管理多種低功耗操作模式

優(yōu)化資源有助于節(jié)約電池電量。我們可通過(guò)以下五個(gè)步驟來(lái)適當(dāng)采用不同的功率操作模式，從而實(shí)現(xiàn)功耗的最小化。本文中，我們將以使用壽命長(zhǎng)達(dá)十年的煙霧探測(cè)器為例來(lái)逐步進(jìn)行說(shuō)明。我們用光學(xué)煙箱(optical smoke chamber)來(lái)實(shí)施煙霧檢測(cè)。我們?cè)跓熛渲刑匾鈨?nèi)置了彼此隔離的IR發(fā)射器和IR接收機(jī)。如果出現(xiàn)了火情，煙霧顆粒會(huì)進(jìn)入煙箱，并反射IR傳輸，以便IR接收機(jī)接收IR傳輸器的信號(hào)。接收到的IR接收機(jī)信號(hào)極其微小，在20nA到200nA之間。我們用比較器和運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。比較器用于比較來(lái)自IR接收機(jī)的信號(hào)和參考電壓，從而確定煙箱中是否存在煙霧。運(yùn)算放大器會(huì)將IR接收機(jī)的信號(hào)放大到107倍。煙霧探測(cè)器每五秒鐘工作一次，檢查是否發(fā)生火情。一旦檢測(cè)到火情，LED指示燈就會(huì)發(fā)亮，有的煙霧探測(cè)器會(huì)拉響警報(bào)，不過(guò)此類案例不在本文考慮之列。圖1顯示了本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 煙霧探測(cè)電路

確定最大平均電流消耗

確定應(yīng)用功耗預(yù)算的最簡(jiǎn)單方法就是明確電池的最大平均電流消耗。這里的計(jì)算取決于電池使用壽命以及選擇何種類型的電池。本例選擇的是廉價(jià)的220mAh CR2032鋰電池。對(duì)于工作年限長(zhǎng)達(dá)10年的電池而言，CR2032的平均電流消耗為：220mAh x(1000uA/mA)/(10年)/(8760小時(shí)/年)=2.5uA

首先關(guān)注待機(jī)工作模式

許多電池供電的應(yīng)用在99%以上的時(shí)間中均處于睡眠或不工作狀態(tài)。應(yīng)用在睡眠狀態(tài)下，中央處理器(CPU)不工作。在睡眠模式中，應(yīng)用會(huì)采用內(nèi)部定時(shí)器運(yùn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘操作，不過(guò)時(shí)鐘系統(tǒng)也可能會(huì)完全關(guān)閉，等待外部事件的發(fā)生。為了節(jié)約功耗，我們選擇的微控制器(MCU)應(yīng)確保在系統(tǒng)睡眠狀態(tài)下具有極低的功耗，這點(diǎn)尤其重要。睡眠模式的電流消耗會(huì)對(duì)平均電流消耗造成極大影響。例如，煙霧探測(cè)器應(yīng)每五秒鐘工作一次，檢測(cè)火情，也就是說(shuō)，應(yīng)用在睡眠狀態(tài)下也要進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘操作。考慮到睡眠模式電流消耗極低的要求，我們選擇MSP430F2011作為首選MCU。這款MCU可在8位或16位的MCU空間中實(shí)現(xiàn)最低的待機(jī)電流消耗。在電壓為3V的待機(jī)模式下，最高耗電為1.2uA，其中包括用32kHz晶振提供掉電復(fù)位保護(hù)(BOR)的耗電。我們可用功耗極低的振蕩器(VLO)來(lái)進(jìn)一步降低電流消耗。VLO是一種內(nèi)置振蕩器，無(wú)需外部組件。VLO運(yùn)行頻率為12kHz，其典型電流消耗不足500nA。在本例中，我們將采用外部晶振。MSP430F2011帶有2KB閃存、128BRAM、帶有兩個(gè)捕獲及比較寄存器的定時(shí)器，以及10個(gè)通用I/O(GPIO)和一個(gè)多路復(fù)用比較器，能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的最低要求。

為實(shí)現(xiàn)最高集成度制定計(jì)劃

利用寄存器而非較慢的串行通信端口可以提高集成度，從而加快通信速度，并更好地控制模擬外設(shè)。只要不增加外部組件，我們就能盡量減小漏電流。我們?yōu)闊熿F探測(cè)器采用內(nèi)部比較器；此外還需要采用外部運(yùn)算放大器。

在待機(jī)狀態(tài)下關(guān)斷外部模擬組件

如果組件消耗的靜態(tài)電流較低，那么對(duì)節(jié)電非常有益，因?yàn)榻M件“總是”通電的，不存在建立時(shí)間。對(duì)于便攜式應(yīng)用而言，由于待機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)，因而建立時(shí)間的問(wèn)題可以忽略。我們可以考慮采用具備電源關(guān)斷功能的外部組件。如果組件不具備關(guān)斷引腳，那么我們可嘗試直接從GPIO為組件本身加電，不過(guò)條件是組件吸收的電流不超過(guò)端口引腳規(guī)范。對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等組件而言，即便關(guān)斷模式也會(huì)消耗較大量的電流。對(duì)這種組件來(lái)說(shuō)，我們可考慮采用外部開(kāi)關(guān)。MCU采用GPIO控制該開(kāi)關(guān)，在不使用該組件的時(shí)候就將其禁用，以使其斷電。在本例中，考慮到IR接收機(jī)的電壓在10nV至200nV之間變化，我們需要采用運(yùn)算放大器。鑒于TLV2760具備關(guān)斷模式，因此我們選擇了該器件。這款運(yùn)算放大器的建立時(shí)間為13.5uS，幾乎可以忽略不計(jì)。

在工作模式下最小化功耗

待機(jī)電流會(huì)對(duì)平均電流消耗造成極大影響，不過(guò)盡可能減小工作狀態(tài)下的功耗也非常重要。為了降低功耗，不妨考慮以下建議：

最小化消耗大部分電流的組件的工作時(shí)間。

盡可能多地關(guān)閉PU。在許多情況下，CPU要等待外設(shè)或外部組件完成任務(wù)后才能進(jìn)行進(jìn)一步的處理。我們應(yīng)選用在CPU關(guān)閉狀態(tài)下仍能操作外設(shè)的MCU。請(qǐng)確保CPU能迅速喚醒，這樣才能避免浪費(fèi)時(shí)間及電池使用壽命。

避免探詢PIO和外設(shè)。在工作模式下，如果因?yàn)橛脩艋?dòng)檢查GPIO，就會(huì)占用CPU，浪費(fèi)時(shí)間。我們可考慮采用中斷(空間)驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)，如果出現(xiàn)用戶輸入或發(fā)生需立即響應(yīng)的關(guān)鍵事件，那么就向CPU發(fā)出中斷。

圖1顯示了CPU和外部組件在煙霧探測(cè)器工作狀態(tài)下功耗情況的粗略估計(jì)。請(qǐng)注意，在比較器和運(yùn)算放大器趨于穩(wěn)定時(shí)，我們要有目的地關(guān)閉CPU。IR發(fā)射器的功耗最高。因此，我們要高效地打開(kāi)及關(guān)閉IR發(fā)射器，盡可能減少其工作時(shí)間。待機(jī)和工作狀態(tài)下總的平均電流消耗為1.38uA，非常接近最大待機(jī)電流消耗，即1.2uA。對(duì)壽命長(zhǎng)達(dá)十年的煙霧探測(cè)器而言，最大平均電流消耗為2.5uA，而總的平均電流消耗為1.38uA，因此我們能夠?qū)崿F(xiàn)功耗目標(biāo)。

電源設(shè)計(jì)

延長(zhǎng)便攜式應(yīng)用電池使用壽命的另一方面就是要做好電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，其中包括電池與穩(wěn)壓器的選用。我們?cè)谝韵虏糠謱⑨槍?duì)延長(zhǎng)電池使用壽命給出一些設(shè)計(jì)小竅門(mén)，以提高設(shè)計(jì)工作的效率。
使用單個(gè)電壓源

若采用多個(gè)電壓源，對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)即耗電又昂貴。此外，多個(gè)電壓源還需要增加穩(wěn)壓器，由于這些穩(wěn)壓器會(huì)不斷吸收電流，因而會(huì)大幅縮短電池的使用壽命。添加額外的電壓源會(huì)相應(yīng)提高成本，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中必然會(huì)涉及電平轉(zhuǎn)換器與穩(wěn)壓器。便攜式應(yīng)用通常采用3V電源，這是因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)組件都處于這一電壓范圍內(nèi)，而且能以足夠的電壓范圍實(shí)現(xiàn)高效的模擬性能。

盡可能采用鋰電池

與其它電池技術(shù)相比，鋰電池的電壓源輸出最穩(wěn)定，這有助于延長(zhǎng)電池的使用壽命。商用鋰電池的不足之處在于其峰值電流容量較低。如果需要較長(zhǎng)的峰值電流，堿性電池更適合。

采用工作電壓范圍寬泛的組件

為了盡可能延長(zhǎng)電池使用壽命，我們應(yīng)采用可支持寬泛工作電壓范圍的組件。不管采用何種電池技術(shù)，一段時(shí)間之后電壓總會(huì)下降；例如，堿性電池會(huì)呈線性下降?？芍С謱挿弘妷悍秶慕M件將有助于延長(zhǎng)電池使用壽命。比較支持2.2V電壓范圍和2.7V電壓范圍的情況，對(duì)兩節(jié)AA電池而言，使用時(shí)間相差一倍。

多個(gè)電壓源的電源管理

在有些情況下，我們確實(shí)需要多個(gè)電壓源。我們不妨以一款DSP系統(tǒng)或32位MCU為例來(lái)說(shuō)明這一問(wèn)題。這類系統(tǒng)通常具有極高的待機(jī)電流消耗，并且還有多個(gè)可支持輸入－輸出(I/O)以及核心CPU的電壓軌，如3.0V和1.8V。如果添加低成本的小型MCU，就能在不使用電壓軌時(shí)將其關(guān)閉。

組件選擇

目前市面上可供選擇的組件有許多種。組件選擇對(duì)延長(zhǎng)電池使用壽命至關(guān)重要。

明確下列問(wèn)題對(duì)您選擇不同的MCU很有幫助：

對(duì)待機(jī)操作模式產(chǎn)生影響的問(wèn)題：

應(yīng)用中最長(zhǎng)見(jiàn)待機(jī)模式的最大電流消耗是多少？

掉電復(fù)位(BOR)保護(hù)功能的最大電流消耗是多少？

最大引腳泄漏電流是多少？

影響工作模式的問(wèn)題：

MCU喚醒時(shí)間以及提供快速穩(wěn)定的內(nèi)部振蕩器能有多快？

MCU避免探詢的中斷能力如何？

能否對(duì)外設(shè)進(jìn)行預(yù)配置，以及外設(shè)可否由外部事件驅(qū)動(dòng)以便能在不使用CPU時(shí)關(guān)閉CPU？

回答下列問(wèn)題將有助于評(píng)判不同的模擬組件：

組件是否具備關(guān)斷選項(xiàng)？

組件的穩(wěn)定時(shí)間有多快？

能否將相關(guān)功能集成至MCU中？

上述有關(guān)管理多種低功耗模式、電源設(shè)計(jì)和組件選擇的步驟并不能確保您的設(shè)計(jì)無(wú)往不勝，不過(guò)我們希望這些介紹會(huì)對(duì)您有所裨益，能為您今后延長(zhǎng)便攜式應(yīng)用的電池使用壽命提供一些參考信息。