU設(shè)計(jì)師提供一種靈活的斷電狀態(tài)下的擴(kuò)展套件形式就顯得很重要了，這樣產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員就可以很好地為他個(gè)人的項(xiàng)目進(jìn)行待機(jī)功率和響應(yīng)能力的交替換位。

　　設(shè)計(jì)實(shí)施ARM內(nèi)核以實(shí)現(xiàn)在nanoamp區(qū)最深睡眠狀態(tài)的電流水平只是低能源戰(zhàn)略的一個(gè)步驟。能夠提供一個(gè)32位內(nèi)核的處理能力為控制能源使用開辟了新途徑， 在任何時(shí)候，它是MCU供電圖下面的區(qū)域，隨著時(shí)間的推移，它表示從電池里取走的電荷（圖2）。就是這樣，在具體配置中電流消耗的大標(biāo)題數(shù)字越多，設(shè)計(jì)人員就必須密切注意要最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命。在EFM32微控制器的開發(fā)工具包中，這種測(cè)量是很清楚的; 這個(gè)工具包的基本功能部分是其先進(jìn)能源監(jiān)控器（圖3）。該設(shè)施在填充MCU內(nèi)核的電流軌中不斷測(cè)量電流;一個(gè)從模擬到數(shù)字的轉(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(cè)量不同時(shí)間的功率。